Репарация повреждений днк, вызванных канцерогенными веществами - общая онкология
РЕПАРАЦИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК, ВЫЗВАННЫХ КАНЦЕРОГЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ,
И ЕЕ РОЛЬ В КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ
Мы кратко рассмотрели метаболизм канцерогенных веществ в биологических системах и их взаимодействие с клеточным геномом. Важность изучения этих явлений очевидна, поскольку в свете молекулярно-генетической теории злокачественных опухолей и концепции онкогенов многие нарушения структуры или функционирования генома, вызываемые разнообразными канцерогенными факторами химической и физической природы, могут явиться причиной возникновения трансформированных клеток. Канцерогены производят генетические повреждения на уровне гена (амплификации генов, реаранжировки, нарушения физиологического метилирования ДНК и активирование протоонкогенов) и хромосомы (хромосомные аберрации, анэуплоидность). Наиболее аргументированной с современных позиций является концепция онкогенов, утверждающая, что возникновение клеток со специфически измененным генотипом происходит в результате индуцируемых канцерогенами точковых мутаций. В действительности, практически все известные канцерогенные вещества обладают мутагенным эффектом. В свою очередь, подавляющее большинство мутагенных веществ обладает канцерогенной активностью. Весомым аргументом,свидетельствующим о ключевой роли мутации в превращении нормальной клетки в опухолевую, служат данные о том, что замена лишь одного нуклеотида в протоонкогенах человека и животных может вызвать их функционирование как онкогенов и в ряде случаев последующую злокачественную трансформацию клеток [Singer В., Grunberger D., 1983].
Среди различных классов канцерогенных агентов распространенными и представляющими реальную опасность для человека являются НС и ряд других алкилирующих веществ [Bartsch Н., Montesano R., 1984]. Из всех вызываемых ими повреждений ДНК наибольшее внимание привлекает образование 06-алкилгуанина, поскольку в процессе синтеза ДНК он может образовывать пару с тимином вместо цитозина, который является комплементарным для гуанина. Это, в свою очередь, может явиться причиной мутаций, что и было экспериментально подтверждено. Появление 04-метил- тимина в реплицирующейся ДНК приводит к образованию пары с гуанином, не комплементарной для родительского пиримидина — тимина, и тоже вызывает появление мутантов [Лихачев А. Я., 1987]. Этот обнаруженный в последние годы молекулярный механизм мутагенного действия алкилирующих агентов служит серьезным экспериментальным обоснованием роли точковых мутаций как одного из ключевых явлений, рассматриваемых молекулярно-генетической теорией рака.
Наконец, следует заметить, что и противоопухолевое действие цитостатиков — хлорэтильных производных нитрозомочевины, таких как 1,3-бис-(2- х лорэтил)-1 -нитрозомочевина, 1 -(2- хлорэтил) - 3 - циклогексил - 1 - нитрозомочевина, 1 -(2-хлорэтил) - 3 - (4 - метил) - циклогексил-1 -нитрозомочевина, тоже осуществляется посредством алкилирования ими О6 атома гуанина в ДНК [The Role of Cyclic..., 1986].
Меньше изучены возможные механизмы канцерогенного действия иных классов химических соединений, что можно объяснить большим разнообразием и сложностью повреждений, которые они вызывают в клетке. Их аддукты с основаниями ДНК могут стать причиной мутаций типа сдвига рамки считывания в результате вызываемых ими изменений конформации ДНК или посредством иных механизмов [Singer В., Grunberger D., 1983].
Однако хорошо известно, что контакт организма с безусловно канцерогенными агентами и повреждения, производимые ими в геноме, далеко не всегда приводят к возникновению злокачественных новообразований. Клетка обладает сложной системой репарации повреждений ДНК, вызываемых самыми разнообразными агентами как химической, так и физической природы, в том числе и канцерогенами [Лихачев А. Я., 1987]. Очевидно, эффективное функционирование этой системы и обеспечивает возможность сохранения нормального генотипа клетки, несмотря на постоянное воздействие канцерогенных факторов.
В последнее время интенсивно изучаются молекулярные механизмы репарации повреждений ДНК, вызываемых канцерогенными агентами разной природы.
Наиболее полно изучены механизмы репарации повреждений ДНК, вызванных НС и иными, сходными по характеру взаимодействия с ней, алкилирующими канцерогенами. Оказалось, что у млекопитающих механизмы репарации ДНК принципиально такие же, как и в бактериальных системах. В то же время клетки относительно долго живущих видов, например человека, имеют более эффективную систему репарации ДНК, чем, например, клетки соответствующих тканей мышей и крыс [Лихачев А. Я., 1987- Мопtesano R. et al., 1985].
Важным этапом репарации оснований ДНК, алкилированных у атомов азота, является их вырезание (эксцизия). Ферменты, производящие эксцизию, подразделяются на две основные группы: гликозилазы, разрезающие связь соответствующего основания с дезоксирибозой, и нуклеазы, которые разрезают цепь ДНК путем расщепления фосфодиэстеразной связи, примыкающей к поврежденному участку. После этого экзонуклеазы вырезают апуриновый (или апиримидиновый) участок. В последующем ДНК-полимеразы заполняют образующийся в цепи ДНК разрыв соответствующим дезоксинуклеотидом, комплементарным таковому в противоположной цепи. И, наконец, целостность фосфатной цепи ДНК восстанавливает полинуклеотидлигаза [Лихачев А. Я., 1987].
Репарация 06-меГ осуществляется посредством совсем иного механизма: его метальная группа переносится на цистеиновый остаток фермента О6- алкилгуанин -ДНК - алкилтрансферазы (АТ) [Лихачев А. Я., 1987], в результате чего в этом ферменте образуется S-метилцистеин.
При такой репарации в ДНК высвобождается гуанин, и ее целостность не нарушается. В отличие от многих других ферментных систем, АТ не регенерирует после переноса метильной группы [Лихачев А. Я., 1987]. Больше всего этого фермента содержится в клетках, характеризующихся наивысшей эффективностью репарации О6-меГ.
Аналогично осуществляется репарация ряда иных 06-алкилгуанинов ДНК, хотя и с меньшей эффективностью. Однако АТ не участвует в репарации других метилированных или этилированных оснований ДНК, а также О-меГ в метилированной РНК. Репарация 04-алкилтимина в ДНК осуществляется, очевидно, иным ферментом, специфичным для этого аддукта, но посредством такого же механизма. Принципиально таков же механизм репарации метальных групп фосфатной цепи ДНК [Лихачев А. Я., 1987- Мопtesano R. et al., 1985].
Из сказанного видно, что, поскольку удаление из ДНК 06-алкилгуанина и 04-алкилтимина, скорее всего и определяющих мутагенный и канцерогенный эффекты этих агентов, происходит без репарационного синтеза ДНК, то об активности такой репарации можно судить либо по увеличению содержания в ней гуанина (или, соответственно, по снижению концентрации соответствующего алкилированного основания), либо по образованию в ферменте репарации S-алкилцистеина. Следовательно, интенсивность внепланового синтеза ДНК, которую обычно оценивают по включению в нее меченого тимидина, может быть использована при воздействии алкилирующих aгентов лишь как мера репарации повреждений ДНК, не имеющих прямого отношения к процессам мутагенеза, канцерогенеза, а также их противоопухолевого эффекта.
Следует отметить, что устойчивость опухолевых клеток к цитостатическому действию хлорэтилмочевин в большой степени зависит от активности АТ: удаляя хлорэтильных группу 06-атома гуанина, этот фермент предотвращает образование сшивок и, следовательно, цитостатический эффект [The Role of Cyclic..., 1986].
Значительно меньше известно о механизмах репарации ДНК, модифицированной канцерогенами, относящимися к иным химическим классам. До сих пор не охарактеризованы ферментные системы, которые производят репарацию вызванных ими повреждений ДНК. Очевидно, что вызываемые этими агентами изменения конформации ДНК узнаются и удаляются более сложной нуклеолитической системой, чем при ее повреждении простыми алкилирующими агентами. Скорее всего, эта система аналогична той, которая инициирует удаление из ДНК пиримидиновых димеров — продуктов ультрафиолетового облучения, когда при репарации каждого из димеров удаляется несколько десятков соседних нуклеотидов. Сложность изучения репарации ДНК состоит и в том, что эти канцерогенные соединения могут превращаться во множество реактивных метаболитов, способных связываться с различными компонентами ДНК и образовывать разнообразные аддукты, которые могут быть или не быть субстратами для ферментов репарации [Singer В., Grunberger D., 1983].
Таким образом, анализ экспериментальных наблюдений свидетельствует об отчетливой корреляции между образованием и репарацией тex или иных модификаций ДНК, вызываемых химическими агентами, с одной стороны, и их мутагенными и канцерогенными потенциями — с другой, лишь в отношении монофункциональных алкилирующих соединений. Мы еще мало знаем о том, какие именно повреждения ДНК обусловливают мутацию и какие — злокачественную трансформацию клетки. Установление их природы можно отнести к одной из первостепенных задач теоретической онкологии. Это, в свою очередь, будет стимулировать изучение механизмов репарации ДНК — процесса, обеспечивающего нормальное функционирование клетки. Знание сущности этого процесса, помимо очевидного теоретического значения, может найти и практическое применение. Уже сейчас в тестах in vitro, на основании измерения эффективности репарационного синтеза ДНК или, при воздействии НС, активности АТ, осуществляется отбор групп риска среди лиц, имеющих контакт с канцерогенами. Все это, а также реальная возможность изменять эффективность репарации ДНК с помощью экзогенных воздействий [Лихачев А. Я., 1987] создают предпосылки для выработки научно обоснованных подходов к первичной профилактике злокачественных новообразований и повышению эффективности химиотерапии.
