A rák és a sejtciklus

Valóban olyan fontos a sejtciklus szabályozása? Ha megkérdeznél egy onkológust (olyan orvost, aki rákos betegeket kezel), akkor a válasz minden bizonnyal egy határozott igen lenne.

A rák alapvetően a kontrollálatlan sejtosztódás betegsége. Kialakulása és terjedése általában kapcsolódik a sejtciklus regulátorainak megváltozott működéséhez. Például a sejtciklust gátló fehérjék feladata alapvetően az, hogy megakadályozzák a sejtosztódást, ha a körülmények nem megfelelőek, tehát ezen inhibitorok alulműködése elősegítheti a rákos folyamatokat. Hasonlóképpen, a sejtosztódás pozitív regulátorai rákhoz vezethetnek túlműködés esetén. A molekulák aktivitásában bekövetkező változások jellemzően olyan mutációk következményei, amelyek a regulátorfehérjéket kódoló géneket érintik.

A következőkben megvizsgáljuk, hogy mi is a fő probléma a tumorsejtekkel. (A magyar szaknyelvben – egyéb kitétel híján – tumorsejtek alatt a rosszindulatú daganatos elváltozások sejtjeit értjük.) Látni fogjuk, hogy hogyan is vezethetnek rákhoz az abnormálisan működő sejtciklus-regulátorok.

A tumorsejtek máshogy viselkednek, mint a szervezet többi sejtje. A különbségek közül több éppen a sejtosztódáshoz kapcsolódik.

Például a tumorsejtek sejtkultúrában (a szervezeten kívül, laboratóriumi körülmények között, szövettenyészetben nevelve) képesek anélkül sokszorozódni, hogy növekedési faktorokat vagy növekedést serkentő egyéb fehérjejeleket közölnénk velük. Ez a tulajdonságuk megkülönbözteti őket a normál sejtektől, amelyek kultúrában tartva növekedési faktorokat igényelnek.

A tumorsejtek többféle stratégiát folytathatnak: például megtermelhetik a növekedési faktorokat saját maguknak, esetleg a növekedési faktorok jelátviteli útvonalai folyamatosan bekapcsolt állapotban maradhatnak, netán (a szervezeten belül) kényszeríthetik a szomszédos sejteket, hogy növekedési faktorokkal lássák el őket${}^1$‍.

A tumorsejtek továbbá figyelmen kívül hagyják az osztódás leállítására vonatkozó jeleket. Például a normál sejtek tenyészetben egy idő után abbahagyják az osztódást, ha túl sok szomszéd veszi őket körül. A tumorsejtek éppen ellenkezőleg viselkednek: folyamatos burjánzásuk eredményeképpen egymás hegyére-hátára nőnek, több sejtrétegből álló göröngyös sejtcsomókat képezve.

Kétségtelen, hogy a laboratóriumi körülmények különböznek a szervezetben fennálló környezettől. A kutatók mégis úgy gondolják, hogy az, hogy a tumorsejtek elveszítik az ún. kontakt gátlást a szövettenyészetekben, rámutat azon folyamatokra, amelyek normális esetben fenntartják a szövetek egyensúlyát az élő szervezetben. Ezek a folyamatok szenvednek csorbát a tumorok kialakulásakor${}^2$‍.

A tumorsejtek egy további jellemzője az ún. „replikatív immortalitás”, vagyis az osztódással összefüggő halhatatlanság. Ez azt jelenti, hogy a tumorsejtek sokkal többször osztódnak, mint egy normál sejt. Az emberi testi sejtek általában 40-60 alkalommal osztódnak, mielőtt elveszítik osztódóképességüket, „megöregednek”, majd elpusztulnak${}^3$‍.

A tumorsejtek ennél sokkal többször osztódnak. Ezt annak köszönhetik, hogy képessé válnak a telomeráz enzim termelésére (amely tulajdonság egyébként a sokszor osztódó őssejtekre, illetve embrionális sejtekre jellemző). A telomeráz enzim ellensúlyozza a kromoszómavégek replikációhoz (végső soron az osztódáshoz) kapcsolódó megrövidülését${}^4$‍.

A tumorsejtek több más, a sejtciklushoz közvetlenül nem kapcsolódó szempontból is különböznek a normál sejtektől. E különbségek eredményezik azt, hogy a tumorsejtek növekedni és osztódni képesek, valamint daganatokat hoznak létre. Például a tumorsejtek képesek arra, hogy a test más pontjára vándorolva ott metasztázist, azaz áttétet képezzenek. Vagy például a tumorsejtek képesek angiogenezisre, ami azt jelenti, hogy új vérerek kialakulását serkentik, amelyek oxigént és tápanyagokat szállítanak a tumorsejtek számára. A tumorsejtek továbbá elveszítik az apoptózis képességét, nem vetik alá magukat programozott sejthalálnak azokban az esetekben, amikor a normál sejtek „öngyilkosságot” követnek el (például ha végzetesen, nem kijavítható módon károsodott a DNS-ük). Emellett az újabb kutatások arra utalnak, hogy a tumorsejtek anyagcseréje olyan módon alakul át, ami lehetővé teszi számukra a gyorsabb sejtnövekedést és osztódást${}^5$‍

A sejtek számos különböző mechanizmussal rendelkeznek a sejtosztódás korlátozására, a DNS-hibák javítására, és a rákos elfajulás megelőzésére. Mindezek miatt a szakirodalmi álláspont az, hogy a rák egy többlépcsős folyamat végeredményeképpen alakul ki, amely során sokféle mechanizmusnak kell károsodnia, vagyis a sejtek csak egy kritikus ponton túl válnak tumorossá. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a rákos elfajulás folyamatában a sejtek mutációk (maradandó DNS-változások) sorozatát halmozzák fel, mire rosszindulatúvá válnak. E mutációk eredményeképpen gyorsabb osztódásra lesznek képesek, figyelmen kívül fogják hagyni az osztódásuk szabályozására vonatkozó külső és belső jeleket, valamint nem vetik alá magukat programozott sejthalálnak${}^6$‍.

De vajon hogyan halmozzák fel a sejtek a mutációkat? Nézzünk erre egy képzeletbeli példát! Adott egy sejt, amelyben valamiért inaktívvá válik a sejtciklus egyik inhibitora. Ennek következtében a sejt leszármazottai egy kicsit gyorsabb osztódásra lesznek képesek. Nem valószínű, hogy ráksejtek lennének, de arra esetleg képesek lehetnek, hogy egy jóindulatú elváltozást, benignus tumort hozzanak létre. A benignus tumor olyan sejtburjánzás, amelyben a sejtek ugyan kontroll nélkül osztódnak, de nem képesek betörni más szövetbe, vagyis nem képeznek metasztázist (áttétet)${}^7$‍.

Idővel újabb mutáció léphet fel az egyik leszármazott sejtben, amely esetleg az egyik pozitív sejtciklus regulátor aktivitását növeli. A mutáció önmagában szintén nem okoz rákot, de ennek a sejtnek a leszármazottai még gyorsabb osztódásra lesznek képesek. A gyorsabb osztódás több sejtet eredményez, ami megnöveli annak a valószínűségét, hogy lesz egy olyan sejt, amelyben kialakul egy harmadik mutáció. Előbb-utóbb létrejöhet egy olyan sejt, amely elegendő mutációt halmozott fel ahhoz, hogy már rákos sejtnek tekintsük, amely malignus tumor, rosszindulatú daganat létrehozására képes. A malignus tumor sejtei rendkívül gyorsan osztódnak, és már távolabbi szövetekbe is be tudnak törni${}^7$‍.

Ahogy a folyamat elfajul, a sejtek jellemzően egyre több mutációt halmoznak fel. Előrehaladott állapotú rákos elváltozásokban a sejtek genomja nagyban eltérhet a normál sejtek génállományától. Akár olyan nagy léptékű mutációk is előfordulhatnak, mint például teljes kromoszómák hiánya vagy duplikálódása. Vajon hogyan alakulnak ki ezek a változások? Úgy tűnik, hogy (bizonyos esetekben legalábbis) éppen a genom stabilitásáért felelős génekben alakul ki egy inaktiváló mutáció, vagyis azokban a génekben, amelyek egyébként képesek lennének megakadályozni a mutációk kialakulását vagy örökítését${}^8$‍.

Ezek a gének olyan fehérjéket kódolnak, amelynek érzékelik és kijavítják a DNS hibáit, biztosítják a kromoszómavégeket védő telomer szakaszok épségét, kivédik a DNS-hez kötődni próbáló kémiai ágensek „támadásait”, és számos további fontos feladatot látnak el, biztosítva a DNS épségét${}^9$‍. Ha az egyik ilyen gén mutálódik és elveszíti a funkcióját, a többi mutáció már gyorsan fel tud halmozódni. Tehát ha egy sejtben nem működik egy genomot stabilizáló faktor, akkor a kérdéses sejt leszármazottai sokkal hamarabb érhetik el a kritikus mennyiségű, rákhoz vezető mutációt, mint a normál sejtek.

A különböző ráktípusokban más-más mutációk fordulnak elő, és minden egyes daganat a genetikai változások egy olyan kombinációjával rendelkezik, ami csak rá jellemző. Általánosságban azonban elmondható, hogy ha a mutációk a sejtciklus-regulátorok génjeit érintik, akkor a változások nagy eséllyel vezethetnek rák kialakulásához. A regulátorok egyik típusába a pozitív regulátorok tartoznak, amelyek túlműködés esetén onkogénekké válnak, míg a másik típust a negatív regulátorok (más néven tumorszupresszorok) képviselik, amelyek inaktiválódása elrákosodáshoz vezethet.

A sejtciklus pozitív regulátorainak túlműködése gyakori a daganatokban. Például előfordulhat, hogy egy növekedési faktor receptora akkor is küldi a jeleket, ha nem kapcsolódik hozzá a növekedési faktor, de az is lehetséges, hogy egy ciklin túl nagy mennyiségben fejeződik ki. E gének túlműködő variánsait onkogéneknek, rákos elfajulást elősegítő géneknek nevezzük, míg a normál, mutációt még nem hordozó génváltozatok a protoonkogének. Ezek az elnevezések jól tükrözik azt, hogy a normál protoonkogének könnyen onkogénekké válhatnak, ha olyan mutációk jelennek meg bennük, amelyek fokozzák az aktivitásukat.

A protoonkogéneket onkogénekké változtató mutációk sokfélék lehetnek. Egyes változások eredményeképpen a fehérjék aminosav-sorrendje, és ebből következően a fehérjék alakja változik meg úgy, hogy megakadnak egy állandóan bekapcsolt állapotban. Más mutációk a jelerősítést befolyásolják azáltal, hogy például bizonyos gének duplikálása révén a fehérjék túltermelését okozzák. De az is előfordulhat, hogy a DNS-javító mechanizmusok egyikébe csúszik be egy hiba, amely során egy protoonkogén egy eredetileg távolabbi DNS-szakaszhoz kötődik, és az újonnan keletkezett, vegyes eredetű fehérje aktivitása –szabályozó híján – megnő${}^{10}$‍.

A növekedési faktorokhoz kapcsolódó jeltovábbító fehérjék közül sokat protoonkogének kódolnak. Alapesetben ezek a fehérjék a sejtciklust csak abban az esetben lendítik tovább, ha a növekedési faktorok jelen vannak. Azonban ha az egyik fehérje túlműködésbe kezd egy mutáció következtében, akkor növekedési faktorok hiányakor is továbbíthat jeleket. A fenti vázlatos ábrán egy növekedési faktor receptorról kiinduló jelpálya fontosabb szereplői láthatóak. A növekedési faktor receptorához kötődve aktivál egy Ras-fehérjét, amely egy kináz kaszkádot indít el egy Raf enzimen keresztül. A növekedési faktor receptort, a Ras-t és a Raf-ot is egy-egy protoonkogén kódol${}^{11}$‍.

E fehérjék túlműködő variánsai gyakoriak a tumorsejtekben. Például onkogén Ras-mutációk a hasnyálmirigyrákok mintegy 90%-ában fordulnak elő. A Ras fehérjecsalád tagjai G-proteinek. Ez azt jelenti, hogy inaktív állapotban GDP-hez kötődnek, aktív állapotban pedig GTP-hez. (A GDP és a GTP mérete hasonló, a két molekula egyetlen foszfátcsoportban különbözik egymástól.) A Ras életében az aktív és az inaktív (nyugalmi) állapot folyamatosan váltja egymást az aktuális szükségletek függvényében. A rákot okozó mutációk következtében gyakran megváltozik a Ras szerkezete úgy, hogy többet nem képes visszatérni az inaktív állapotba, vagy ha vissza is tér, az nagyon lassan történik, így a fehérje a szokásosnál több időt tölt bekapcsolt állapotban (lásd a fenti ábrát is)${}^{12}$‍.

A sejtciklus negatív regulátorai általában kevésbé aktívak (vagy egyenesen működésképtelenek) a tumorsejtekben. A példa kedvéért képzeljünk el egy fehérjét, ami alapesetben nem engedi tovább a sejtciklust, ha károsodott a DNS. Elképzelhető, hogy ez a fehérje nem lesz képes érzékelni a DNS-hibákat, vagy beindítani egy válaszreakciót. Azokat a géneket, amelyek normál körülmények között képesek a sejtciklus leállítására, tumorszupresszoroknak nevezzük. A tumorszupresszorok normál működése megakadályozza a rákos elfajulásokat, illetve a tumorok akkor tudnak csak kialakulni, ha a tumorszupresszorok működése nem megfelelő.

Az egyik legfontosabb tumorszupresszor a p53-fehérje, amely kulcsszerepet játszik a DNS-károsodásra adott sejtválaszban. A p53 elsősorban a G${}_1$‍ ellenőrzési pont folyamataiban vesz részt, kontrollálva a G${}_1$‍/S-fázis átmenetet. Ha károsodott DNS van jelen, vagy a körülmények nem megfelelőek, akkor leállítja a sejtciklust${}^{13}$‍.

A DNS károsodása esetén egy érzékelő fehérje aktiválja p53-at, amely leállítja a sejtciklust a G${}_1$‍ ellenőrzési ponton, méghozzá úgy, hogy serkenti egy sejtciklus-inhibitor termelődését. Ez a leállás időt hagy a DNS-javító mechanizmusoknak, amelyek szintén a p53-tól függenek, mivel ez a fehérje serkenti a DNS-javító enzimeket is. Ha a hibát sikerül kijavítani, akkor a p53 engedi a sejtciklus folytatását. Ha azonban a javítás nem sikerül, akkor a p53 eljátssza harmadik és végső szerepét: beindítja az apoptózist (a programozott sejthalált), megelőzve a hibás DNS öröklődését.

A tumorsejtekben a p53 gyakran hiányzik, működésképtelen, vagy a szokásosnál kevésbé aktív. Például számos tumorfajtában olyan mutáns p53 található, amely nem tud kötődni a DNS-hez. Mivel a p53 működésének lényege, hogy célgénekhez kötődik és serkenti a transzkripciójukat, ezért a kötődésre képtelen mutáns egyben működésképtelen is${}^{14}$‍.

Hibás p53 esetén azok a sejtek is el tudnak jutni az osztódásig, amelyekben károsodott a DNS, az utódsejtek pedig nagy valószínűséggel öröklik a kiindulási sejt hibás genomját. Néhány generáció alatt a p53-hibás sejtek hajlamosak olyan mutációk felhalmozására, amelyek közül néhány képes lehet a protoonkogének onkogénekké alakítására, vagy további tumorszupresszorok gátlására.

A p53 a leggyakrabban mutálódott gén az emberi tumorokban, illetve azok a tumorsejtek, amelyekben ép a p53 génje, jellemzően más módszerekkel gátolják a p53 működését (például a p53-at bontó fehérjék fokozott aktivitásán keresztül)${}^{14,15}$‍.

A rák néhány típusa kapcsolatba hozható egyes vírusokkal. Például a humán papilloma vírus fertőzés bizonyos vírustörzsek esetében méhnyakrákhoz vezethet. A vírus egy E6-nak nevezett fehérjét kódol, amely a p53-hoz kötődik. A következő állítások közül melyik magyarázza meg, hogy miért tud a humán papilloma vírus rákot okozni?