Среди генетических изменений, свойственных соматическим клеткам, появление злокачественного роста — одно из самых загадочных явлений. Раковая клетка, как правило, возникает долгое время спустя после действия канцерогенных факторов (радиации, химических факторов, вирусов и т. д.). Ее появление подготавливается какими-то сложными процессами, идущими во время предракового периода.
Среди соматических эффектов радиации появление злокачественного роста, и в частности лейкемии, — одно из главных следствий поражения генетических структур в соматических клетках. Характер возникновения радиационного рака показывает, что в этом случае мы не имеем дело с проявлением обычных мутаций, непосредственно возникающих под действием радиации. В настоящее время имеются некоторые данные о характере этих скрытых, долго не обнаруживающихся процессов, протекающих во время предракового состояния ткани. Обращает на себя внимание тот факт, что в ядрах клеток раковых тканей идет интенсивный мутационный процесс. В результате в них появляются многочисленные генные мутации и хромосомные перестройки. Факт появления генных мутаций ярко показан для разных раковых клеточных линий, возникающих в ответ на изменения в условиях культуры тканей. Хромосомные перестройки в очень большом количестве наблюдаются при прямом изучении ядер раковых клеток под микроскопом.
Свойство высокой мутабильности резко выделяет раковые клетки среди остальных клеток нормальных тканей. При развитии особи в эмбриональных соматических клетках появление генных мутаций и хромосомных перестроек является редким событием. Это вполне понятно, так как мутации нарушают исторически созданные онтогенетические механизмы индивидуального развития. Обширные исследования Сакса, Уолкера и Бутройди, Хангерфорда, Н. П. Дубинина, Б. Н. Сидорова и Ю. С. Бочарова, Н. Н. Соколова, проведенные на нормальных тканях человека, хомяка, мыши и крысы, установили факт высокого постоянства состава и структуры ядер в размножающихся соматических клетках.
Открытие высокой мутабильности в клетках раковых тканей дает основание считать, что причиной появления злокачественных новообразований может быть тканевая селекция по генным и хромосомным мутациям. Эта селекция осуществляется в течение предраковой стадии, когда в условиях повышенного мутагенеза отбираются клетки, генотип которых обеспечивает способность к автономному росту. Происходит процесс отбора по признаку способности к созданию комплексных изменений в наследственных структурах. Установлено, что клеткам некоторых форм естественного и радиационного рака у мышей и у хомяков свойственна определенная, в каждом случае особая комплексная ядерная характеристика. Ядра в таких клетках устойчиво обладают дополнительными хромосомами или комплексным изменением структуры ряда хромосом, специфическим для разных опухолей.
При изучении ядерной структуры клеток в 30 различных злокачественных опухолях у человека (рак челюсти, молочной железы, желудка, матки, уретры) было установлено, что они характеризуются наличием дополнительных хромосом, В некоторых злокачественных опухолях число хромосом сильно варьирует. В одном из изученных случаев в клетках раковой ткани число хромосом варьировало от 63 до 104. Изучение количества ДНК в раковых клетках показало, что клетки эпителиом и полипов обычно содержат количество ДНК, характерное для диплоидных ядер, а в клетках аденокарцином содержание ДНК изменчиво и в некоторых случаях превышает количество, свойственное триплоидному набору хромосом. Будущие исследования покажут, каковы причинные зависимости между хромосомными изменениями и появлением свойств, характеризующих переход клетки от нормального роста к злокачественному. Однако указанные открытия показали, что проблема злокачественного роста коренным образом связана с проблемами цитогенетики. Роль методов радиационной цитогенетики в этом вопросе стала особенно ясной после обнаружения того, что облучение беременных женщин такими малыми дозами радиации, как 3—4 р, ведет к удвоению числа случаев заболеваний лейкемией у рождающихся детей.
Наряду с мутационной концепцией происхождения рака существует точка зрения, утверждающая вирусный характер рака. Действительно, в ряде случаев точно установлена роль вирусов при возбуждении рака. Гросс введением бесклеточного экстракта, полученного из некоторых форм раковых тканей человека, показал, что этот экстракт, обладающий фильтрующимся фактором TF, при введении в мышь из особой селекционной линии вызывает у нее злокачественный рост. Бартон, Фридман и Митчелл обнаружили, что в бесклеточных препаратах из некоторых злокачественных опухолей личинок дрозофилы содержится тот же фактор рака TF, который ранее был выделен в бесклеточных экстрактах из некоторых раковых тканей человека и мышей. Фридман и другие исследователи установили, что бесклеточные экстракты из опухолей человека, содержащие фактор TF, и из опухолей мышей (с тем же фактором TF) при их введении в личинки особей дикой линии дрозофилы вызывают в личинках злокачественный рост. Это открыло возможность необычайно быстрой характеристики раковых экстрактов, взятых из опухолей человека. Экстракт из опухолей человека или опухолей мыши, если он содержит данный фактор рака TF, за 24 часа вызывает появление опухолей у личинки дрозофилы.
В чем же специфика действия вируса в случае, когда он является причиной злокачественного роста? Почему при этом влияние вируса так существенно отличается от появления и течения обычного процесса инфекционного вирусного заболевания? Почему рак незаразное заболевание, если он вызывается вирусом?
Дело, по-видимому, в том, что вирус сам по себе не является непосредственной причиной появления злокачественных опухолей. Вполне возможно, что его роль состоит в создании условий, при которых клетки приобретают способность к высокой мутабильности. В таком случае не сам вирус, а опять-таки комплекс мутаций, созданный в процессе тканевой селекции, дает начало новому клеточному генотипу, который и является причиной преобразования клетки из нормальной в клетку, приобретающую способность к злокачественному росту. При этом дело осложняется тем, что вирус рака может симбиотически сосуществовать с нормальной клеткой, пребывая в латентном состоянии. Что касается самих изменений, вызываемых вирусом при его переходе в активную форму, то они могут иметь разный характер. Изменения могут возникнуть по типу трансдукций, когда вирус включает в хромосомы нормальных клеток человека какие-то элементы нуклеиновых кислот и этим обусловливает поражение ядерных структур. Такие клетки сразу или после ряда такого рода изменений получают специфически нарушенную генетическую информацию, обусловливающую появление высокой мутабильности, и становятся родоначальниками клеток, способных к злокачественному росту. Возможно, что вирус поражает специализированные районы хромосомы, такие, например, как участки гетерохроматина, в результате чего резко изменяется физиология ядра. Наконец, возможно, что влияние вируса ведет к индуцированию химических или других мутагенов, в результате чего повышается темп мутаций. Так или иначе, но действие вируса может оказаться вполне достаточным для появления клетки с наследственно обусловленной высокой мутабильностью, что создает необходимые условия для осуществления описанных выше процессов тканевой селекции, ведущих к появлению малигнизированных клеток.
В свете этих идей вирусная теория рака, по сути дела, является частью общей мутационной теории, согласно которой появление способных к злокачественному росту клеток происходит в результате мутационных изменений. Это показывает, что злокачественные опухоли могут возникнуть как при действии вируса, так и при действии многих химических, физических и других мутагенных факторов, в том числе ионизирующих и неионизирующих излучений достаточной канцерогенной эффективности.
В процессах происхождения раковых клеток в организме при всей их специфике привлекает к себе внимание еще и та особенность, что исходные раковые клетки возникают в качестве единичных среди громадной массы нормальных клеток организма. Если специфика раковой клетки обусловлена сложной генотипической системой, то единичность исходной клеточной малигнизации становится понятной. Она обусловлена статистически малой вероятностью появления таких сложных, ведущих к малигнизации генотипических систем, появляющихся в результате процессов тканевой селекции. Это показывает, насколько широкой должна быть мутационная основа и сложными процессы отбора, ведущие к появлению единичных специфических систем генотипов, обеспечивающих возможность автономного роста. Именно единичные клетки с такими генотипическими особенностями дают начало грозному злокачественному росту, губящему организм, в недрах которого рождается убийца — раковая ткань, возникающая путем генетического преобразования клеток, ранее бывших нормальными.
Появление единичной раковой клетки, обладающей комплексным уникальным генотипом, есть результат сложной тканевой эволюции. В предраковую стадию, когда происходит создание такого генотипа, вовлекается большое количество клеток, иначе не могут происходить широкие процессы мутирования и отбора.
Все это показывает, что определение современной теории рака как мутационной, собственно, не отражает существа вопроса. Факты из области генетики и цитологии раковой клетки заставляют предположить, что рак не является следствием простых отдельных мутаций. Значение мутаций в генезисе рака осуществляется в два этапа. Первый этап — появление клеток с наследственным свойством высокой мутабильности, второй — формирование хенотипа раковых клеток на базе многих мутаций. Действие канцерогенов, таких, как радиация, химические соединения, вирусы и т. д., касается только первого этапа, т. е. появления клеток с наследственно высокой мутабильностью. Все остальные процессы становления ракового генотипа являются как бы последствием мутационного эффекта канцерогенов. Канцерогены, не способные вызвать мутации, могут переводить вирус из латентного состояния в активное и через него вызывать мутационный эффект в клетках.
Появление клеток с наследственно высокой мутабильностью еще не создает раковой клетки. При наличии высокой мутабильности в клетках имеется громадное количество мутаций, которые продолжают возникать спустя долгое время после воздействия канцерогенных факторов. Для появления раковой клетки необходимо формирование специфического генотипа, что осуществляется в длительных процессах тканевой селекции. Вот почему появление злокачественного роста так отдалено от воздействия канцерогенов, которые дают только первый толчок, начинающий генезис рака. По этой же причине мы не находим принципиальных различий между индуцированным и спонтанным раком: в обоих случаях процессы тканевой селекции начинаются с одного и того же уровня, с появления клеток, обладающих наследственно высокой мутабильностью. При индуцированном раке эти клетки появляются вследствие мутаций, возникающих под действием канцерогенов, при спонтанном — под действием естественных, нам пока неизвестных причин.
Генетика предракового состояния во многом еще остается загадочной. Неясно, почему на предраковой стадии значительная группа клеток приобретает наследственно высокую мутабильность. Является ли это следствием размножения исходных отдельных клеток, приобретающих какую-то повышенную жизнестойкость? Или имеются неизвестные нам внутренние процессы, подготавливающие клетки к мутированию под влиянием канцерогенов? Может быть, вирус является фактором, который путем трансдукции «заражает» целую клеточную популяцию наследственно высокой мутабильностью?
Тем или иным путем популяция клеток приобретает наследственно высокую мутабильность, и это является первым крупным шагом в развитии рака.
Второй шаг в генезисе рака связан со сложными процессами тканевой эволюции на злокачественность, которая идет путем естественного отбора, преобразующего популяцию высокомутабильных соматических клеток.
Таким образом, влияние канцерогенов отдалено по времени от момента появления раковой клетки. Специфичность, качественная особенность процессов, ведущих путем тканевой селекции к появлению генотипа раковой ткани, настолько велики, что не может быть и речи о прямом мутационном вызывании рака канцерогенами по обычному принципу объективно случайных мутаций.
В этих качественно особых процессах тканевой селекции, ведущих к появлению раковой клетки, мы встречаемся со всеми звеньями типичного эволюционного процесса. Этот эволюционный процесс идет на фоне высокой мутабильности, он направляется отбором, который увеличивает потенции клетки к размножению. Злокачественный рост возникает на той ступени эволюции, когда отбор формирует генотип раковой клетки.
Завершение этого процесса тканевой селекции созданием способности клетки к автономному росту переводит клетку с раковым генотипом на качественно иной уровень по сравнению с нормальными клетками хозяина. Раковые клетки перестают подчиняться регуляторным механизмам целостного организма и превращаются в ткань, пожирающую своего хозяина.
Процессы генетических преобразований, ведущих к появлению раковой клетки, необходимо терминологически определить. Изложенное представление об этиологии рака можно называть концепцией о генетической тканевой эволюции на злокачественность.
Мы не знаем всей специфики процессов эволюционного становления клеточного ракового генотипа. Обычные представления требуют, чтобы сложный генотип раковой клетки складывался путем накопления многих последовательных мутаций в пределах одной клетки, которая затем станет родоначальницей раковой ткани. Однако, может быть, этот механизм создания сложного генотипа связан с деятельностью вируса, который путем трансдукции сочетает в отдельной клетке сложную клеточную наследственность, отдельные элементы которой мутационно возникают в разных клетках? Может быть, в условиях предраковой стадии широко действует механизм трансформации? В этом случае при отмирании высокополиплоидных клеток внедрение специфических измененных молекул ДНК ведет к завоеванию данной мутацией целых групп диплоидных клеток.
Существен также тот факт, что процессы тканевой эволюции не заканчиваются появлением раковой клетки. В образующих злокачественную опухоль потомках такой клетки идет интенсивный мутационный процесс и другие изменения, нарушающие генотипические основы клеток в раковой ткани. В результате в генотипическом отношении раковая опухоль представляет клеточную популяцию с разнообразием генотипов по отдельным клеткам. Эта популяция пластична, она поддерживает свои свойства путем отбора и, попав в разные условия внутри организма, может быстро преобразовываться. Громадная пластичность раковых клеток ярко проявляется в генотипической приспособляемости к разным условиям культуры тканей и в том, что в живом организме раковая ткань может генотипически дивергировать, приспособляясь к росту в разных органах.
Рост раковой ткани связан с постоянным поддержанием специфического генотипа во всей популяции клеток, что выражается в наличии «стволовых линий» при росте опухолей.
Все это показывает, что генетика становления и дальнейшего поддержания клеточного ракового генотипа как для естественных, так и для радиационных и других злокачественных новообразований содержит много неизвестного и неожиданного; здесь мы можем столкнуться с новыми принципами в явлении наследственности. Генотипическое становление раковой клетки и генетические особенности роста раковой ткани ставят множество сложных вопросов перед исследователями в области генетики и цитологии раковой клетки.
Концепция генетической тканевой эволюции на злокачественность, утверждающая, что естественный, радиационный и другие виды рака появляются на основе протекания общих для них всех генетических процессов, не только ставит новые проблемы перед теорией рака. Эта концепция указывает на новые подходы к вопросу о лечении рака, и в частности предполагает принципиально возможным не только лечение уже сформировавшейся злокачественной опухоли, но и профилактическую борьбу против процессов первичного возникновения раковых клеток.
Профилактические меры против появления злокачественного роста должны состоять в таком вмешательстве в химизм клетки, которое не допустит исходного для тканевой селекции чрезвычайного усиления мутационного процесса, ведущего к становлению генотипов, обеспечивающих злокачественный рост. Такое вмешательство при борьбе с появлением естественного рака можно обеспечить введением антимутагенных веществ.
На примере антимутагенного эффекта стрептомицина уже были показаны принципы противомутагенного действия такого рода веществ. Необходимо широко поставить опыты по предотвращению спонтанного рака в соответственных линиях мышей введением в кровь определенных растворов антимутагенов.
В случае радиационного рака защита против усиления мутационного процесса достигается более широким кругом защитных веществ. Таким образом, решение проблемы антимутагенов и проблемы химической защиты против возникающих в соматических клетках генетических эффектов радиации исключительно актуально для прогресса теории злокачественного роста и создания мер профилактики против его появления.
Борьба с самой раковой опухолью имеет другой характер. В свете теории, указывающей, что малигнизированные клетки генотипически отличаются от других соматических клеток организма, вполне понятен успех своевременного хирургического удаления опухоли. Удаление генотипически измененных клеток, конечно, полностью излечивает организм от рака. Такой же результат, хотя это и более сложно, достигается лучевой терапией, разрушающей клетки в опухоли. Эффективность лучевой терапии резко возрастает, если удается установить наличие различий в реакции клеток опухолей и окружающих опухоль клеток нормальных тканей на введение защитных веществ. Принципиально возможно, что генотипические особенности клеток раковых опухолей не позволяют им защищаться данным химическим соединением, тогда как нормальные клетки окажутся защищенными. Дифференциальный эффект при облучении может быть достигнут и при применении сенсибилизирующих веществ в том случае, если они будут увеличивать радиочувствительность раковых клеток, не изменяя реакции нормальных тканей.
Таким образом, необходимо искать наследственно обусловленные различия в реакции раковых и нормальных тканей на введение защитных и сенсибилизирующих веществ, что должно послужить исходным пунктом для разработки новых методов лучевой терапии рака.
Борьба с злокачественным ростом является исключительно трудным делом. Дело в том, что до сих пор еще неизвестно главное в биологии, цитологии, биохимии и генетике раковой клетки. Сейчас широким фронтом ведутся работы, направленные на вскрытие сущности изменений, вызывающих и направляющих злокачественный рост.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что раковая опухоль представляет собой сложную популяцию гетерогенных клеток, способность которых к злокачественному росту поддерживается постоянным отбором. Возможно, что наряду с методами прямого уничтожения опухоли с помощью лучевой или обычной хирургии, химиотерапии и т. д. надо искать пути вмешательства в злокачественный рост методом нарушения того отбора, в результате которого поддерживается генотип популяции на уровне, обеспечивающем злокачественность большинства составляющих ее раковых клеток. Если окажется возможным нарушить работу отбора, обеспечивающую поддержание специфического генотипа в популяции раковых клеток, тогда наступит дезинтеграция популяционного генотипа, что поведет к самоуничтожению опухоли. Известны примеры, когда раковые опухоли исчезали без какого-либо вмешательства. Возможно, в этих случаях естественно возникли условия, при которых отбор на злокачественность в популяциях раковых клеток нарушался и опухоль гибла.
Концепция генетической тканевой эволюции на злокачественность должна быть подвергнута широкой экспериментальной проверке. Исключительно важно выяснить, в какой мере антимутагенные вещества могут предотвратить возникновение спонтанного рака, а химическая защита против генетических эффектов радиации — радиационного рака. Необходимо исследовать генетическую гетерогенность раковых клеток в раковой опухоли; исследовать генетику клеток в предраковой стадии внутри организма и при работе с культурами тканей; выяснить последствия от подавления антимутагенами мутационного процесса, идущего в клетках, составляющих злокачественную опухоль; изучить генетико-популяционные основы отбора, обеспечивающего сохранение стволовых линий в раковой ткани и ее преобразований при изменении условий роста; исследовать роль полиплоидизации клеток в предраковой стадии и при росте раковой ткани; выяснить специфику мутагенного эффекта вирусов, и в частности, действуют ли на этих стадиях механизмы трансдукции и трансформации, и т. д.
Природа становления и протекания злокачественного роста пока неизвестна. Поэтому всякая гипотеза о происхождении рака в настоящее время может иметь лишь самый общий характер и не может претендовать на достоверность.
Однако обнаружение специфических ядерных нарушений, возникающих в раковой клетке как при спонтанном, так и при индуцированном раке, дает возможность по-новому подойти к проблеме рака и привлекает к себе все большее и большее внимание. Эти факты дают новые экспериментальные и теоретические подходы к выяснению этиологии рака. Анализ этих фактов позволяет сформулировать единую концепцию происхождения рака в виде теории генетической тканевой эволюции на злокачественность.
Глубокий интерес имеют новые данные по структурным мутациям хромосом в связи с появлением злокачественности. Крупным событием в цитогенетике рака было обнаружение того факта, что при появлении злокачественной миелоидной лейкемии всегда вполне закономерно оказывалась нарушенной структура 21-й хромосомы. Это показало, что в ряде случаев генотипические преобразования в клетке при становлении злокачественности могут иметь отчетливое цитологическое выражение. Вполне понятно, что анализ таких хромосом-«маркеров» весьма перспективен для раскрытия путей возникновения злокачественности.
Вторым важным событием явилось открытие факта существования селективных клеточных клонов, которые, возникая в качестве отдельных генотипических изменений клеток, затем начинают размножаться быстрее, чем клетки исходной ткани. В этом случае еще нет злокачественного роста, однако появление селективного клона клеток может быть важным элементом его становления в предраковый, латентный период.
В настоящее время открыт уже ряд случаев селективных клонов у людей и мышей. По данным Н. П. Дубинина, И. Л. Гольдмана и других, донор, анализ крови которого показал нормальную структуру ядра, внезапно обнаружил наличие клона клеток, маркированных определенной хромосомной структурой. В это время уже около 5% клеток содержали новую структуру хромосом. Очевидно, что перед нами селективный клон клеток, размножающийся в организме человека. Главным в изменении кариотипа в клетках этого клона было появление большой акроцентрической хромосомы, по-видимому, возникшей на базе мутации 13-й акроцентрической хромосомы. Эта хромосома получила название АС-хромосомы (А-акроцентрическая; С-селективная).
К настоящему времени изучены хромосомы в клетках в целом ряде случаев злокачественного роста; одним из главных свойств злокачественного роста является гистологическая и цитологическая индивидуальность каждой опухоли. Однако, несмотря на это, анализ литературы показывает, что около 40% случаев опухолей связано с наличием в ядрах их клеток маркеров в виде АС-хромосом.
Концепция канцерогенной роли структурных мутаций, дающих АС-хромосомы, требует разработки, многогранного анализа и дополнительной необходимой цепи доказательств. Вместе с тем обнаружение АС-хромосомы в ядрах клеток селективного клона человека показывает, насколько перспективно изучение предраковых состояний. Сейчас наступает время, приближающее нас к раскрытию всей сложной и многообразной картины изменчивости генов и хромосом, возникающей в естественных условиях под действием физических, химических, вирусных и других канцерогенных факторов. Эти исследования вплотную подведут нас к решению загадки рака.
—Источник—
Дубинин, Н.П. Горизонты генетики/ Н.П. Дубинин. – М.: Просвещение, 1970.- 560 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
