CC BY
54057.023:57.052.6:575.224.22:577.218
Е.П. Михаленко, А.Н. Щаюк, А.В. Кильчевский
СИГНАЛЬНЫЕ ПУТИ: МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ ПРОЛИФЕРАЦИИ И ВЫЖИВАЕМОСТИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
(Обзорная статья)
Институт генетики и цитологии НАН Беларуси Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 e-mail: [email protected]
В обзоре представлены данные современной литературы об основных структурных компонентах внутриклеточных сигнальных путей: ауто/паракринных факторах роста, их тирозинкиназных рецепторах и нижележащих сигнальных белках. Подробно описаны основные клеточные сигнальные пути (PI3K/Akt/mTOR и RAS/RAF/MAPK) и молекулярно-генетические нарушения ключевых компонентов этих путей, приводящие к развитию онкологических заболеваний. Анализ литературы показал, что один из главных механизмов канцерогенеза — постоянная активации сигнального пути, которая обеспечивается различными молекулярными механизмами: мутациями и амплификацией генов, повышенной активностью транскрипции основных компонентов сигнального каскада.
Ключевые слова: PI3K/Akt/mTOR сигнальный путь, RAS/RAF/MAPK сигнальный путь, опухолевые клетки, факторы роста, мутации.
Введение
Возникновение злокачественной опухоли — многостадийный процесс. Сначала происходит первичный контакт канцерогенного или другого повреждающего агента с эпителием, его активация и взаимодействие с ДНК эпителиальной клетки, что приводит к изменению ее генома и фенотипа — образуется модифицированная клетка с новыми свойствами, которая может дать начало опухолевому клону. Для возникновения и развития онкопатологи-ческих процессов у человека, необходимо возникновение более 5-9 мутаций [1-4].
Дальнейшее развитие и прогрессирование злокачественной опухоли происходит в виде ее экспоненциального роста и метастазирова-ния, которое можно описать как опухолевая прогрессия. Активные исследования механизмов злокачественной трансформации и прогрессии привели к идентификации ряда сигнальных путей, ответственных за регуляцию пролиферации и выживаемости опухолевых клеток.
Детальное понимание регуляции многоступенчатого процесса формирования злокачественной опухоли поможет разработать эффективные подходы к лекарственной терапии.
1. Факторы роста и их рецепторы как инициаторы сигнальных путей
1.1. Молекулярные механизмы передачи митогенного сигнала
В конце 70-х годов XX века M.B. Sporn и G.J. Todaro определили, что в патогенезе и прогрессии многих злокачественных опухолей важную роль играют механизмы пара-кринной и аутокринной регуляции клеточного деления [5]. Паракринная регуляция заключается в том, что секретируемые клетками активные вещества распространяются за счет диффузии и действуют на соседние клетки-мишени. Так функционируют, например, митогенные стимуляторы (полипептидные ростовые факторы) — эпидермальный фактор роста (EGF), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), трансформирующий фактор роста (TGF) и др. [6]. При аутокринной регуляции одна и та же клетка является источником ростового фактора и его мишенью. В результате может возникать непрекращающаяся, самоподдерживающаяся митогенная активация клетки, приводящая к нерегулируемому размножению. Клетка не нуждается во внешних митогенных стимулах и становится полностью автономной.
Перенос митогенного сигнала от периферии клетки к ее ядру осуществляется в виде каскада реакций фосфорилирования посредством протеинкиназ — ферментов, фосфорилирую-щих белки. Существует три типа протеинкиназ (тирозиновые, сериновые и треониновые), разделенных по их способности фосфорилиро-вать определенные аминокислоты [6, 7]. Фосфатные группы играют роль молекулярных переключателей: меняя конформацию определенных доменов, они могут «включать» или «выключать» их активность (ферментативная активность, ДНК-связывающая способность и способность образовывать белок-белковые комплексы). Митогенный сигнал в клетке заключается в передаче фосфатной группы от одной протеинкиназы к другой. В конечном итоге она достигает ядерных регуляторных белков, активирует их посредством фосфо-рилирования и индуцирует транскрипцию генов, регулирующих процессы роста в нормальных и опухолевых клетках. Активность протеинкиназ практически на любом этапе переноса митогенного сигнала уравновешивается активностью противодействующих им ферментов — дефосфорилирующих белки фосфатаз. Баланс позитивных и негативных эффектов — фундаментальное свойство регуляции клеточного деления, проявляемое на любом его уровне [6].
Опухолевый рост является следствием нарушения тканевого гомеостаза, поддерживаемого балансом клеточной пролиферации и апоптоза. Нормальные клетки, в отличие от опухолевых, ограничены целым рядом барьеров и могут пролиферировать только при наличии определенных условий, включая наличие факторов роста и отсутствия «антиростовых» сигналов. Факторы роста чаще всего представлены небольшими белками или стероидными гормонами, поступающими из внеклеточного пространства и распознаваемыми специфическими рецепторами. Чувствительность клетки к определенным факторам роста определяется наличием соответствующих рецепторов на мембране клетки или внутри нее. Мембранные рецепторы, как правило, относятся к классу рецепторных тирозинкиназ (РТК) и связывание ими лиганда ведет к фос-форилированию определенных участков на самих молекулах либо на других белках [3-7].
1.2. Рецептор эпидермального фактора роста
Одним из основных трансмембранных тиро-зинкиназных рецепторов, регулирующих процессы клеточного роста и дифференцировки, является рецептор эпидермального фактора роста (EGFR). Экспрессия гена EGFR физиологически необходима как для нормальных, так и трансформированных эпителиальных клеток [8]. Этот рецептор относится к семейству ErbB белков, которое включает тирозин-киназные рецепторы: ErbB2 (HER2/c-neu), ErbB3 (HER3) and ErbB4 (HER4). Зрелый белок EGFR с молекулярной массой 170 kDa имеет типичное для РТК строение: экстра-целлюлярный домен, разделенный на четыре поддомена (I, II, III, IV), которые связывают лиганд, трансмембранный домен и внутриклеточный участок, состоящий из тирозинкиназ-ного домена и С-концевого домена [9].
Кроме основного лиганда — эпидермального фактора роста (EGF) — лигандами для EGFR могут быть: трансформирующий фактор роста альфа, амфирегулин, бетацеллюлин, эпирегу-лин, гепарин-связывающий EGF-подобный фактор роста. Все лиганды EGFR имеют между собой примерно 40% гомологию по первичной структуре и сходны по пространственному строению благодаря наличию консервативных последовательностей. Связывание лиганда с EGFR приводит к его гомо- или гетеродиме-ризации с перекрестным фосфорилированием специфических остатков тирозина в тирозин-киназном домене. Далее сигнал передается на 2 основных внутриклеточных сигнальных каскада, ответственных за пролиферацию и выживаемость клеток — RAS/RAF/MAPK and PI3K/Akt/mTOR сигнальные пути [10, 11]. Нормальное функционирование рецептора EGFR включает в себя точное сочетание взаимосвязанных компонентов: фактор роста, рецептор и последующие участники сигнального пути. Мутации в гене EGFR приводят к тому, что рецептор активируется, не взаимодействуя с фактором роста, автономно передавая сигнал фосфорилирования на внутриклеточные сигнальные каскады.
Ген EGFR расположен на 7 хромосоме в области 7p11.2, имеет длину 237599 п. о. и содержит 28 экзонов (рис. 1): 5-7 и 13-16 экзо-ны гена EGFR кодируют лиганд-связывающие
Ligaod Liga ad Tyrosine Kinase Autopbosphorylation
Binding Bilifting TM Domain Domain
T7S3A LS61Q
Mutations associated with sensitivity to TKI
Рис. 1. Структура гена EGFR [13]
домены рецептора EGFR, 17-й экзон — ответственен за образование трансмемсбранного домена. Клиническое значение имеют 18-24 экзоны, так они кодируют тирозинкиназный домен рецептора [12, 13]. Наиболее часто встречаются мутации в экзонах, кодирующих тирозинкиназный домен рецептора: микроде-леции в 19-м экзоне (44%) и мутация в 21-м эк-зоне, приводящая к замене лейцина на аргинин в 858 положении (41%) [14]. Данные мутации ассоциированы с такими онкологическими заболеваниями, как рак легкого [9, 11, 14], рак прямой кишки [15], глиобластома [16].
Соматические мутации гена EGFR являются молекулярным маркером чувствительности опухоли к лечению таргетными препаратами, направленными на ингибирование тирозинки-наз. С одной стороны, наличие таких мутаций может являться одним из ключевых механизмов опухолевой прогрессии, так как приводит к избыточной активности мутантного рецептора после его связывания с лигандом, а с другой — может способствовать эффективному и более длительному связыванию лекарственных препаратов. Поэтому в данном случае такие тирозинкиназные ингибиторы, как гефитиниб и эрлотиниб, в большей степени блокируют активность мутантного рецептора, чем немутированного EGFR. Их эффект направлен на инактивацию рецептора с целью блокирования механизмов передачи ростового сигнала в опухоли, подавления пролиферации, дифференцировки и ангиогенеза [16, 17]. Следовательно, выявление пациентов с такими мутациями позволит корректировать
эффективность лечения у конкретного пациента и максимально индивидуализировать терапевтический подход к лечению.
2. Основные сигнальные пути опухолевых клеток
Выживаемость опухолевой клетки обеспечивается активацией нескольких альтернативных сигнальных механизмов. При этом активация компонентов различных сигнальных путей приводит к развитию опухолей различной локализации.
Некоторые сигнальные пути опухолевых клеток представлены в табл. 1.
Внутриклеточные сигнальные каскады PI3K/ Akt/mTOR и RAS/RAF/MAPK относятся к основным путям, задействованным в регуляции пролиферации, роста, дифференцировки, выживаемости, апоптоза клеток и активации ан-гиогенеза.
Активация этих сигнальных путей может осуществляться несколькими механизмами:
1) через факторы роста EGF, VEGF и TGFpi при присоединении их к рецепторам EGFR, VEGFR и TGFR;
2) за счет активации рецептора при его мо-лекулярно-генетических нарушениях без присоединения к нему фактора роста;
3) при молекулярно-генетических изменениях и, как следствие, гиперактивации первых компонентов данных сигнальных путей (RAS и PI3K), в результате чего нет необходимости принимать активирующий сигнал от рецепторов, так как сигнальный путь находится в постоянно активном состоянии [6, 7].
Таблица 1
Внутриклеточные сигнальные пути опухолевых клеток
Сигнальный путь Онкопротеин Белки опухолевой супрессии Влияние сигнального пути Опухоли, возникающие при дефектах пути
RAS/RAF/MAPK KRas, B-Raf Нейрофибромин Пролиферация, дифференцировка Солидные опухоли
PI3K/Akt/mTOR PI3K, АКТ Гамартин, туберин, PTEN, FOXO Пролиферация, сдерживание апоптоза Солидные опухоли
WNT Wnt, ß-катенин АРС, аксин Пролиферация, дифференцировка, регуляция стволовых клеток Рак прямой кишки
P53/Rb Mdm2 Rb, р53, ATM Пролиферация, апоптоз, геномная стабильность Солидные опухоли
TGF-ß/SMAD SMAD6, SMAD7 TGFR, SMAD2, SMAD4, Пролиферация Лейкемия
JAK/STAT STAT3, STAT5 STAT1, SOCS1 Пролиферация Лейкемия
Hedgehog SMO,SHH SUFU, Ptch Пролиферация, дифференцировка Базалиома, рак бронхов, медуллобластома
Notch Notch 1 Пролиферация, дифференцировка Рак молочной железы, лимфома, Т-клеточная лейкемия, рак поджелудочной железы
NF/kB C-Rel CYLD Пролиферация, апоптоз Лимфома
Кроме того, оба сигнальных каскада могут взаимодействовать друг с другом через общие компоненты по принципу положительных и отрицательных обратных связей. В клетке формируется сеть, в которой RAS/RAF/MAPK и PI3K/AKT/mTOR каскады могут сообщаться через промежуточные звенья (рис 2).
2.1. RAS/RAF/MAPK сигнальный путь
RAS/RAF/MAPK-киназный сигнальный путь представляет собой цепь последовательно взаимодействующих белков, которые передают сигнал от рецептора с поверхности клетки внутрь ядра. В результате передачи сигнала контролируется транскрипция генов, метаболизм, пролиферация и подвижность, апоптоз клеток и ангиогенез.
Ключевым компонентом МАР-киназного сигнального пути является белок KRas. У человека семейство Ras-белков включает три белка: KRas, NRas и HRas. Фиксированные на внутренней стороне клеточной мембраны,
белки Ras являются первыми членами каскада киназ, который приводит к активации сигнальных путей и транскрипции генов, регулирующих дифференцировку и пролиферацию клеток (рис.2) [18]. Ras представляет собой малую гуанозинтрифосфатазу (ГТФазу), которая присутствует во всех клетках организма. Белок состоит из 6 Р-цепей и 5 a-спиралей, имеет G-домен, содержащий 166 аминокислотных остатков и непосредственно участвующий в связывании ГТФ и ГДФ. Ras-белки могут существовать в двух формах: неактивной и активной. Ras-белок действует как «молекулярный переключатель» сигнального каскада, переходя из активной формы в неактивную путем гидролиза ГТФ.
В нормальных клетках большинство молекул Ras находятся в неактивном ГТФ-связанном состоянии, они кратковременно активируются в ответ на внеклеточный сигнал факторов роста. Активация Ras регулируется рецептор-ной тирозинкиназой EGFR. После связывания
Сигнальный каскад PI3 К/АКТ
ОЛиганд
Белья, уепйршищий ГидрОЛкз И ФМГО0 оьыстт
Сигнальный
S> каскад RAS /
ТранСДунции
Выживаемость Ангиогенеза ^еткм
— Сигнальий каскад RAS/ШЯК
— — — RAS опосредованный кзс*ад
чюоооооосх
Выживаемость ■Пролиферация Ангиогенм Миграция
Рис.2. Структура и схема взаимодействия тирозинкиназных каскадов RAS/RAF/MAPK и PI3K/Akt/mTOR
рецепторной внеклеточной части тирозинки-назы с фактором роста и ее димеризации происходит перекрестное фосфорилирование ее внутриклеточных тирозинкиназных доменов. Фосфорилирование приводит к образованию активной конформации киназы и формируется комплекс Ras-ГТФ. После гидролитического превращения ГТФ в ГДФ Ras снова инакти-вируется — сигнал прерывается. В процессе гидролиза участвуют остатки аминокислот в 12, 13 и 61 положении белка Ras.
Ген KRAS расположен на 12 хромосоме в области 12p 12.1 -p11.1, имеет общую протяженность 38 kb и состоит из 4 экзонов. В большинстве случаев мутации в гене KRAS яв -ляются миссенс-мутациями, вносящими аминокислотную замену в положении 10, 12, 13, или 61. Если в гене KRAS происходят мутации, которые приводят к аминокислотной замене, то скорость гидролиза ГТФ снижается. В результате происходит конститутивная активация KRAS-зависимых сигнальных путей. В отличие от нормальных клеток, мутации возникают во многих опухолевых клетках, и RAS-зависимый сигнальный каскад остается активным на протяжении длительного времени [18, 19].
Большинство всех молекулярно-генетиче-ских нарушений представлены точечными заменами одного нуклеотида в последовательности второго экзона гена KRAS, которая кодирует 12 и 13 аминокислоты. В норме в обеих позициях располагается глицин — единственная аминокислота, которая не содержит боковую цепь. Любое изменение этой последовательности приводит к замене глицина на разветвленные аминокислоты, что вызывает нарушение пространственной структуры белка. В результате этого блокируется способность специальных ферментов инактивировать комплекс Ras с ГТФ путем гидролиза энергетической молекулы. Сигнал начинает поступать от активированного Ras к низлежащим компонентам каскада независимо от статуса EGFR [19].
Наиболее часто мутации гена KRAS выявляются при раке поджелудочной железы (52-75%) и колоректальном раке (31-37%) [20, 21]. При раке легкого мутации в гене KRAS, в отличие от мутаций в гене EGFR, чаще встречаются у курильщиков. Ассоциированные с опухолью KRAS мутации встречаются приблизительно у 15-25% пациентов с аденокарциномой легкого и являются редко-
стью для пациентов с плоскоклеточным раком легкого [22, 23]. Имеются данные, что мутации в гене KRAS ассоциированы со снижением выживаемости пациентов с онкопатологиями, а также неэффективностью терапии тирозин-киназными ингибиторами [24, 25]. Распределение частоты встречаемости мутаций гена KRAS также отличается в разных популяцион-ных группах и зависит от этнических характеристик: чаще встречаются у европеоидов, чем у азиатов [26, 27].
К запуску классического RAS/RAF/MAPK пути приводит также активация серин-/трео-нинкиназы BRAF. Решающим моментом для активации BRAF является не связывание на Ras-ГТФ, а перемещение на внутреннюю поверхность плазматической мембраны. Соматические активирующие мутации гена BRAF часто встречаются при меланоме кожи, опухолях щитовидной железы, раке яичников, раке толстой и прямой кишки. Наиболее частой активирующей мутацией гена BRAF является точечная нуклеотидная замена c.1799T>A, которая соответствует мутации V600E в белке BRAF. При меланоме кожи мутация V600E составляет 80-90% мутаций гена BRAF [28].
В ряде работ показано, что для некоторых клеточных процессов, приводящих к трансформации клеток, важна Ras-зависимая активация PI3K/Akt/mTOR сигнального каскада [29].
2.2. PI3K/Akt/mTOR-сигнальный путь
Сигнальный путь PI3K/Akt/mTOR — это внутриклеточный киназый каскад, центральными компонентами которого являются фос-фоинозитол-3-киназа (PI3K), киназы Akt и mTOR. Данный сигнальный каскад вместе с RAS/RAF/MAPK относится к основным путям, задействованным в регуляции пролиферации, роста, дифференцировки, выживаемости, апоптоза клеток и активации ан-гиогенеза. Этот путь обеспечивает в клетках быструю подготовку аппарата синтеза белка в ответ на пролиферативный стимул [30]. Активность PI3K/Akt/mTOR в нормальных тканях невысокая. Активация этого сигнального пути отмечается во многих злокачественных опухолях, характеризующиеся агрессивным течением и устойчивостью к химио- и лучевой терапии и неблагоприятным прогнозом течения заболевания [31, 32].
2.2.1. Характеристика фосфатидилино-зитол-3-киназы (PI3K). Фосфоинозитид-3-киназы, или фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3Ks) - семейство ферментов, фосфорилиру-ющих 3-гидроксильную группу инозитольного кольца фосфатидилинозитола. PI3Ks принимают сигнал фосфорилирования от тирозин-киназных рецепторов и передают его далее на первичную эффекторную молекулу сигнального каскада PI3K — протеинкиназу B (Akt).
Существует три класса PI3K, каждый с определенной субстратной специфичностью: I, II и III [33-35]. У млекопитающих класс I PI3K является наиболее изученным и определяется во всех типах клеток. Первый класс разделяется на подклассы IA и IB в зависимости от типа рецепторов, которыми они активируются. Члены этих подклассов имеют различные регуляторные субъединицы и изоформы. Фосфатидилинозитол-3-киназы подкласса IA активируются тирозинкиназными рецепторами факторов роста. PI3K IA представляет собой гетеродимерный белок с регуляторной субъединицей 85 кДа и каталитической субъединицей 110 кДа [36, 37]. На сегодняшний день доказано, что PI3Ks подкласса IA наиболее широко вовлечены в патогенез онкологических заболеваний [30, 36, 38]. PB-киназы подкласса IB активируются рецепторами, связанными с G-белком. Роль их в онкогенезе пока неизвестна [39].
2.2.2. Механизм регуляции PI3K-Akt-mTOR каскада. Активация PI3K/AKT/mTOR происходит непосредственно тогда, когда факторы роста EGF и VEGF связываются со своими тирозинкиназными рецепторами EGFR и VEGFR или путем передачи сигнала от активированного Ras-белка (рис. 3). Это приводит к присоединению PI3K IA к цитоплазматиче-ской мембране, где данная киназа преобразует фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) в фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PIP3). PIP3 играет роль вторичного мессенджера и связывается с протеинкиназой B (Akt). Akt фосфорилируется фосфоинозитид-зависимой киназой 1 (PDK1) в каталитическом домене по остатку триптофана в 308 положении и комплексом mTORC2 в С-домене по остатку серина в 473 положении. В результате данных процессов происходит полная активация Akt. Akt фосфорилирует и инактивирует
комплекс TSC2-TSC1, что приводит к накоплению в клетке белка ЯНЕВ. Данный белок является гомологом Ras-белков и обладает ГТФ-азной активностью. Путем гидролиза ГТФ белок ЯНЕВ активирует передачу сигнала через тТОЯ — серин/треонин киназу, активирующую факторы транскрипии, что приводит к контролю клеточного роста и деления [30, 33, 40-44].
Ключевым компонентом процесса деактивации РВК/АКТ/тТОЯ является опухолевый супрессор РТЕ^ который функционирует, как фосфатаза с двойной субстратной специфичностью [45, 46]. PTEN преимущественно дефосфорилирует фосфоинозитидные субстраты, снижает внутриклеточный уровень Р1Р3 — отщепляет фосфат от Р1Р3, превращая его в Р1Р2 (рис. 3). В нормальных клетках
уровень Р1Р3 очень низок, он увеличивается при усилении активности ростовых факторов. Инактивация PTEN приводит к повышению уровня Р1Р3, что имитирует стимуляцию ростовыми факторами. Р1Р3 индуцирует продвижение клетки по клеточному циклу, усиливает выживаемость и увеличивает размер клетки. Гиперэкспрессия гена PTEN приводит к аресту клеточного цикла, индукции апоптоза и маленькому размеру клеток. PTEN подвергается пост-трансляционным модификациям, которые изменяют уровень фосфатазной активности, влияют на встраивание PTEN в молекулярные комплексы, на локализацию в клетке и на стабильность белка [36, 47, 48]. Эти модификации имеют значение при патогенезе рака: полная генетическая инактивация PTEN наблюдается при глиобластоме, карциноме эн-
рост и деление клетки
Рис.3. Механизм регуляции РБК-АМ-тТОЯ каскада [30]
дометрия, раке простаты [49-52], а неполная инактивация PTEN отмечается при раке легких, раке молочной железы [53-56].
Активность PI3K/Akt/mTOR тонко регулируется в нормальных тканях, но данный каскад может быть постоянно активен в более чем 50% раковых опухолей. Среди белков, мутации или изменение активности которых приводят к активации PI3K/Akt/mTOR-сигнального пути, основное место принадлежит PI3K и PTEN [57-59].
Соматические мутации в гене PIK3CA, кодирующем каталитическую субъединицу p110a PI3K, играют значительную роль в патогенезе и прогрессии опухолей.
Ген PIK3CA расположен на 3 хромосоме в области 3q26.32 и содержит 23 экзона. Несинонимичные однонуклеотидные замены составляют 98% соматических мутаций, найденных в этом гене. Более 90% всех мутаций встречаются в 9 и 20 экзонах: p.E542K (c.1624G>A), p.E545K (c.1633G>A), p.H1047R (c.3140A>G) и p.H1047L (c.3140A>T) [28]. Показано, что эти мутации являются онко-генными, поскольку повышают киназную активность PIK3 и ведут к активации нижележащей киназы Akt [60-62]. Данные мутации часто встречаются при раке молочной железы (8,3-40%), колоректальном раке (18,8-32%), раке эндометрия, мочевого пузыря, желудка [63-70] и раке легкого, хотя роль мутаций в этом случае остается не до конца ясной, так как только некоторые исследования показывают ассоциацию мутаций гена PIK3CA с развитием опухолей легкого [29, 71-73].
Антагонист PI3K белок PTEN кодируется геном PTEN. Ген PTEN располагается на 10 хромосоме в области 10q23.31, содержит 9 экзонов и переменный экзон 5b, который не включается в основной транскрипт PTEN [74]. Наиболее часто мутации происходят в 5-8 эк-зонах гена, то есть в области, кодирующей каталитический или С2-домен фосфатазы, что значительно снижает или инактивиру-ет каталитическую способность фермента [75, 76]. Обнаружены несинонимичные замены (c.375A>T, c.388C>T, c.493G>T, c.540C>G, c.686C>G) и мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания (a944_945insCT) [76-80].
Мутации гена PTEN выявлены при многих онкологических заболеваниях [36, 47, 49-
55, 81], но высокая частота встречаемости их характерна для эндометриальной карциномы (30-50%) [50, 51] и различных форм глиобла-стомы (15-30%) [49, 82]. В отличие от этих опухолей, мутации гена PTEN при раке легкого происходят реже [83, 84]. Некоторыми исследователями показано, что частота мутаций гена PTEN (10,2%) у пациентов с плоскоклеточным раком легкого сопоставима с частотой мутаций гена KRAS (9,4%) у пациентов с аде-нокарциномой, причем мутации PTEN обнаружены только у курильщиков [83, 85].
Возникновение мутаций в генах PI3K и PTEN является ключевым механизмом в активации сигнального пути PI3K/Akt/mTOR и, как следствие, влияет на развитие опухолей.
Заключение
Описанные сигнальные пути представляют собой сложные каскады активирующих молекул и их функционирование, которое начинается с распознавания факторов роста соответствующими рецепторами и заканчивается запуском экспрессии генов, отвечающих за пролиферацию клетки. Опухолевая клетка нуждается в постоянной активации сигнального пути.
Это может обеспечиваться различными молекулярными механизмами: мутациями и амплификацией генов, повышенной активностью транскрипции. Повреждение гена и, как следствие, структурный дефект сигнальных белков, способный зафиксировать его в постоянно активном состоянии — один из главных механизмов канцерогенеза. Автономная стимуляция внутриклеточных сигнальных путей приводит не только к усилению пролиферации клеток, но также регулирует такие функции, как выживание, дифференциация, рост и подвижность клетки [4]. С учетом системного характера онкопатологии и возможности активации нескольких альтернативных сигнальных путей необходимо использовать комплексный подход для разработки более специфичных и чувствительных молекулярных маркеров, которые могут быть использованы для прогноза течения онкологических заболеваний.
Список использованных источников
1. Croce, C.M. Oncogenes and cancer / C.M. Croce // New Engl J Med. — 2008. — Vol. 358, № 5. — P. 502-511.
2. Копнин, Б.П. Основные свойства неопластической клетки и базовые механизмы их возникновения / Б.П. Копнин // Практическая онкология. — 2002. — Т. 3, № 4. — С. 229-235.
3. Лихтенштейн, А.В. Генетические дефекты как маркеры опухолевого роста / А.В. Лихтенштейн, Г.И. Потапова // Молекулярная биология. — 2003. — Т. 7, № 2. — С. 181-193.
4. Hanahan, D. Hallmarks of Cancer: The Next Generation / D.Hanahan, R.A.Weinberg // Cell. — 2011. — Vol. 144. — P. 646-674.
5. Sporn, M. Autocrine growth factors and cancer / M.B. Sporn, G.J. Todaro // Nature. — 1985. — Vol. 313, № 6005. — P.745-747.
6. Stout, T.J. High-throughput structural biology in drug discovery: protein kinases / T.J. Stout, P.G. Foster, D.J. Matthews // Curr Pharm Des. — 2004. —Vol. 10, № 10. — P. 1069-1082.
7. Capra, M. Frequent Alterations in the Expression of Serine/Threonine Kinases in Human Cancers / M. Capra // Cancer Res. — 2006. — Vol. 66, № 16. — P. 8147- 8154.
8. Epidermal growth factor receptor pathway mutation and expression profiles in cervical squamous cell carcinoma: therapeutic implications / S. Bumrungthai [et al.] // J Transl Med. — 2015. — Vol. 13, № 244.
9. Targeting the Epidermal Growth Factor Receptor in Solid Tumor Malignancies / K.Mette [et al.] // Biodrugs. — 2012. — Vol. 26, № 2. — P. 83-99.
10. Имянитов, Е.Н. Стандартные и потенциальные предиктивные маркеры при опухолях желудочно-кишечного тракта / Практическая Онкология, Т. 13, № 4 — 2012. — C. 219-228.
11. Majem, M., Pallares, C. An update on mo-lecularly targeted therapies in second-and third-line treatment in non-small cell lung cancer: focus on EGFR inhibitors and anti-angiogenic agents // Clin Transl Oncol. — 2013. — Vol. 15, № 5. — P. 343-357.
12. Epidermal growth factor receptor mutations in lung cancer / S.V. Sharma [et al.] // Nat. Rev. Cancer. — 2007. — Vol. 7, № 3. — P. 169-181.
13. Kondo, I. Mapping of the human gene for epidermal growth factor receptor (EGFR) on the p13-q22 region of chromosome 7 / I. Kondo, N. Shimizu // Cytogenet. Cell Genet. — 1983. — Vol. 35, № 1. — P. 9-14.
14. Somatic mutations of epidermal growth factor receptor signaling pathway in lung cancers / H. Shigematsu [et al.] // Int. J. Cancer. — 2006. — Vol. 118. — P. 257-262.
15. Mármol, I. Colorectal Carcinoma: A General Overview and Future Perspectives in Colorectal Cancer / I. Mármol [et al.] // Int J Mol Sci. — 2017. — Vol. 18, № 1.
16. Glioblastoma: pathology, molecular mechanisms and markers / K. Aldape [et al.] // Acta Neuropathol. — 2015. — Vol. 129, № 6. — P. 829-848.
17. Tjulandin, S. Epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitors in patients with non-small cell lung cancer: ten years later / S. Tjulandin, D. Nosov // Malign. Tumours. — 2011. — Vol. 1, № 2. — P. 41-48.
18. Roberts, P.J. Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for the treatment of cancer / P.J. Roberts, C.J. Der // Oncogene. — 2007. — Vol. 26. — P. 3291-3310.
19. Roberts, P.J. KRAS mutation: should we test for it, and does it matter? / P.J. Roberts, T.E. Stinchcombe // J. Clin. Oncol. — 2013. — Vol. 31, № 8. — P. 1112-1121.
20. Impact of KRAS Mutations on Clinical Outcomes in Pancreatic Cancer Patients Treated with First-line Gemcitabine-Based Chemotherapy / S T. Kim [et al.] // Mol Cancer Ther. — 2011. — Vol. 10, № 10. — P.1993-1999.
21. KRAS-mutation status in relation to colorectal cancer survival: the joint impact of correlated tumour markers / A.I. Phipps [et al.] // British Journal of Cancer. — 2013. — Vol. 108, № 8. — P.1757-1764.
22. BRAF and RAS Mutations in Human Lung Cancer and Melanoma / M.S. Brose [et al.] // Cancer Res Dec. — 2002. — Vol. 62, № 23. — P. 6997-7000.
23. Molecular Epidemiology of EGFR and KRAS Mutations in 3,026 Lung Adenocarcinomas: Higher Susceptibility of Women to Smok-ing-Related KRAS-Mutant Cancers / S.Dogan [et al.] // Clin Cancer Res Nov. — 2012. — Vol. 18, № 22. — P. 6169-6177.
24. Naidoo, J. KRAS-Mutant Lung Cancers in the Era of Targeted Therapy / J. Naidoo, A. Drilon // Adv Exp Med Biol. — 2016. — Vol. 893. — P. 155-178.
25. Lech, G. The role of tumor markers and biomarkers in colorectal cancer / G. Lech,
R. Slotwinski, I.W. Krasnodebski // Neoplasma. — 2014. — Vol. 61, № 1. — P. 1-8.
26. The status of KRAS mutations in patients with non-small cell lung cancers from mainland China / M. Li [et al.] // Oncology Reports. — 2009. — Vol. 22. — P. 1013-1020.
27. Frequency and Distinctive Spectrum of KRAS Mutations in Never Smokers with Lung Adenocarcinoma / G.J. Riely [et al.] // Clinical cancer research: an official journal of the American Association for Cancer Research. — 2008. — Vol. 14, № 18. — P. 5731-5734.
28. COSMIC database [Electronic resource], 2019. — Mode of access: http://cancer.sanger. ac.uk/cosmic. — Date of access: 24.04.2019.
29. Oxnard, G. R. New targetable oncogenes in non-small-cell lung cancer / G.R. Oxnard, A. Binder, P.A. Janne // J. Clin. Oncol. — 2013. — Vol. 31, № 8. — P. 1097-1104.
30. Yu, J.S. Proliferation, survival and metabolism: the role of PI3K/AKT/mTOR signalling in pluripotency and cell fate determination / J.S. Yu, W. Cui // Development. — 2016. — Vol. 143, № 17. — P. 3050-3060.
31. Sarris, E.G. The Biological Role of PI3K Pathway in Lung Cancer / E.G. Sarris, M.W. Saif, K.N. Syrigos // Pharmaceuticals (Basel). — 2012. — Vol. 5, № 11. — P. 1236-1264.
32. Alayev, A. mTOR signaling for biological control and cancer / A. Alayev, M.K. Holz // J. Cell Physiol. — 2013. — Vol. 228. — P. 1658-1664.
33. Thorpe, L.M. PI3K in cancer: divergent roles of isoforms, modes of activation and therapeutic targeting / L.M. Thorpe, H. Yuzugullu, J.J. Zhao // Nat Rev Cancer. — 2015. — Vol. 15, № 1. — P. 7-24.
34. Targeted therapy for hepatocellular carcinoma: novel agents on the horizon / M. Cervello [et al.] // Oncotarget. — 2012. — Vol. 3. — P. 236-260.
35. Targeting the Liver Kinase B1/AMP-De-pendent Kinase pathway as a Therapeutic Strategy for Hematological Malignancies / A.M. Mar-telli [et al.] // Expert Opinion Therapeutic Targets. — 2012. — Vol. 16. — P. 729-742.
36. Ras/Raf/MEK/ERK and PI3K/PTEN/Akt/ mTOR inhibitors: Rationale and importance to inhibiting these pathways in human health / W.H. Chappell [et al.] // Oncotarget. — 2011. — Vol. 2, № 3. — P. 135-164.
37. Roles of the Raf/MEK/ERK and PI3K/ PTEN/Akt/mTOR pathways in controlling growth and sensitivity to therapy-implications for cancer and aging / L.S. Steelman [et al.] // Aging. — 2011. — Vol. 3. — P. 192-222.
38. Gene alterations in the PI3K/PTEN/ AKT pathway as a mechanism of drug-resistance / S. Hafsi [et al.] // Int J Oncol. — 2012. — Vol. 40. — P. 639-644.
39. Essential role of class II phosphatidylinosi-tol-3-kinase-C2alpha in sphingosine 1-phosphate receptor-1-mediated signaling and migration in endothelial cells / K. Biswas [et al.] // J Biol Chem. — 2013. — Vol. 288. — P. 2325-2339.
40. Oncogenic PI3K deregulates transcription and translation / A.G. Bader [et al.] // Nat Rev Cancer. —2005. — Vol. 5. — P. 921-929.
41. Shaw, R.J. Ras, PI(3)K and mTOR signaling controls tumour cell growth / R.J. Shaw, L.C. Cantley // Nature. — 2006. — Vol. 441. — P. 424-430.
42. mTOR kinase structure, mechanism and regulation / H. Yang [et al.] // Nature. — 2013. — Vol. 497. — P. 217-223.
43. PtdIns(3,4,5)P3-dependent activation of the mTORC2 kinase complex / P.Liu [et al.] // Cancer Discov. — 2015. — Vol. 5. — P. 1194-1209.
44. Laplante, M. mTOR signaling in growth control and disease. M. Laplante, D.M. Saba-tini// Cell. — 2012. — Vol. 149. — P. 274-293.
45. Leslie, N.R. PTEN function: how normal cells control it and tumour cells lose it / N.R. Leslie, C.P. Downes // Biochemical Journal. — 2004. — Vol. 382, № 1. — P. e1-11.
46. Gao, T. PHLPP: a phosphatase that directly dephosphorylates Akt, promotes apoptosis, and suppresses tumor growth / T. Gao, F. Furnari, A C. Newton // Mol Cell. — 2005. — Vol. 18, № 1. — P. 13-24.
47. Keniry, M. The role of PTEN signaling perturbations in cancer and in targeted therapy / M. Keniry, R. Parsons // Oncogene. — 2008. — Vol. 27, № 41. — P. 5477-5485.
48. PTEN C-terminal deletion causes genom-ic instability and tumor development / Z. Sun [et al.] // Cell Rep. — 2014. — Vol. 6, № 5. — P. 844-854.
49. Correction of PTEN mutations in glioblas-toma cell lines via AAV-mediated gene editing / V.K. Hill [et al.] // PLoS ONE. — 2017. — Vol. 12, № 5. — P. e0176683.
50. Cancer Genome Atlas Research Network. Integrated genomic characterization of endometrial carcinoma // C. Kandoth [et al.] // Nature. — 2013. — Vol. 497, № 7447. — P. 67-73.
51. PTEN sequence analysis in endometrial hyperplasia and endometrial carcinoma in slovak women / H. Gbelcovâ [et al.] // Analytical Cellular Pathology (Amsterdam). — 2015. — Vol. 2015. — P. e746856.
52. Integrative clinical genomics of advanced prostate cancer / D. Robinson [et al.] // Cell. — 2015. — Vol. 161, № 5. — P. 1215-1228.
53. PTEN inactivation in lung cancer cells and the effect of its recovery on treatment with epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitors / R. Noro [et al.] // International journal of oncology. — 2007. — Vol. 31, № 5. — P.1157-1163.
54. PTEN mutations and relationship to EGFR, ERBB2, KRAS and TP53 mutations in non-small cell lung cancers / G. Jin [et al.] // Lung Cancer. — 2010. — Vol. 69, № 3. — P. 279-283.
55. PTEN mutation, methylation and expression in breast cancer patients / H. Y. Zhang [et al.] // Oncology Letters. — 2013. — Vol. 6, № 1. — P. 161-168.
56. Loss of PTEN expression in breast cancer: association with clinicopathological characteristics and prognosis / S. Li [et al.] // Oncotarget. — 2017. — Vol. 8, № 19. — P. 32043-32054.
57. Regulation of mTOR and cell growth in response to energy stress by REDD1 / A. Sofer [et al.] // Mol. Cell Biol. — 2005. — Vol. 25, № 14. — P. 5834-5845.
58. Inhibition of mTORC1 leads to MAPK pathway activation through a PI3K-dependent feedback loop in human cancer / A. Carracedo [et al.] // J. Clin. Invest. — 2008. — Vol. 118, № 9. — P. 3065-3074.
59. Amino acids mediate mTOR/raptor signaling through activation of class 3 phosphati-dylinositol 3-OH kinase / T. Nobukuni [et al.] // Proc.Natl. Acad. Sci. USA. — 2005. — Vol. 102, № 40. — P. 14238-14243.
60. Zhao, L. Class I PI3K in oncogenic cellular transformation / L.Zhao, P.K.Vogt // Oncogene. — 2008. — Vol. 27, № 41. — P. 5486-5496.
61. Knockin of mutant PIK3CA activates multiple oncogenic pathways / J.P.Gustin [et al.] // Proc Natl Acad Sci U S A. — 2009. — Vol. 106, № 8. — P. 2835-2840.
62. PIK3CA Mutations Frequently Coexist with EGFR/KRAS Mutations in Non-Small Cell Lung Cancer and Suggest Poor Prognosis in EGFR/ KRAS Wildtype Subgroup / L. Wang [et al.] // PLoS ONE. — 2014. — Vol. 9, № 2. — P. e88291.
63. Mukohara, T. PI3K mutations in breast cancer: prognostic and therapeutic implications / T. Mukohara // Breast Cancer: Targets and Therapy. — 2015. — Vol. 7. — P. 111-123.
64. PIK3CA mutation impact on survival in breast cancer patients and in ERa, PR and ERBB2-based subgroups / M. Cizkova [et al.] // Breast Cancer Research. — 2012. — Vol. 14, № 1. — P. e1-9.
65. Rare mutations in the PIK3CA gene contribute to aggressive endometrial cancer / D. Konstantinova [et al.] // DNA Cell Biol. — 2010. — Vol. 29, № 2. — P. 65-70.
66. PIK3CA exon 9 mutations associate with reduced survival, and are highly concordant between matching primary tumors and metastases in endometrial cancer / S. Mjos [et al.] // Scientific Reports. — 2017. — Vol. 7. — P. e10240.
67. PIK3CA gene alterations in bladder cancer are frequent and associate with reduced recurrence in non-muscle invasive tumors / M. Dueñas [et al.] // Mol. Carcinog. — 2015. — Vol. 54, № 7. — P. 566-576.
68. Prognostic and clinical impact of PIK-3CA mutation in gastric cancer: pyrosequenc-ing technology and literature review / K. Harada [et al.] // BMC Cancer. — 2016. — Vol. 16. — P. e400.
69. Cathomas, G. PIK3CA in colorectal cancer / G. Cathomas // Frontiers in Oncology. —
2014. — Vol. 4. — P. e35.
70. Prognostic role of tumor PIK3CA mutation in colorectal cancer: a systematic review and meta-analysis / Z. B. Mei [et al.] // Annals of Oncology. — 2016. — Vol. 27, № 10. — P.1836-1848.
71. PIK3CA mutations in non-small cell lung cancer (NSCLC): genetic heterogeneity, prognostic impact and incidence of prior malignancies / M. Scheffler [et al.] // Oncotarget. —
2015. — Vol. 6, № 2. — P. 1315-1326.
72. Mutation incidence and coincidence in non small-cell lung cancer: meta-analyses by ethnicity and histology (mutMap) / S. Dearden [et al.] // Ann. Oncol. — 2013. — Vol. 24, № 9. — P. 2371-2376.
73. Squamousness: Next-generation sequencing reveals shared molecular features across squamous tumor types / M. Schwaederle [et al.] // Cell Cycle. — 2015. — Vol. 14, № 14. — P. 2355-2361.
74. Sharrard, R.M. Alternative splicing of the human PTEN/MMAC1/TEP1 gene / R.M. Sharrard, N.J. Maitland // Biochim. Bio-phys. Acta. — 2000. — Vol. 1494, № 3. — P. 282-285.
75. Leslie, N.R. Inherited PTEN mutations and the prediction of phenotype / N.R. Leslie, M. Longy // Semin. Cell Dev. Biol. — 2016. — Vol. 52. — P. 30-38.
76. A clinical scoring system for selection of patients for PTEN mutation testing is proposed on the basis of a prospective study of 3042 probands / M. H. Tan [et al.] // Am. J. Hum. Genet. — 2011. — Vol. 88, № 1. — P. 42-56.
77. PTEN mutation spectrum in breast cancers and breast hyperplasia / J. Yang [et al.] // J. Cancer Res. Clin. Oncol. — 2010. — Vol. 136, № 9. — P. 1303-1311
78. Multiplex targeted sequencing identifies recurrently mutated genes in autism spectrum disorder / B.J. O'Roak [et al.] // Science. — 2012. — Vol. 338. — P. 1619-1622.
79. PI3K/AKT pathway mutations cause a spectrum of brain malformations from megalencepha-ly to focal cortical dysplasia / L.A. Jansen [et al.] // Brain. — 2015. — Vol. 138. — P. 1613-1628.
80. Subtle variations in Pten dose determine cancer susceptibility / A. Alimonti [et al.] // Nat. Genet. — 2010 — Vol. 42. — P. 454-458.
81. PTEN C-terminal deletion causes genomic instability and tumor development / Z. Sun [et al.] // Cell Rep. — 2014. — Vol. 6, № 5. — P. 844-854.
82. PTEN gene mutations correlate to poor prognosis in glioma patients: a meta-analysis / F. Han [et al.] // Onco Targets Ther. — 2016. — Vol. 13, № 9. — P. 3485-3492.
83. PTEN and PI3K/AKT in non-small-cell lung cancer / C. Pérez-Ramírez [et al.] // Phar-macogenomics. — 2015. — Vol. 16, № 16. — P. 1843-1862.
84. Mutations in TP53, PIK3CA, PTEN and other genes in EGFR mutated lung cancers: Correlation with clinical outcomes / P.A. Vander-Laan [et al.] // Lung Cancer. — 2017. — Vol. 106. — P. 17-21.
85. Hot spot mutations in Finnish non-small cell lung cancers / S. Maki-Nevala [et al.] // Lung Cancer. — 2016. — Vol. 99. — P. 102-110.
A.P. Mikhalenka, А.N. Shchayuk, A.V.Kilchevsky
SIGNALING PATHWAYS: A MECHANISM FOR REGULATING THE PROLIFERATION AND SURVIVAL OF TUMOR CELLS
(Review Article)
Institute of Genetics and Cytology of NASB Minsk, 220072, the Republic of Belarus
The review presents contemporary literature data on the main structural components of intracellular signaling pathways: auto/paracrine growth factors, their tyrosine kinase receptors and underlying signaling proteins. The main cellular signaling pathways (PI3K/Akt / mTOR and RAS/RAF/MAPK) and molecular genetic disorders of the key components of these pathways leading to the development of cancer are described in detail. Literature analysis has shown that one of the main mechanisms of carcinogenesis is the constant activation of a signaling pathway provided by various molecular mechanisms: gene amplification and mutations, an increased transcription activity of the main signaling cascade components.
Key words: PI3K/Akt/mTOR signaling pathway, RAS/RAF/MAPK signaling pathway, tumor cells, growth factors, mutations.
Дата поступления статьи: 5 февраля 2019 г.
