Mutační teorie onkogeneze je doktrína, podle které jsou příčinou zhoubných nádorů mutační změny v buněčném genomu [1] . Tato teorie je nyní všeobecně přijímána. V naprosté většině případů se zhoubné novotvary vyvinou z jediné nádorové buňky, to znamená, že jsou monoklonálního původu. Podle moderních koncepcí se mutace vedoucí ke vzniku nádoru mohou vyskytovat jak v pohlaví (asi 5 % všech případů), tak v somatických buňkách [2] .
Milníky ve vývoji mutační teorie onkogeneze:
Za přímý důkaz mutační povahy rakoviny lze považovat objev protoonkogenů a supresorových genů, jejichž změna ve struktuře a expresi v důsledku různých mutačních událostí, včetně bodových mutací , vede k maligní transformaci.
Objev buněčných protoonkogenů byl nejprve proveden pomocí vysoce onkogenních virů obsahujících RNA ( retroviry ), které jako součást svého genomu nesly transformující geny . Molekulárně biologické metody ukázaly, že DNA normálních buněk různých eukaryotických druhů obsahuje sekvence homologní s virovými onkogeny, nazývané protoonkogeny. K transformaci buněčných protoonkogenů na onkogeny může dojít v důsledku mutací v kódující sekvenci protoonkogenu, které povedou ke vzniku pozměněného proteinového produktu, nebo v důsledku zvýšení hladiny exprese protoonkogen, v důsledku čehož se zvyšuje množství proteinu v buňce. Protoonkogeny, které jsou normálními buněčnými geny, mají vysoký evoluční konzervatismus, což ukazuje na jejich účast na životně důležitých buněčných funkcích.
Bodové mutace vedoucí k transformaci protoonkogenů na onkogeny byly studovány především na příkladu aktivace protoonkogenů z rodiny ras . Tyto geny, klonované poprvé z lidských nádorových buněk při rakovině močového měchýře , hrají důležitou roli při regulaci buněčné proliferace jak za normálních, tak za patologických stavů. Geny rodiny ras jsou skupinou protoonkogenů, které jsou nejčastěji aktivovány během transformace nádorových buněk. Mutace v jednom z genů HRAS, KRAS2 nebo NRAS se nacházejí asi u 15 % lidských rakovin. Ve 30 % buněk plicního adenokarcinomu a v 80 % buněk nádoru pankreatu je nalezena mutace onkogenu ras , která je spojena se špatnou prognózou onemocnění.
Jedním ze dvou hotspotů, kde mutace vedou k onkogenní aktivaci, je 12. kodon . V experimentech s místně řízenou mutagenezí se ukázalo, že nahrazení glycinu ve 12. kodonu jakoukoliv aminokyselinou , s výjimkou prolinu , vede ke vzniku transformační schopnosti v genu. Druhá kritická oblast je lokalizována kolem 61. kodonu. Nahrazení glutaminu v poloze 61 jakoukoli jinou aminokyselinou než prolin a kyselina glutamová také vede k onkogenní aktivaci.
Anti-onkogeny neboli tumor supresorové geny jsou geny, jejichž proteinové produkty potlačují tvorbu tumoru. V 80. a 90. letech 20. století byly objeveny buněčné geny, které vykonávají negativní kontrolu buněčné proliferace, tj. brání buňkám vstoupit do dělení a opustit diferencovaný stav. Ztráta funkce těchto antionkogenů způsobuje nekontrolovanou buněčnou proliferaci. Kvůli jejich opačnému funkčnímu účelu s ohledem na onkogeny byly nazývány antionkogeny nebo geny potlačující malignitu. Na rozdíl od onkogenů jsou mutantní alely supresorových genů recesivní. Přítomnost jedné mutantní alely, za předpokladu, že druhá je normální, nevede k odstranění inhibice tvorby nádoru.
Proto-onkogeny a supresorové geny tvoří komplexní systém pozitivně-negativní kontroly buněčné proliferace a diferenciace a narušením tohoto systému je realizována maligní transformace.
V roce 1971 Alfred Knudson navrhl hypotézu, nyní známou jako teorie dvojité rány nebo dvojité mutace, vysvětlující mechanismus výskytu hereditárních a sporadických forem retinoblastomu , maligního nádoru sítnice [ 3] . Na základě údajů statistické analýzy projevů různých forem retinoblastomu navrhl, že aby se objevil nádor, musí v buňce nastat dvě po sobě jdoucí mutace. V případě hereditárního retinoblastomu se první mutace vyskytuje v zárodečných buňkách (dědičná mutace) a druhá mutace (druhá mrtvice) se vyskytuje v somatických buňkách . Sporadický retinoblastom je méně častý a je výsledkem dvou mutací v somatické buňce. Pravděpodobnost, že se v téže buňce objeví dvě po sobě jdoucí mutace, je malá, takže sporadický retinoblastom je méně častý než dědičný, nádory se tvoří později a v menším počtu. Knudsonova hypotéza byla dlouhou dobu velmi populární, ale nyní je třeba ji revidovat v souvislosti s objevem nových faktů o tumor supresorových genech [4] [5] .
Podle moderních koncepcí je k dokončení procesu nástupu neoplazie (nádoru ) zapotřebí od tří do šesti dalších genetických poškození (v závislosti na povaze počáteční nebo predisponující mutace, která může předurčit cestu vývoje onemocnění). formace) [4] . Údaje epidemiologických, klinických, experimentálních (na transformovaných buněčných kulturách a transgenních zvířatech) a molekulárně genetických studií jsou v dobrém souladu s těmito myšlenkami.
Výskyt rakoviny u lidí je mnohem vyšší, než se teoreticky předpokládá, na základě předpokladu nezávislého a náhodného výskytu mutací v nádorové buňce. Pro vysvětlení tohoto rozporu je navržen model, podle kterého je časnou událostí karcinogeneze změna v normální buňce, vedoucí k prudkému zvýšení frekvence mutací – vzniku mutátorového fenotypu.
K vytvoření takové konstituce dochází při akumulaci onkogenů kódujících proteiny, které se účastní procesů buněčného dělení a procesů urychlení buněčného dělení a diferenciace, v kombinaci s inaktivací supresorových genů odpovědných za syntézu proteinů, které inhibují buněčné dělení a indukce apoptózy (geneticky programovaná buněčná smrt). Chyby replikace podléhají opravě systémem post-replikativních oprav . Vysoká úroveň věrnosti replikace DNA je udržována komplexním systémem kontroly věrnosti replikace – opravnými systémy, které opravují vzniklé chyby.
U lidí je známo 6 genů pro postreplikativní opravu (geny stability). Buňky s defektem v postreplikativním opravném systému jsou charakterizovány zvýšením frekvence spontánních mutací. Stupeň mutátorového účinku se pohybuje od dvojnásobného zvýšení mutability až po šedesátinásobné zvýšení.
Mutace v genech stability jsou ranou událostí karcinogeneze, generují řadu sekundárních mutací v různých genech a zvláštní typ nestability struktury DNA v podobě vysoké variability ve struktuře nukleotidových mikrosatelitů , tzv. mikrosatelitní nestabilita. Mikrosatelitová nestabilita je indikátorem mutátorového fenotypu a diagnostickým znakem defektu v postreplikativní opravě, který se používá k dělení nádorů a nádorových buněčných linií na RER+ a RER- (RER je zkratka slov chyby replikace , zdůrazňuje že nestabilita je výsledkem neopravených chyb replikace). Nestabilita mikrosatelitů byla také nalezena v buněčných liniích vybraných pro rezistenci vůči alkylačním činidlům a několika dalším třídám léčiv. Nestabilita mikrosatelitů v důsledku narušeného metabolismu DNA , její replikace a oprava je příčinou vzniku nádoru.
V důsledku defektu postreplikativní opravy dochází k akumulaci mutací v genech kritických bodů, což je předpokladem pro progresi buňky až do úplné malignity. Inaktivace receptorového systému v důsledku posunové mutace v repeticích kódující sekvence je pozorována pouze v nádorových buňkách a není detekována bez mikrosatelitní nestability.
Karcinogeneze v důsledku nedostatku post-replikativní opravy probíhá nejméně ve třech fázích:
Klasická mutační teorie popsaná výše poskytla alespoň tři alternativní větve. Jedná se o modifikovanou tradiční teorii, teorii rané nestability a teorii aneuploidie.
První je oživená myšlenka Lawrence A. Loeba z University of Washington , kterou vyslovil již v roce 1974. Podle genetiků se v každé buňce během jejího života vyskytne náhodná mutace v průměru pouze v jednom genu. Ale podle Loeba někdy z toho či onoho důvodu (pod vlivem karcinogenů nebo oxidantů nebo v důsledku porušení systému replikace a opravy DNA) se frekvence mutací dramaticky zvyšuje. Věří, že původem karcinogeneze je vznik velkého množství mutací – od 10 000 do 100 000 na buňku. Přiznává však, že je velmi těžké to potvrdit nebo vyvrátit. Klíčovým bodem nové verze tradiční teorie karcinogeneze tedy zůstává vznik mutací, které buňce poskytují výhody při dělení. Chromozomální přestavby v rámci této teorie jsou považovány pouze za náhodný vedlejší produkt karcinogeneze.
V roce 1997 Christoph Lingaur a Bert Vogelstein zjistili, že v maligním nádoru konečníku je spousta buněk se změněným počtem chromozomů. Navrhli, že časná chromozomální nestabilita způsobuje výskyt mutací v onkogenech a tumor supresorových genech. Navrhli alternativní teorii karcinogeneze, podle níž je proces založen na nestabilitě genomu. Tento genetický faktor spolu s tlakem přirozeného výběru může vést ke vzniku nezhoubného nádoru, který se někdy transformuje na maligní a dává metastázy.
V roce 1999 vytvořil Peter Duesberg z Kalifornské univerzity v Berkeley teorii, podle níž je rakovina výsledkem výhradně aneuploidie a mutace konkrétních genů s ní nemají nic společného. Termín " aneuploidie " se používá k popisu změn, které vedou k buňkám obsahujícím řadu chromozomů, které nejsou násobkem základní sady, ale v poslední době se začal používat v širším smyslu. Nyní je aneuploidie chápána i jako zkracování a prodlužování chromozomů, pohyb jejich velkých úseků (translokace). Většina aneuploidních buněk umírá okamžitě, ale těch pár přeživších nemá stejnou dávku tisíců genů jako normální buňky. Dobře sehraný tým enzymů , které zajišťují syntézu DNA a její celistvost se rozpadá, v dvojité šroubovici se objevují zlomy, které dále destabilizují genom. Čím vyšší je stupeň aneuploidie, tím je buňka nestabilnější a tím je pravděpodobnější, že nakonec vznikne buňka, která může růst kdekoli. Na rozdíl od předchozích tří teorií hypotéza primordiální aneuploidie naznačuje, že vznik a růst nádoru souvisí spíše s chybami v distribuci chromozomů než s výskytem mutací v nich.
V roce 1875 J. Cohnheim vyslovil hypotézu, že zhoubné nádory se vyvíjejí z embryonálních buněk, které byly v procesu embryonálního vývoje nepotřebné.
V roce 1911 Rippert (V. Rippert) navrhl, že změněné prostředí umožňuje embryonálním buňkám uniknout z kontroly organismu nad jejich rozmnožováním.
V roce 1921 W. Rotter navrhl, aby se primitivní zárodečné buňky během vývoje organismu „usadily“ v jiných orgánech. Všechny tyto hypotézy o příčinách rozvoje rakovinných nádorů jsou již dávno zapomenuty a teprve nedávno se jim začala věnovat pozornost [Stem Cells Handbook /Edited by: S. Sell. Humana press Inc., Totowa, NJ. 2004].