Возможный путь стимуляции эпигенетической и геномной нестабильности в условиях стресса

Т.Н. Замай

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

К настоящему времени выяснены тонкие механизмы регуляции клеточного цикла и их молекулярно-генетическая природа. Однако эти исследования не привели к раскрытию механизма перехода клеточной пролиферации в разряд неконтролируемой. Вероятно, на молекулярном и клеточном уровнях понять процессы регуляции роста клеточной популяции невозможно. Эта идея высказывалась еще М. Терци, который писал о том, что «трансформация не является событием клеточного масштаба и ее следует определять на популяционном, а не на клеточном уровне». Такого же мнения придерживаются Лихтенштейн, Черезов [1] и ряд других исследователей. Популяционный подход к изучению феномена неконтролируемой клеточной пролиферации очень логичен, поскольку при исследовании такого феномена как канцерогенез нельзя забывать, что живой организм - это функциональная система, обладающая совершенными механизмами, контролирующими количество клеток.

В целом гомеостаз ткани в организме обеспечивается за счет клеточного воспроизводства и клеточной элиминации, регулируемых эндогенными и экзогенными факторами. У позвоночных большинство популяций дифференцированных клеток постоянно обновляется. Для быстро обновляющихся тканей характерна их регенерация за счет деления стволовых клеток. В некоторых случаях делятся дифференцированные клетки, находящиеся в состоянии покоя, образуя дочерние (гепатоциты, эндотелиальные клетки). Но для того чтобы клетка вышла из состояния пролиферативного покоя, она должна осуществить специальную программу метаболических преобразований, поскольку клетки, находящиеся в G₀-фазе, содержат ингибиторы пролиферации, препятствующие вступлению в S-фазу. К ним относятся ингибиторы широкой специфичности СК1 (белки семейства р21) и высокой специфичности – INK4 (ингибиторы CDK4), подавляющие клеточный цикл в фазе G₁. Кроме того, в покоящихся клетках не экспрессируются CDK2 и CDK4, а также циклины D и Е. Их синтез индуцируется только факторами роста. В постоянно пролиферирующих клетках уровень D- и E-циклинов остается высоким на протяжении всего цикла, и продолжительность G₁-периода по сравнению с пререпликативным периодом уменьшается. Таким образом, в клетках, находящихся в G₀-фазе, отсутствуют белки, разрешающие проход через точки рестрикции и позволяющие им вступать в S-фазу. Для перехода покоящихся клеток в S-фазу факторы роста должны индуцировать в них синтез этих белков. Такие защитно-приспособительные реакции органов и тканей организма, обеспечивающие постоянство их состава, а стало быть, и функций, были сформированы в процессе эволюции.

Живой организм – функциональная саморегулирующаяся система, находящаяся в состоянии постоянного приспособления к изменяющимся условиям окружающей среды, осуществляющая поддержание своего гомеостаза с помощью положительных и отрицательных обратных связей. Изменения окружающей среды могут стать для клеток, составляющих организм, стрессом и вызвать нарушение их гомеостаза, которое, в свою очередь, активирует системы, ответственные за адаптацию и восстановление равновесия. При избыточных длительных стрессовых, патогенных, канцерогенных или функциональных воздействиях в ткани развивается компенсаторно-приспособительный процесс в виде регенерации внутриклеточных структур либо усиления пролиферации. Существует несколько уровней регуляции клеточного гомеостаза. В первую очередь, в ответ на действие стрессогенного фактора возбуждаются адренергические центры головного мозга, вызывающие значительное увеличение секреции рилизинг-факторов и нейромедиаторов, следствием чего становится повышенное выделение тропных гормонов, глюкокортикоидов и катехоламинов [2].

Эти внешние сигналы переводят функциональное состояние клетки на новый уровень метаболизма, адекватный силе и длительности действия стрессогенного фактора. У организма в этих новых условиях функционирования возникает потребность в активации специфической физиологической функции. Эта возросшая физиологическая потребность стимулирует генетический аппарат, в результате чего формируется адаптивный ответ в виде гипертрофии, увеличивающей мощность системы, ответственной за адаптацию. Когда гипертрофии становится недостаточно для восстановления тканевого гомеостаза, управляющий сигнал активирует пролиферативную способность клеток, и возникает гиперплазия. Основная цель адаптации - увеличение мощности лимитирующей в условиях действия стрессогенного фактора функции органов.

При анализе механизмов, регулирующих рост органов и тканей, просматривается важная закономерность – все популяции увеличивают свой пролиферативный пул в ответ на нарушение гомеостаза, т.е. именно нарушение гомеостаза является стимулом развития популяции, ее роста. Стабильность гомеостаза характерна только для стабильных клеточных популяций, а отрицательный рост (его затухание, уменьшение численности клеток в популяции) – для специализированных тканей в условиях отсутствия центральных регуляторных воздействий.

Поскольку нарушение гомеостаза становится основным стимулом развития и роста клеточных популяций, популяции, которые в состоянии восстановить свой гомеостаз, снижают пролиферативный пул и осуществляют процесс дифференцировки клеток. Популяции, которые не могут этого сделать (в силу длительности действия стимула или его силы), но в то же время величина нарушений в них не настолько велика, чтобы стимулировать процессы гибели клеток, продолжают осуществлять циклы их размножения. В подтверждение этого вывода служит наблюдение о том, что «всякий рак имеет свой предрак», т.е. стимуляция пролиферативных процессов всегда предшествует трансформации нормальных клеток. Причем для регуляции роста пренеопластических клеток важную роль играет их микроокружение. Клеточные популяции, не способные восстановить нарушенный гомеостаз, но при этом сохраняющие свою жизнеспособность, запускают приспособительные процессы, которые способствуют их эволюционным преобразованиям.

Возможно, адаптация организмов к действию стресс-факторов (а, возможно, к любым нарушениям гомеостаза) происходит не в два этапа, а в три – в зависимости от силы и длительности действия факторов, а также от энергетических, пластических и других резервов клеточной популяции.

Первый этап - срочная адаптация, развивающаяся на основе эволюционно выработанной программы и уже имеющихся в клеточной популяции резервов.

Второй этап – долговременная адаптация, реализующаяся на базе системного структурного следа за счет активации пролиферативных процессов.

Третий этап – адаптация, включающая эволюционно выработанный механизм запуска приспособительной реакции организма, связанной с изменением генотипа.

Нельзя исключить, что именно этот третий этап адаптации, когда уже невозможно приспособиться с помощью доступных организму генетически запрограммированных механизмов восстановления гомеостаза и является тем закономерным этапом, где возникает эпигенетическая и геномная нестабильность, являющаяся началом трансформации нормальной клеточной популяции в неопластическую.

Считается, что для возникновения трансформированного клеточного клона необходимо 5-9 мутаций в онкогенах и антионкогенах. Такое событие, если принять во внимание скорость возникновения спонтанных мутационных процессов и необходимость точной селективности мутаций, кажется событием практически невероятным. Поэтому, очевидно, что на каком-то этапе трансформации клетки должны приобретать способность к ускоренному мутагенезу. Следовательно, можно предположить, возникновение эпигенетический и геномной нестабильности, играющей важную роль в развитии канцерогенеза, – это закономерный ответ на определенные внешние или внутренние факторы. Факторов, которые могут привести к геномной нестабильности, множество: длительные увеличения клеточных потерь [3], атрофия, гипоксия, хронический воспалительный процесс, длительные раздражения и т.д. Спектр генетических повреждений тоже характеризуется большим разнообразием: амплификация, делеции, инсерции, транслокации, микромутации и т.д. Важно, чтобы эти изменения способствовали гиперэкспрессии тех генов, которые ускоряют прохождение клеточного цикла. При трансформации наряду с мутациями в онкогенах и антионкогенах наблюдаются побочные, относительно нейтральные повреждения генома.

Возможно, этот эволюционно выработанный приспособительный процесс сходен с эволюционными приспособлениями одноклеточных организмов. Как известно, у бактерий эволюционный приспособительный процесс развивается только при таком нарушении гомеостаза, который влечет за собой подавление жизнедеятельности. Активация мутационных процессов развивается в условиях сниженной жизнедеятельности, когда синтез ДНК происходит лишь частично, причем с активацией мутационных процессов. Таких процессов несколько, но основные из них связаны с активацией мутаций, то есть с процессами, приводящими к геномной нестабильности. Геномная нестабильность увеличивает поиск вариантов, при которых может возникнуть фенотип, способный выжить в новых условиях и восстановить нарушенное гомеостатическое состояние. Причем мутационные процессы запускаются не во всей клеточной популяции, а только в некоторой ее части, в какой – неясно [4]. Возможно, они активируются в клетках с высоким пролиферативным потенциалом, что позволяет клеточной популяции в целом выживать. Но, очевидно, что активация мутационных процессов в популяции будет увеличивать и гибель клеток, поскольку лишь небольшая часть мутаций является полезной, большая из них – вредна, а остальные нейтральны. Высокий уровень апоптоза отмечен и в наиболее злокачественных новообразованиях [5].

Таким образом, можно предположить, что стимуляция эпигенетической и геномной нестабильности является ответом клетки на невозможность восстановить свой гомеостаз с помощью генетически запрограммированных механизмов. Эпигенетическая и геномная нестабильность – это эволюционно приобретенный компенсаторно-приспособительный механизм, позволяющий выживание клеточной популяции в целом.