генетические основы рака у человека распознаны более 100 лет тому назад и подтверждены данными семейных и эпидемиологических исследований и исследований на животных. Однако, лишь последние 3 десятка лет получены четкие молекулярные доказательства, подтвердившие, что все типы рака возникают в результате дефектов в структуре и/или регуляции генов. Исследования в множестве разных областей, включая опухолевую вирусологию, химический канцерогенез, молекулярную биологию и биохимию, генетику соматических клеток и генетику развития и генетическую эпидемиологию, все они вносят критический вклад в выяснение генетических и эпигенетических механизмов в возникновение рака. Хотя внешне-средовые и пищевые факторы играют существенную роль в развитии рака, сегодня хорошо известно, что накопление множественных генетических и эпигенетических альтераций в одиночной клетке играет фундаментальную роль в возникновении и прогрессировании рака.

Мутации, возникающие в раковых клетках, могут быть подразделены на два функционально различающихся класса: мутации онкогенов и генов супрессоров опухолей. В дополнение к классическим альтерациям онкогенов и генов опухолевых супрессоров возникают и др. альтерации в генах, регулирующих транскрипцию и трансляцию, а также в генах, ответственных за репарацию ДНК. Хотя обычно наблюдаются локальные мутации, др. генетические вариации также важны для онкогенеза, такие как вариации числа копий, делеции и транслокации. Становится всё более очевидным, что эти генетические изменения д. возникать как в кодирующей, так и не кодирующей ДНК и что последние могут затрагивать цис-регуляторные регионы, нарушающие транскрипцию генов. Все эти геномные и эпигеномные альтерации, участвующие в инициации и прогрессировании рака, в широком смысле могут рассматриваться как онкогенные или "gain of function" и супрессоры или "loss of function." Кроме того, некоторые из этих генетических альтераций могут присутствовать в зародышевой линии индивидов и могут вызывать предрасположенность к определенным типам рака. Такие мутации могут также передаваться следующему поколению. Природа и роль определенных мутаций зародышевой линии представляют большой интерес для онкологов, поскольку позволяют идентифицировать гены и пути, играющие особенно важную роль для злокачественного превращения клеток. Несмотря на это мутации зародышевой линии в онкогенах или опухолевых супрессорах скорее всего играют существенную роль в возникновении только наследуемого рака, представляя небольшую фракцию от всех раков, а огромное количество мутаций при раке являются соматическими (т.e., присутствуют только в опухолевых клетках).

Немногие клеточные гены, которые по очереди (recurrently) затрагиваются наследуемыми и соматическими мутациями при раке у людей будут рассмотрены ниже. Онкогены действуют позитивным способом, способствуя туморогенезу. Они обычно функционируют в экземплярах клеток, наз. прото-онкогены, как полагают, являются важными регуляторами многих аспектов физиологии. Белки, кодируемые разными прото-онкогенами могут обнаруживаться практически во всех субклеточных компартментах. Термин прото-онкоген не означает, что гены этого класса находятся в дремлющем состоянии в клетках с целью обеспечивать туморогенез. Скорее эта терминология отражает тот факт, что мутации в каковых клетках нарушают нормальную структуру и/или паттерн экспрессии прото-онкогена, генерируя онкогенные варианты с измененной функцией. В генетических терминах онкогенные аллели обладают мутациями избыточной функции, которые усиливают или создают новые функции.

В противовес активирующим мутациям в онкогенах, гены опухолевых супрессоров обнаруживают дефекты в виде потери функции в раковых клетках. Это означает, что первичной функцией этих генов может быть действие, направленное против активации онкогенов. Хотя многие из этих белков, кодируемых генами опухолевых супрессоров, фактически действуют, соединяясь и регулируя функцию прото-онкогенов или функцию в путях, регулирующих функцию прото-онкогенов, это не обязательно является генеральным принципом. Следовательно, гены, вносящие вклад в рак за счет действительно их инактивации или мутаций потери функции в раковых опухолях людей, будут обозначаться как гены опухолевых супрессоров. Сходным образом, те прото-онкогены, т.е. нормально функционирующие гены опухолевых супрессоров, отличаются, а белки, кодируемые этими генами обнаруживаются практически во всех компартментах клетки.

Помимо хорошо установленной роли мутаций онкогенов и генов опухолевых супрессоров при раке, теперь становится всё яснее, что эпигенетические механизмы играют критические роли в нарушениях паттернов и уровней экспрессии определенных прото-онкогенов и генов опухолевых супрессоров при раке. Напр., при некоторых раках нарушены механизмы регуляции транскрипции, которые могут приводить к заметному повышению уровней экспрессии прото-онкогенов, подобно уровням, наблюдаемым в раковых клетках с мутационными дефектами, которые меняют структуру или количество копий прото-онкогенов. Напротив, механизмы замалчивания генов могут оказывать драматические эффекты на экспрессию определенных генов опухолевых супрессоров в раковых клетках, в значительной степени снижая функциональность генов, делая их неактивными в отсутствие каких-либо мутаций. Интересно, что анализ последовательностей у многих отличающихся типов раковых опухолей показал, что многие из мутаций в раковых клетках непосредственно затрагивают раковый эпигеном. В частности, мутации онкогенов и генов супрессоров опухолей в раковых клетках часто целенаправлено воздействуют на транскрипционные факторы, белки, модифицирующие хроматин, и и др. ассоциированные с хроматином белки, приводя потенциально к весьма драматическим глобальным эффектам на структуру и активность хроматина, метилирование ДНК, модификации гистонов и паттерны генной экспрессии в раковых клетках.

Наконец, мутации в генах, регулирующих распознавание и репарацию повреждений ДНК также играют критическую роль в туморогенезе. Повреждения ДНК генов распознавания повреждений и репарации ДНК могут рассматриваться как постоянный отдельный класс раковых генов, поскольку, по крайней мере, некоторые из белков репарации ДНК, могут играть довольно пассивную роль в клеточных пролиферации, дифференцировке и жизнеспособности. Их инактивация в опухолевых клетках может приводить преимущественно к приобретению "mutator phenotype," при этом в конечном счете увеличивается скорость мутаций в других клеточных генах. Недавно такие опухоли с высоким грузом мутаций, а значит предположительно с генерацией большего числа нео-антигенов, были найдены как наиболее ответственные за чувствительность к checkpoint иммунотерапии.^{2, 3}

Принимая во внимание значительные успехи в последние две декады, особенно недавнее использование next-generation sequencing (NGS) для определения профиля и характеризации генных мутаций и дефектов экспрессии при раке, невозможно представить огромную коллекцию генетических и эпигенетических дефектов, которые выявлены при раке человека. Невозможно обсудить в деталях возможные вклады многих отличающихся дефектов генов в альтерации передачи клеточных сигналов и клеточной физиологии.

Онкогенные варианты аллелей, которые присутствуют при раке, генерируются из нормальных копий прото-онкогенов с помощью разных мутационных механизмов, включая точечные или локальные мутации, крупные хромосомные перестройки или амплификации генов. Некоторые представительные онкогенные мутации в раковых опухолях человека суммированы в Table 14.1, отсюда возможны некоторые обобщения. Во-первых, мутации, затрагивающие белки, функционирующие в разных компартментах клетки, включая рецепторы факторов роста, цитоплазматические сигнальные трансдукторы и ядреные белки, такие как транскрипционные факторы. Во-вторых, хотя мутации некоторых онкогенов могут быть уникальными для раков определенного типа, такие как специфические хромосомные транслокации и возникающие в результате слитые белки, которые обнаруживаются в раках гематопоэтического происхождения (напр., BCR-ABL транслокация, которая обнаруживается при хронической миелогенной лейкемии и субнаборе острых лимфоидных лейкемий, и транслокация PML-RARα, которая обнаруживается при острой promyelocytic лейкемии), др. мутации, такие как те, что затрагивают гены KRAS, β-catenin и c-MYC, обнаруживаются в широком круге разных типов раковых опухолей. В-третьих, мутации онкогенов при раке почти всегда соматические, поскольку они очень редки в прото-онкогенах зародышевой линии и обычно связаны с предрасположенностью к раку. В-четвертых, некоторые прото-онкогены, такие как KRAS или BCL2, соматически изменяются при раке за счет одного мутационного механизма, а именно, точечных мутаций в гене KRAS и хромосомных транслокациях, затрагивающих ген BCL2. Напротив, др. прото-онкогены, такие как c-MYC, могут быть активированы с помощью более чем одного механизма при раке, включая хромосомные транслокации, амплификации генов и ассоциации с супер-энхансером. Эти мутационные механизмы приводят к повышению уровней транскриптов и белка c-MYC. Фактически, специфические missense мутации в threonine 58 гена c-MYC в некоторых лимфомах могут увеличивать уровни белка c-MYC с помощью упраздняющего phosphorylation-ubiquitination механизма, нацеленного на протеосомную деградацию c-MYC.⁴ Однако, повышение уровней белка c-MYC может также возникать из-за альтераций в специфических для c-MYC microRNAs, метилировании и др. не кодирующих регуляторных элементах, действующих, чтобы регулировать транскрипцию и трансляцию c-MYC.

Table 14.1. Selected Oncogene Mutations in Cancer

В противоположность активирующим мутациям, которые генерируют онкогенные аллели из прото-онкогенов, инактивация нормально функционирующих генов опухолевых супрессоров, является критической для туморогенеза. Подобно прото-онкогенам функции генов опухолевых супрессоров разнообразны, а белки, которые кодируются этими генами располагаются практически во всех субклеточных компартментах (Table 14.2). Многие гены опухолевых супрессоров были идентифицированы преимущественно благодаря тому факту, что они мутантны в зародышевой линии лиц, которые затронуты менделирующим раковым синдромом или которые с высокой вероятностью обладают заметно повышенным риском рака. Связь между мутациями, инактивирующими в зародышевой линии предполагаемый ген супрессоре опухоли, и повышенной предрасположенностью к раку предоставляет очень убедительные доказательства функционального значения генов в процессе канцерогенеза. Несмотря на это, огромное большинство генов опухолевых супрессоров, в терминах их магнитуды, соматических инактивирующих мутаций играют всё более значительную роль в развитии рака, чем мутации зародышевой линии.

Table 14.2. Selected Tumor Suppressor Gene Mutations in Hereditary Cancer Syndromes and Sporadic Cancers

Большое внимание привлекли раковые клетки , несущие би-аллельные инактивирующие мутации. Очевидно, что разные наборы механизмов могут инактивировать функции генов, включая nonsense, frameshift и nonconservative missense мутации, а также splicing мутации и крупные делеции генов или даже регионов хромосом, содержащих гены. В ряде случаев хромосомные механизмы, ассоциированные с инактивацией генов опухолевых супрессоров, такие как потеря родительской гетерозиготности (т.e.,потеря гетерозиготности) , характерной для нормальных тканей, была также использована для подтверждения существования генов опухолевых супрессоров , в частности, в хромосомных регионах, до действительной их идентификации. Особое внимание уделено инактивирующим би-аллельным мутациям в генах опухолевых супрессоров, которое был подстегнуто гипотезой Knudson,^{5, 6} , которая предсказывала, что рецессивные генетические детерминанты играют критическую роль в ретинобластоме и многих др. раковых опухолях и, что инактивация обоих аллелей гена опухолевого супрессора необходима для устранения активности гена опухолевого супрессора. Разнообразные наблюдения указывают на то, что эпигенетические (не мутационные) механизмы могут играть выдающуюся роль в инактивации функции генов опухолевых супрессоров. Более того, для определенных генов опухолевых супрессоров инактивация только одного из двух аллелей гена опухолевого супрессора может существенно нарушать регуляцию клеточного роста или запрограммированную клеточную гибель. Напр., ряд мутантных p53 белков, несущих missense мутации, скорее всего, мощно вмешивается посредством доминантных негативных механизмов в белок p53 дикого типа в клетках, поскольку p53 действует как гомо-тетрамерный белок и все субъединицы д. быть дикого типа для сохранений интактной функции p53 в регуляции транскрипции.⁷ Для др. белков опухолевых супрессоров, таких как cyclin-зависимый kinase inhibitory белок p27, снижение уровней белка на 50% от нормы может приводить к значительным вредным эффектам на способность клеток соотв. образом регулировать рост.8

Становится ясно, что любой рак взрослых возникает на результат единичного дефекта гена. Даже у лиц, которые сильно предрасположены к раку, возникающему в результате мутаций в зародышевой линии в специфическом онкогене ил гене супрессоре опухоли, огромное большинство клеток в теле никогда не превращаются в раковые или приобретают определенную морфологию , сходную с таковой, характерной для доброкачественных опухолей. Следовательно, любая модель рака д. включать эти данные, которые указывают, что раковые опухоли, скорее всего, возникают в результате накопления множественных генетических и эпигенетических дефектов в затронутых клетках. Клинические и гистопатологические данные показывают, что развитию почти всех раков, независимо от расположения органа, часто предшествует предраковая фаза или стадия, в которой неопластические клетки обнаруживают все более и более разрушенные паттерны дифференцировки и морфологии.

Принимая во внимание этот фон, становится ясно, что раковые опухоли возникают в результате накопления дефектов, затрагивающих многие гены и пути, а предраковые (доброкачественные) повреждения предшественников обладают меньшим количеством дефектов ключевых генов, чем установившаяся раковая опухоль. Сколько же ограничивающих скорость дефектов или "ударов" необходимо для возникновения рака. Хотя определённый ответ на этот вопрос дать нельзя, но некоторые подсчеты могут быть проделаны. Наиболее распространенные раковые опухоли обнаруживают драматически увеличивающийся показатель с увеличением возраста. На базе анализа возраст-специфического показателя количества распространенных раков и на некоторых прямых предположениях о скорости мутаций и размере клеточной популяции мишени, было предположено в середине 1950s, что наиболее распространенные эпителиальные раки возникают как результат 4-7 скорость-ограниченных событий.^{5, 9} Было установлено, что эти скорость-лимитирующие события могут представлять собой мутационные события. Более того, доброкачественные повреждения, результат дефектов немногих генов, часто обнаруживают распределение возрастного показателя, который сдвигается приблизительно на одну две декады раньше в жизни, чем раковые опухоли, возникающие в соответствующем органе или ткани. Несмотря на это смешанное использование данных возрастного показателя с моделью количества скорость-ограничивающих мутаций поставили под вопрос важность значения определенных ключевых биологических путей, лежащих в основе модели множественных ударов. С другой стороны, раков у детей, которые возникают значительно раньше и вообще менее сложные в терминах их генетических сигнатур могут пролить информацию на ключевые раковые гены мишени (see Chapter 92 on pediatric solid tumors).

Как отмечалось ранее большинство, если не все раки, возникают из популяции предсуществующих предраковых клеток, и множественных генетических и эпигенетических дефектов, скорее всего, необходимых для превращения нормальных клеток в канцерогенные. Молекулярные исследования разных типов рака и их соотв. ассоциированных предраковых повреждений предоставило некую фундаментальную информацию о процессах довольно критических для возникновения рака. Во-первых, хотя нормальные ткани и ткани при нераковых болезнях располагают поли-клональными (сбалансированными) клеточными популяциями, неопластический компонент присутствует в доброкачественных повреждениях, а раковые опухоли обладают клонально родственной популяцией клеток, что согласуется с мнением, что неопластические трансформации в одной или в нескольких разных клетках внутри ткани дают все дочерние клетки или субклоны, присутствующие в опухоли. Далее с помощью NGS глубокого секвенирования была выявлена внутриопухолевая гетерогенность.¹⁰ Во-вторых, в опухолях, в которые было можно проанализировать присутствуют как раковые клетки, так и ассоциированные предраковые популяции клеток, субнаборы дефектов соматических генов, присутствующих в раковой опухоли, клонально представлены в популяциях предраковых клеток. Др. дефекты соматических генов, по-видимому, приобретаются во время перехода от предраковых субклонов к доминирующим субклонам при раке.

Эти молекулярные находки при доброкачественных и злокачественных опухолях в основном согласуются с моделью, первоначально предложенной Foulds¹¹ и затем расширенной Nowell¹² (Fig. 14.1). Вкратце, модель клональной эволюции предсказывает, что рак возникает ка результат последовательных экспансий клонально родственных популяций клеток. Последовательные экспансии управляются постепенным или прерывистым приобретением мутаций или изменений в экспрессии генов, при этом вносится вклад особенных клеток и их потомков с избирательными преимуществами по сравнению с клетками, которые не обладают дефектами генов. По существу, клональный отбор является эволюционным процессом, который делает возможным избыточный рост предраковых и раковых клеток, несущих мутации и изменения в экспрессии генов, которые обеспечивают наибольшую мощь пролиферативным свойствам и жизнеспособности раковых клеток. Важно отметить, что специфические совпадения (constellation) генетических и эпигенетических изменений в предраковых и раковых клетках являются контекст-зависимыми и определенно варьируют чрезвычайно в существенной степени в зависимости от одного типа рака к др. и с ещё большей определенностью варьируют у разных пациентов, чти раки обнаруживают очень сходные клинические и гистопатологические свойства. Модель клональной эволюции имеет биологические и клинические ответвления. Во-первых, клональные дефекты генов, присутствующие при раке, могут быть отслежены в виде предраковых повреждений того же самого органа, при этом целью попыток прояснить предпочтительный порядок, с помощью которого генетические дефекты возникают в естественной истории определенного типа рака. Определенный порядок, с которым дефекты накапливаются во время инициации и последующей прогрессии одного типа рака, часто отличается от такового при др. типе рака. Как результат генетические и эпигенетические изменения, критические для инициации опухоли при одном типе рака могут вносить вклад в прогрессирование рака при др. типе опухоли и vice versa. Во-вторых, дефекты, возникающие на "ранних" стадиях туморогенеза могут играть роль не только в инициации опухолей, но и также в агрессивном поведении продвинутых стадий рака. В-третьих, модель предсказывает, что приобретение дальнейшей генетической гетерогенности может стать распространенным и важным фактором для первичных раковых повреждений и метастазов. Становится всё яснее, что генетическая гетерогенность играет существенную роль в устойчивости к химиотерапии и возникновении агрессивности в популяции клеток у пациентов с продвинутым раком.



Figure 14.1. Role of clonal selection in cancer development and progression. Clonal selection is essentially an evolutionary process that promotes outgrowth of precancerous and cancerous cells that carry the mutations and gene expression changes that confer the most potent proliferative and survival properties on the cancer cells in a given context. The schematic diagram indicates that the stepwise emergence of benign and malignant cells over time is critically influenced by mutations and epigenetic defects. Neoplasms most likely arise from a stem cell or progenitor cell population that is capable of additional cell divisions and acquisition of certain differentiated characteristics. After the accumulation of a particular constellation of mutations and epigenetic defects in oncogenes and tumor suppressor genes, a successful malignant subclone will outgrow the various competing neoplastic subclones. Further genetic heterogeneity within a malignant subclone (not depicted) is likely, and the genetic heterogeneity might give rise to new subclones that display increased invasive and metastatic potential.

(Modified from Kern SE. Progressive genetic abnormalities in human neoplasia. In: Mendelsohn J, Howley PM, Israel MA, Liotta LA, eds. The Molecular Basis of Cancer. 2nd ed. Philadelphia: Saunders; 2001.)

Недавний тщательный анализ последовательностей в популяциях раковых клеток от индивидуального пациента, у которого опухолевые клетки при исследовании отличались одна от др. по расположению и/или времени начала, чтобы выявить, что довольно драматическая внутриопухолевая генетическая гетерогенность может быть "правилом" для рака скорее, чем исключением.¹³ Определенные, вообще-то ключевые, инициальные генетические повреждения (напр., truncal мутации) могут быть общими для всех неопластических клонов, но географически отличающиеся регионы крупных первичных опухолей могут иметь очень отличающиеся профили мутаций (напр., branched mutations) от тех, которые характерны для первичной опухоли, а популяции метастазирующих клеток могут обнаруживать существенную мутационную дивергенцию от не метастазирующих клеток. Соотв., имеет место мутационная дивергенция от не метастазирующих клеток. Соотв., очевидно, что совершенно пространно разветвляющийся эволюционный рост может быть важным признаком как первичных опухолей, так и метастатических повреждений, при этом многие конкурирующие клональные популяции эволюционируют посредством дивергентных и конвергентных мутационных механизмов.¹³ Это совсем недавнее мнение о потенциально довольно экстенсивной генетической гетерогенности внутри опухоли для любого рака и вкладе внутриопухолевой гетерогенности в прогрессирование опухоли в противовес более ранним мнениям. Ранее подозревалось, что популяции клеток в большинстве певичных опухолей являются более гомогенными, а соматические мутации накапливаются ступенчато-образным способом в результате множественных последовательных клональных продвижений (sweeps) каждого варианта клеточной популяции в первичном раке, при этом метастазы наиболее часто возникают из клонально доминирующих клеточных популяций первичной опухоли.

Важно отметить, что клональные соматические мутации часто, по-видимому, обладают причинной ролью в обеспечении дальнейшего роста или прогрессирования опухоли, поскольку соматически е мутации могут стать клональными (т.e., присутствуют во всех неопластических клетках) за счет ограниченного количества механизмов. Напр., генетические альтерации сами по себе может быть отобраны из-за того, что это наделяет неопластические клетки преимуществами в росте, позволяя им становиться господствующим типом клеток в опухоли (клональная экспансия). Гены с критическими ролями в обеспечении клонального роста в данной раковой опухоли наз. дайверами.¹⁴ Гены, которые мутантны в значительной фракции раковых опухолей и они, скорее всего, могут быть классифицированы как драйверы. Напротив, выявляемые соматические мутации могут возникать по существу совпадая с появлением др., вообще-то не выявленных, альтераций, которые вызывают критические изменения, лежащие в основе клонального роста. Соматические мутации этого последнего типа называются пассажирами (passengers).¹⁴ Однако, исследования показали, что некоторые из этих пассажиров затрагивают метаболические гены или гены домашнего хозяйства и может быть терапевтическими мишенями, приводя к супрессии опухолей.^{15, 16} Следовательно, на базе обширных данных, по анализу крупно-масштабных секвенирований, выявляются большие количества определенных генов, каждый из которых мутирует лишь небольшом количестве опухолей данного типа,^17-20, поэтоу сортировка на драйверы и пассажиры не совсем верна, исходя только из данных по секвенированию и , скорее всего, необходимо большее количество данных по функциональным исследованиям. В самом деле, увеличиваются даже некодирующие альтерации, которые также играют важные роли в возникновении и поддержании ракового фенотипа путем внесения новых, вызывающих рак, промоторов и энхансеров, приводящих изменениям генной экспрессии (see the later discussion of noncoding mutations). Существующие потенциальные неопределенности, свзанные со специфическими соматическими мутациями и возникновением рака, становится затруднительным оценивать причинное значение любого изменения экспрессии данного гена с изменениями в предраковых и раковых клетках. В частности, неясности возникают, когда рассматриваются, действительно ли экспрессия генов или эпигенетические изменения, в основном отражают относительные различия между раком и соотв. ему нормальной тканью или в самом деле верна причина, вызывающая раковый процесс. Тем не менее, если специфические генные или эпигенетические альтерации, действительно способствуют туморогенезу или неопластической трансформации в разных моделях опухолей in vitro и in vivo или если один и тот же ген или регион хромосомы постоянно изменяется при определенных эпигенетических изменениях в опухоли, тогда может быть разумным сделать вывод, что определенный дефект, в самом деле, может служить причиной (драйвером) в туморогенезе.

Раковые опухоли представляют собой очень гетерогенную коллекцию болезней. Каждый тип рака обладает самостоятельными биологическими и клиническими свойствами и разными прогнозами. Каждый рак, возникающий в одном органе, таком как яичники, почки или легкие, может представлять всякую мешанину из разных болезней на молекулярном уровне. Морфологические признаки часто позволяют определенным типам рака отличаться в определенной степени от др. Даже если пациенты, чьи раковые опухоли обнаруживают довольно идентичный рост и микроскопические проявления и очень сходные клинические проявления, могут иметь существенны отличия в отношении исхода. Несмотря на эту сложность, развитие всех раков, независимо от типа, скорее всего, сильно зависит от приобретения определенных фенотипических признаков, что позволяет раковым клеткам не только расти неконтролируемым образом в своей ткани, но и также наделяет их способностью обсеменять окружающие ткани и органы, лимфатическую систему и кровоток и в конечном счет приводить к росту метастатических повреждений в удаленных местах тела.¹ Как показано на Fig. 14.2, среди характерных признаков, которые, скорее всего, проявляются в большинстве, если не во всех раковых опухолях присутствуют следующие: (1) повышенная тенденция проявлять фенотипы, напоминающие стволовые клетки и клетки предшественники; (2) усиленная реакция на сигналы, способствующие росту; (3) относительная устойчивость к сигналам, подавляющим рост; (4) повышенная скорость мутаций, позволяющая быструю генерацию новых вариантов дочерних клеток; (5) способность привлекать и поддерживать новое кровоснабжение (ангиогенез); (6) способность минимизировать иммунную реакцию и/или уклоняться от деструкции с помощью иммунных эффекторных клеток; (7) способность неограниченно поддерживать клеточные деления; (8) неспособность уважать границы между тканями; и (9) способность расти в в местах органа с микроокружением, заметно отличающимся от того, в котором возникли раковые клетки. Возникновение некоторых признаков, скорее всего, связано с определенными стадиями туморогенеза (see Fig. 14.2), но приобретение характерных признаков при раке, скорее всего, обнаруживает предпочтительный порядок, чем неизменный порядок. Более того, многие из характерных (signature) свойств раковых клеток представляют собой сложные биологические способности (напр., ангиогенная активность, уклонение и устойчивость от иммунитета и и способность к метастазированию). Следовательно, скорее всего, необходимы существенные изменения многих сигнальных путей.



Figure 14.2. < span class=ari8> Acquisition of signature traits in neoplastic cells during cancer progression. Depicted in the figure are representative stages in the development of a cancer, perhaps a typical epithelial cancer, such as those that typically arise in the lung, colon, breast, or prostate. The schema suggests that most advanced cancers arise via clonal selection from subclones present in earlier-stage benign and localized lesions (e.g., carcinoma in situ and locally invasive carcinoma). Some of the properties of advanced cancer cells are depicted by the ability of the cells to enter the bloodstream and to seed and grow in distant organ sites, such as the liver (bottom). Nine signature traits of cancer cells are listed. The relative time at which neoplastic cells acquire some of the traits is uncertain, although it seems likely that some traits, such as the expression of a stem/progenitor cell phenotype or enhanced response to growth-promoting signals, may be acquired earlier in cancer development. Other traits, such as invasive capacity and/or metastatic competence, may be acquired later. Many signature traits of cancer cells are in fact complicated biologic capabilities (e.g., angiogenic activity, immune evasion and resistance, and metastatic competence) and likely depend on defects in a number of different factors and signaling pathways.

Некоторые из дефектов генов, обнаруживаемых в раковых клетках, могут вносить вклад преимущественно в немногие или даже вообще только в характерные признаки раковых клеток, представленные выше, но, скорее всего, многие из дефектов генов и изменений в экспрессии отбираются в значительной степени потому, что они оказывают плейотропные эффекты на фенотип раковых клеток. Более того, дефекты определенных генов и сигнальных путей могут строго отбираться по определенным особенностям (point) в развитии и прогрессировании рака; вообще-то большая часть альтераций позволяет предраковым и раковым клеткам приобретать определенные критические фенотипические признаки. Генетические дефекты, которые могут быть практически униформно присутствовать в повреждениях на ранних стадиях в одном типа опухоли, могут преимущественно возникать на более поздних стадиях опухолей в др. органах. Хороши примером могут служить мутации онкогена KRAS, которые обычно присутствуют на ранних стадиях рака поджелудочной железы, но появляются на поздних стадиях в раках др. типов. Эти данные подтверждают, что клеточный и тканевой контекст является критическим, хотя изучен плохо, модифицируя эффекты специфических генетических дефектов, которые вызывают неопластические трансформации, клональный рост и прогрессирование опухоли. Несмотря на тщательную разработку т. наз. отличительных признаков раковых опухолей, которые характеризуют не только раковые клетки, но всё окружение и не раковые клетки, такие как иммунные. стромальные и клетки кровеносных сосудов, необходимо полнее понять лежащие в основе причинные механизмы каждого признака и то как терапевтически целенаправлено воздействовать на них индивидуально или в комбинации.

Как отмечалось ранее и суммировано в Tables 14.1 и 14.2, белковые продукты прото-онкогенов и генов супрессоров опухолей участвуют в разнообразных клеточных процессах. В свете потенциально огромного уровня сложности, предполагающем большие и разные наборы генных дефектов при раке, это отчасти подтверждает, что некоторые генеральные концепции появляются относительно способов, с помощью которых генетические и эпигенетические альтерации, скорее всего, вносят вклад в инициацию и прогрессирование рака. Принципиальной основополагающей темой является то, что белковые продукты онкогенов и генов супрессоров опухолей действуют в сильно законсервированных сигнальных путях и регуляторных сетях.

Сеть, в которой retinoblastoma protein (pRb) белок опухолевого супрессора (кодируемый геном RB1) функционирует, является одной из наиболее хорошо изученных сетей онкогенов и генов опухолевых супрессоров. Белок pRb регулирует ход клеточного цикла по большей части благодаря его способности соединяться с белками E2F транскрипционного фактора.^{21, 22} В дополнение к его роли, как регулятора клеточного цикла, белок pRb protein участвует в регуляции дифференцировки, жизнеспособности клеток и даже ангиогенеза при определенных условиях.²² Соединение pRb с белками E2F позволяет pRb замалчивать экспрессию E2F, регулируя или воздействуя на гены "мишени", такие ка те, что необходимы для фазы клеточного цикла синтеза ДНК (S). Способность белка pRb соединяться с белками E2F и участвовать в репрессии транскрипции, по-видимому, тесно связана с его статусом фосфорилирования, при этом гипер-фосфорилированные формы pRb становятся неспособными соединяться с и регулировать белки E2F. Белок cyclin D1 и ассоциированная с ним протеин киназа, cyclin-dependent kinase 4 (CDK4), негативно регулируют pRb путем его фосфорилирования. Белок опухолевого супрессора p16INK4a является критическим ингибитором CDK4/cyclin D1 комплекса (Fig. 14.3) и может поэтому предотвращать инактивацию pRb. Как отмечается в Table 14.2, субнабор спорадических раков разного типа имеет инактивирующие мутации в гене RB1 . При др. раковых опухолях функция pRb, по-видимому, серьезно нарушена как результат мутаций в др. компонентах сети или пути. Напр., при многих раковых опухолях, которые лишены мутаций RB1, отмечены инактивирующие мутации в гене CDKN2A. При др. раках, включая некоторые раковые опухоли груди, выявлена амплификация генов и избыточная экспрессия cyclin D1. При некоторых глиобластомах и саркомах, обнаруживается амплификация и избыточная экспрессия гена CDK4. Суммарное воздействие мутаций в пути pRb, в самом ли RB1 или в др. генах, таких как CDKN2A, CCND1 (cyclin D1 или CDK4, инактивирует функцию pRb и его способность регулировать экспрессию критических E2F генов мишеней (see Fig. 14.3).



Figure 14.3. Recurrent gene defects in conserved signaling pathways in cancer. Three signaling pathways that are commonly affected by mutations in various cancers are shown. Selected interactions between components of the pRb (left), APC/?-catenin (middle), and p53 pathways (right) are shown. Tumor suppressor proteins are indicated with red symbols, oncogene products are indicated by green, and proteins that are not known to be affected by mutational or epigenetic defects in human cancer are indicated in yellow. Inhibitory interactions between proteins are indicated by perpendicular lines, and activating effects are indicated by arrows. Presumptive downstream genes whose expression is affected by the pathways are noted. APC, Adenomatous polyposis coli; AXIN1, axis inhibition protein 1; ?-CAT, ?-catenin; Cdk4, cyclin-dependent kinase 4; CYC D1, cyclin D1; DHFR, dihydrofolate reductase; DNA Pol ?, DNA polymerase ?; GADD45, growth arrest and DNA damage inducible gene 45; GSK3?, glycogen synthase 3?; MMP-7, matrix metalloproteinase 7; p21, p21 CDK-interacting protein 1; p53AIP1, p53-regulated apoptosis-inducing protein 1; RNR, ribonucleotide reductase; TCF-4, T-cell factor-4; TS, thymidylatesynthase; TSP1, thrombospondin 1.

Исследования др. прото-онкогенов и генов опухолевых супрессоров также подтвердило существование законсервированных регуляторных сетей, в которых действуют белки множественных разных генов опухолевых супрессоров и прото-онкогенов. Хотя белок опухолевого супрессора adenomatous polyposis coli (APC) может играть роль в регуляции различных процессов в клетках,²³ ключевой функцией APC является участие в мультибелковом комплексе, который регулирует уровни β-catenin белка в цитоплазме и ядре (see Fig. 14.3). Компоненты мультибелкового комплекса, который регулирует β-catenin , включают белок APC, др. белок опухолевого супрессора, известного как AXIN1, и киназа, известная как glycogen synthase kinase 3β (GSK3β). Инактивация функции APC или AXIN1 в раковых клетках, по-видимому, приводит к неспособности фосфорилирования β-catenin, а значит к неспособности распознавать и последующему ubiquitination с помощью βTrCP ubiquitin лигазы и в конечном итоге к деструкции с помощью протеосом.^{23, 24} как результат раковые клетки с инактивированными APC или AXIN1 обнаруживают повышенные уровни β-catenin в цитоплазме и ядре, и образование довольно устойчивых комплексов β-catenin с транскрипционными факторами из семейства T-cell factor (TCF), такими как TCF4. Оказавшись связанным с TCF4, β-catenin может действовать как транскрипционный коактиватор, а при раках с инактивацией APC, таких как колоректальные карциномы, транскрипционная активность TCF четко разрегулирована. В субнаборе колоректальных карцином, лишенных инактивации APC и при разных др. типах рака (see Table 14.1),обнаруживается активация (онкогенных) мутаций в белке β-catenin.²⁴ Эти missense и in-frame делеционные мутации затрагивают ключевые сайты фосфорилирования на N-конце β-catenin, в основном наделяя β-catenin устойчивостью к регуляции с помощью комплекса APC/AXIN/GSK3β . Тогда мутантный белок β-catenin накапливается в клетках и нарушает регуляцию транскрипции TCF . Транскрипция избранных прото-онкогенов может быть активирована непосредственно с помощью β-catenin/TCF комплекса, такого как c-MYC.²⁵

Выявлены и др. регуляторные сети генов опухолевых супрессоров, включая p53/MDM2/p19Arf путь (see Fig. 14.3), PTCH/SMO/GLI путь и MSH2/MLH1/PMS2 DNA mismatch recognition and repair путь. Подобно ситуации для pRb, APC/β-catenin, и путей p53, мутации в раковых клетках не часто затрагивают пути PTCH/SMO/GLI и MSH2/MLH1/PMS2, или активируя онкоген внутри пути (напр., SMO или GLI1 для PTCH/SMO/GLI пути) или инактивируя один из ключевых опухолевых супрессоров (напр., или MLH1 или MSH2 в mismatch repair [MMR] пути).

Хотя большая коллекция генетических и биохимических данных подтверждает предполагаемые функции белков и взаимодействий, представленных на Fig. 14.3, но, скорее всего, ситуация in vivo более сложная. Напр., на базе регуляторной схемы, известной для пути pRb на Fig. 14.3, может оказаться, что фенотипические последствия инактивации RB1 или CDKN2A будут функционально эквивалентны. Однако, пациенты с мутациями зародышевой линии, которые инактивируют RB1, предрасполагают к ретинобластомам и остеосаркомам, тогда как лица с дефектами в зародышевой линии в CDKN2A предрасположнены преимущественно к меланомам и раку поджелудочной железы.^{26, 27} Боле того, в то время как лица с мутациями в зародышевой линии, затрагивающими RB1 или CDKN2A, предрасположены скорее к ограниченному спектру раковых опухолей, соматические дефекты пути pRb (напр., включая мутации в RB1, CDKN2A, CCND1 [cyclin D1] и CDK4) обнаруживаются в большом количестве широкого круга типов рака.^{26, 27} К сожалению, в настоящее время, хотя и не существует неотразимого механистического объяснения этим наблюдениям, вообще-то генеральное объяснение может быть предложено. Определенно, генетические пути, в которых определенные онкогены и гены опухолевых супрессоров функционируют, являются не просто линейными путями, как это показано схематически на Fig. 14.3, но, скорее всего, представляют собой более сложные комплексы и разветвленные сети. Ответвления сетей

даже варьировать значительно сильнее , в зависимости от типа клеток и онтогенетического контекста, хотя вплне разумно предположить, что гены и белковые продукты повторно затрагиваются мутациями в раковых опухолях человека, образуя собой особенно критические сердцевины (hubs) в путях и сетях.

Предыдущие рассуждения в основном подчеркивали роль и значение соматических и зародышевой линии мутаций в прото-онкогенез и генов опухолевых супрессоров при раке. Однако, изменения в уровнях и/или паттернах генной экспрессии, метилировании ДНК и модификациях хроматина также вносят вклад в туморогенез. Хотя определенно большинство неотазимых данных, подтверждающих критическую и, скорее всего, причинную роль изменений в экспрессии генов в раковом процессе касается генов, которые уже хорошо известны по мутационным и/или функциональным исследованиям являются генами опухолевых супрессоров. Поэтому основное внимание уделяется здесь иллюстрации того, как эпигенетические механизмы могут играть причинную роль в замалчивании генов опухолевых супрессоров при раке. Роли супер-энхансеров и др. эпигенетических механизмов в активации прото-онкогенов, сродни тем, что обнаруживаются при раках с амплификацией множественных копий соотв. прото-онкогена, будут рассмотрены позднее.

Как это суммировано в Table 14.2, соматическая инактивация избранных генов опухолевых супрессоров, как известно, является результатом мутационных (генетических) механизмов при многих раках. Однако, всё увеличивается количество данных, подтверждающих мнение, что эпигенетические механизмы соматической инактивации избранных генов опухолевых супрессоров имеют место при определенных типах рака^{28, 29} (Fig. 14.4). Хотя данные всё ещё появляются относительно разных транскрипционных и ремоделирующих хроматин механизмов, ответственных за эпигенетическое замалчивание определенных генов опухолевых супрессоров, многие исследования продемонстрировали, что усиление метилирования CpG-богатых последовательностей (CpG островков) в регуляторных регионах (т.e., промоторах и энхансерах) генов опухолевых супрессоров часто сяязаны с потерей экспрессии генов опухолевых супрессоров. Напр., в то время, когда ген VHL инактивирован с помощью мутационных механизмов приблизительно у 80% почечных карцином паренхимных клеток (clear cell type), у большинства clear cell renal карцином, у которых не выявляются специфические VHL мутации, обнаруживается потеря экспрессии гена VHL, тесно связанная с гиперметилированим промотора VHL.²⁸ Для некоторых др. генов опухолевых супрессоров, включая гены CDKN2A, BRCA1 и MLH1, гиперметилирование промоторов также выступает в качестве ключевого механизма инактивации.²⁹ Фактически, на базе исследований генов, которые обладают обширным метилированием CpG островков и сниженной или отсутствием экспрессии гена в раковых клетках одного или др.типа, то предполагается, что аберрантное метилирование CpG может играть очень широкую и важную роль в замалчивании генов опузолевых супрессоров при канцерогенезе.^{28, 29} Тем не менее остается неизвестным, какая доля генов, чьи промоторы обнаруживают повышенное метилирование при раке, действительно выступают как гены опухолевых супрессоров in vivo. Гиперметилирование промоторов и потеря экспрессии генов связаны с дополнительными данными, такими как восстановление генной экспрессии после воздействия деметилирующими агентами и/или др. агентами, которые затрагиавют функциональное состояние хроматина (напр., ингибиторы гистоновых деацетилаз), что лучше всего может быть установлено по их роли в супрессии опухолей.



Figure 14.4. Knudson's two-hit hypothesis revised. In brief, Knudson's hypothesis predicted that both alleles of a tumor suppressor gene would need to be inactivated by germline and/or somatic mutations to elicit critical phenotypic alterations associated with cancer development. The revised version of Knudson's two-hit hypothesis considers the possibility that tumor suppressor gene inactivation can result from either genetic (mutation) or epigenetic silencing events. The two functional alleles of a given tumor suppressor gene are indicated by the two purple boxes (top). The first inactivating event affecting one of the two tumor suppressor gene alleles could be either a mutation, such as the localized defect indicated by the yellow box (left), or transcriptional silencing associated with or caused by hypermethylation of CpG-rich sequences in the promoter/regulatory region (right). The inactivating event for the second tumor suppressor gene allele (i.e., "Hit #2") could be a nondisjunction event resulting in loss of the chromosome containing the wild-type tumor suppressor gene allele (loss of heterozygosity [LOH]) or epigenetic silencing. (Modified from Jones PA, Laird PW. Cancer epigenetics comes of age. Nat Genet. 1999;21:163-167.)

Колоректальные раки (CRCs), типы рака, изученные с большой тщательностью в отношении закономерностей эпигенетических альтераций и уже давно известно, что в то время как большинство CRCs обнаруживают от скромной до умеренной глобальную потерю 5-methylcytosine (5mC), определенные субнаборы CRC идентифицируются как результат предпочтительной инактивации многих разных генов за счет гиперметилирования промоторов - т. наз. CpG island methylator phenotype (CIMP).³⁰ Находки CIMP-позитивных CRCs подтвердили, что неидентифицируемые альтерации в аппарате метилирования/деметилирования могут играть роль в возникновении колоректальных и воообще-то др. типов рака.

В самом деле, в последние несколько лет получена интригующая информация о факторах и механизмах, регулирующих состояние метилирования ДНК при раке. Почти все метилирование ДНК в соматических клетках млекопитающих происходит в цитозиновых остатках CpG динуклеотидов и катализируется с помощью DNA methyltransferases (DNMTs). В то время как мутации DNMT, как было установлено, играют роль в нескольких разных типах рака, сегодня ясно, что локальные мутации в DNMT3A присутствуют приблизительно у 20% - 25% пациентов с острой миелоидной лейкемией (AML).³¹ Хотя мутации DNMT3A ассоциированы с плохим прогнозом у лиц с AML, остается до конца неясно, действительно ли и как мутации влияют на метилирование ДНК у лиц с AML.³¹ Помимо мутаций в DNMT3A и потенциально в др. DNMT генах, открыты и др. дефекты генов, связанные с факторами метилирования ДНК и состояние метилирования. Семейство Tet methylcytosine dioxygenase proteins (TET1, TET2 и TET3) было идентифицировано в последние несколько лет; эти белки модифицируют ДНК путем гидроксилирования 5mC в 5-hydoxymethylcytosine (5hmC) и как следствие происходит потеря 5mC в ДНК клеток. Более значительным для возникновения рака является инактивация гена TET2, обнаруживаемая у более 30% от всех миелоидных озлокачествлений, а TET2-мутантные миелоидные неопластические клетки обнаруживают пониженные уровни 5hmC и имеют 5mC hypermethylator фенотип, в результате возникают изменения в состоянии хроматина и паттернах экспрессии генов.³² Удивительно, дальнейшие связи изменений метилирования ДНК и раком были выявлены при изучении сцепления между мутациями в генах isocitrate dehydrogenase IDH1 и IDH2 и hypermethylator фенотипом в миелоидных новообразованиях и пи некоторых др. опухолях.³² В частности, критическим кофактором для функции собственно TET2 является alpha-ketoglutarate и белки IDH, обычно генерирующие alpha-ketoglutarate из isocitrate. Мутантные IDH белки обнаруживаются при некоторых типах рака, включая myeloid раки и глиомы, генерируемые вместо 2-hydroxyglutarate, это делает TET2 белок в затронутых клетках нефункциональным, при этом в результате возникает hypermethylator фенотип, сходный с таковым при раках с TET2 мутациями.^{32, 33} Ожидается, что дальнейшие исследования прояснят ключевые генетические и эпигенетические механизмы, лежащие в основе CIMP статуса при колректальных и др. типах рака, при которых TET и IDH белки, по-видимому, остаются функционально неизменными.

Хотя прогресс в определении мутаций, которые могут лежать в основе изменений 5mC и 5hmC состояния и метилирования ДНК при раке сильно обнадеживают, но настоящий драматический прогресс был достигнут в последние несколько лет при обнаружиении широкого круга мутаций, которые связаны с хроматином, включая гистоны, гистоновые модификаторы и ремодельеры хроматина при разных типах рака.^{34, 35} Это иллюстрирует важность структуры и модификаций хроматина в патогенезе рака. Хроматин состоит из повторяющихся фундаментальных единиц, наз. нуклеосомами и каждая нуелеосома состоит из 147 пар оснований ДНК, обернутых вокруг октамера из гистонов. Доступность хроматина для аппарата транскрипции является интегральной частью экспрессии генов, а альтерации в структуре хроматина и его модификации д. играть важную роль при изменениях генноой экспрессии и туморогенезе. Очевидно, что один из вариантов гистона, а именно гистон H3.3, который инкорпорируется во вемя митозов в активно транскрибируемые регионы, такие как промоторы, тела генов и теломеры, оказывается мутантным у более трети детских глиобластом (Table 14.3).^{34, 36} Эти мутации действуют подавляя polycomb repressive complex 2 (PRC2), мультибелковый комплекс, ответственный за метилирование H3 по lysine 27, и тем самым приводящий к глобальному снижению триметилирования H3K27. Эти мутации, как было установлено, чувствительны к терапевтическому вмешательству с использованием EZH2 ингибиторов и BET bromodomain ингибиторов.^{37, 38}

Table 14.3. Selected Chromatin Regulators and Modifiers Recurrently Mutated in Cancer

Protein Tumor Types With Mutations

HISTONE ACETYLTRANSFERASES

CBP AML, ALL, DLBCL, TCC
p300 AML, ALL, DLBCL, TCC, CRC, BrCA, PanCA
MOZ AML, MDS
MORF AML, EndometCA

HISTONE ACETYLATION READERS

BRD1 ALL
PBRM1 RenalCA, BrCA

HISTONE METHYLTRANSFERASES

MLL1 AML, ALL, TCC
MLL2 Medulloblastoma, RenalCA, DLBCL, FL
MLL3 Medulloblastoma, TCC, BrCA
SETD2 RenalCA, BrCA
EZH2 DLBCL, MDS, BrCA, ProstateCA, ALL

HISTONE DEMETHYLASES

JARID1A AML
JARID1C RenalCA
UTX AML, TCC, RenalCA, EsophagealCA, MM

HISTONE METHYLATION READERS

TRIM33 ThyroidCA
ING1 Melanoma, BrCA
ING4 HNSCC
MSH6 CRC

CHROMATIN REMODELERS

BRG1 LungCA, medulloblastoma, BrCA, ProstateCA, PanCA, HNSCC
BRM HNSCC
ARID1A OvCA, EndometCA, BrCA, RenalCA, CRC, GastricCA, medulloblastoma, TCC
ARID1B BrCA
BAF60A BrCA
ATRX Glioblastoma, PanNET
DAXX Glioblastoma, PanNET

HISTONES

H3.1 Glioblastoma
H3.3 Glioblastoma

ALL, Acute lymphoblastic leukemia; AML, acute myeloid leukemia; BrCA, breast carcinoma; CRC, colorectal carcinoma; DLBCL, diffuse large B-cell lymphoma; EndometCA, endometrial carcinoma; EsophagealCA, esophageal carcinoma; FL, follicular lymphoma; GastricCA, gastric carcinoma; HNSCC, head and neck squamous cell carcinoma; LungCA, lung carcinoma; MDS, myelodysplastic syndrome; MM, multiple myeloma; OvCA, ovarian carcinoma; PanCA, pancreatic carcinoma; PanNET, pancreatic neuroendocrine tumor; ProstateCA, prostate carcinoma; RenalCA, renal carcinoma; TCC, transitional cell carcinoma of the bladder; ThyroidCA, thyroid carcinoma.

Modified from the findings and literature cited in Dawson MA, Kouzarides T. Cancer epigenetics: from mechanism to therapy. Cell. 2012;150:12-27.

Помимо ДНК и гистоновых мутаций, гистоновые модификаторы, ответственные за считывание, записи и стирание гистоновых модификаци (напр., метилирование, ацетилирование), которые непосредственно влияют на экспрессию генов, часто оказываются мутантными при раках. Напр., EZH2, гистоновая methyltransferase, катализирующая репрессивную H3K27me3 гистоновую метку и субъединицу polycomb repressive complex 2 (PRC2), мутантна при диффузной крупной B-cell лимфоме и фолликулярной лимфоме. Активная мутация вызывает усиление активности methyltransferase, приводя к повышению триметилирования H3K27. Её противоположный аналог, KDM6A или UTX, который является H3K27 demethylase, часто мутирована в неактивную форму при разных типах рака, включая множественные миеломы и рак мочевого пузыря. Интересно, что как активирующие мутации EZH2, так и инактивирующие мутации KDM6A могут подвергуться целенаправленному терапевтическому воздействию EZH2 ингибиторов.^{39, 40} Кстати, многие др. гистоновые модификаторы, как было установлено, оказываются мутантными при разных типах рака, включая KMT2A (MLL1), KMT2C (MLL3), SETD2, KDM5C (JARID1C), CREBBP и EP300.

Ремодельеры хроматина могут вызывать скольжение (sliding), выброс или инсерции нуклеосом вдоль хроматина. Из 4-х основных классов ремодельеров хроматина, SWI/SNF комплекс охарактеризован лучше всего и в целом мутантен приблизительно в 20% всех раковых опухоей человека.⁴¹ Он содержит множество субъединиц, подразделенных на ферментативную, стерженвую и дополнительную субъединицы. Мутации в этих субъединицах могут быть орган-специфическими; напр., стержневая субъединица SMARCB1/SNF5 неизменно мутантна в rhaboid опухолях, мутации дополнительной субъединицы BAF180/PBRM1 часто обнаруживаются в clear cell renal cell carcinoma, а мутации BAF250/ARID1A обнаруживаются ovarian cell carcinoma в разных раках ЖКТ. В точности, как эти мутации вносят вклад в туморогенез, изучено недостаточно, но, скорее всего, они затрагивают или нарушают экспрессию связанных с раком генов. Недавние исследования показали, что, напр., SMARCB1, также известная как SNF5, INI1 и BAF47 стержневая субъединица комплекса неизменно инактивирована при детских rhabdoid опухолях, и как было установлено играет важную роль в целостности SWI/SNF комплексов, а её потеря затрагивает связывание энхансеров, особенно тех, что необходимы для дифференцировки. Более того, она поддерживает связывание супер-энхансеров, которые существенны для жизнеспособности rhabdoid опухолей⁴² Исследования у модельных животных ARID1A, наиболее частой субъединицы в комплексе,также показали, что она направляет на цель SWI/SNF комплексы на энхансеры, которые тесно работают с транскрипционными факторами, а её потеря нарушает энхансером опосредованную генную регуляцию, это запускает туморогенез рака толстой кишки.⁴³

Хотя недавнее крупно-масштабное секвенирование было сконцентрировано на кодирующих последовательностях генов, комбинированном секвенировании всего генома, DNA chip секвенировании и РНК секвенировании, были идентифицированы и охарактеризованы многие функционально значимые альтерации в некодирующих регионах ДНК, которые лежат в основе программ транскрипции, связанных с неаннотированными местами старта транскрипции.⁴⁴ Др. обнаруживают потери или избыток энхансеров в раках при сравнении дифференциальных H3K4me1Chip-seq уровней между опухолями и соотв.э нормальными тканями, что привело к идентификации вариантов энхансерных локусов контролирующих экспрессию генов. Недавно, установлено, что плотный кластер энхансеров, также известных как superenhancers или stretch энхансеры, играет важную роль не только клонировании и выборе качественных особенностей клеток, но и также раковом туморогенезе.⁴⁵ Раковые клетки могут приобретать супер-энхансеры, которые управляют экспрессией ключевых генов, связанных с раком посредством иных механизмов, использующих некодирующие цис-регуляторные регионы ДНК (Fig. 14.5). Один из механизмов использует соматический избыток сайтов связывания транскрипционных факторов или посредством мутаций или микроинсерций, которые могут влиять на силу промотора или индуцируют новые супер-энхансеры. В первом случае, две мутации одиночных нуклеотидов (C228T и C250T) в промоторе TERT генерируют идентичные в 11-bp участки нуклеотидов (5'-CCCCTTCCGGG-3'), служащие в качестве de novo сайтов связывания для ETS транскрипционного фактора, что приводит к усилению экспрессии TERT.^{46, 47} В последнем случае, в 12-bp межгенная инсерция в 3'UTR гена TAL1 создает новый сайт связывания MYB, по соседству с основными членами TAL1 комплекса, включая RUNX1, GATA3 и ETS1.⁴⁸ Др. механизм использует похищение (hijacking) энхансера, которое в основном осуществляется посредством хромосомных делеций или транслокаций, сводя соседние гены с активным супер-энхансером, как это продемонстрировано в случае GF1 генов при medulloblastoma.⁴⁹ В др. случаях дупликации энхансеров приводят к избыточной экспрессии как в сообщении.⁵⁰ Напр., две самостоятельные амплификации супер-энхансеров в 3' d MYC привели к избыточной экспрессии MYC в легочной аденокарциноме и карциноме эндометрия, соотв. Сходным образом, фокальная амплификация энханесера скорее, чем кодирующих регионов KLF5 была также описана при раке головы и шеи.⁵⁰ Наконец, удаление регуляторных границ, метящих места связывания инсуляторов (напр., CTCG и cohesion) могут приводить к распространению энхансера и усилению генной экспрессии.^{45, 51} Геномная делеция сайта связыания CTCF была найдена как причина избыточной экспрессии TAL1 и LMO2. Столь же важно гиперметилирование ДНК сайта связывания CTCF/cohesin , которое может нарушать связывание, приводя к расширению энхансера (spreading).⁵² Эти находки у некодирующих вариантов и их роль в туморогенезе привели к мнению, что многие из болезней связаны с риском single-nucleotide polymorphisms (SNPs) благодаряы находкам GWAS, которые в самом деле локализовали их в некодирующих регионах и они вносить существенный вклад в туморогенез.

Figure 14.5. Various mechanisms by which somatic changes in the noncoding regions can lead to activation of proto-oncogenes. (A) Mutations in the TERT promoter gene create a de novo binding site for ETS transcription factor. A 12-bp microinsertion in the 3? untranslated region (UTR) of TAL1 creates an MYB binding site and activates TAL1 transcriptions. (B) Chromosomal translocation places a superenhancer adjacent to GFI1B or its paralogue, GFI. (C) Focal amplification of superenhancer by copy number gain induces KLF5 overexpression. (D) Deletion of insulator element at CTCF/cohesion binding site causes the activation of TAL1 by its neighboring genes. (Modified from Yao X, Xing M, Ooi WF, Tan P, Teh BT. Epigenomic consequences of coding and noncoding driver mutations. Trends Cancer. 2016;2:585-605.)

Было установлено в последнюю декаду, что мРНК транскриптов и трансляция мРНК транскриптов в белки регулируется на высоком уровне с помощью нового класса коротких некодирующих РНК, т. наз. microRNAs (miRNAs). Зрелые формы miRNAs длиной в 20 - 24 нуклеотида и они возникают в результате последовательного расщепления с помощью нуклеаз Drosha и Dicer из длинных транскриптов предшественников, содержащих характерные шпилечные образования.⁵³ Распознавание транскриптов мишеней происходит принципиально благодаря соединению miRNAs своими 3' нетранслируемыми регионами (3'UTR). В зависимости от степени гомологии с последовательностью в их мишени, miRNAs вызывают репрессию трансляции или расщепление мРНК. Описано приблизительно 1000 miRNAs у человека и каждая miRNA может целенаправленно воздействовать на сотни, сообщще-то даже тысячу или более мРНК.⁵³ Эта способность делает возможной значительную комбинационную сложность и функциональную избыточность, делая идентификацию специфических функций miRNAs и их участие в онкогеных или опухолевых супрессивных сетях, затруднительной. Тот факт, что miRNAs действуют посредством спаривания оснований miRNA с 3'UTR, также указывает на то, что альтерации как последовательностей miRNA , так и miRNA мишеней могут иметь функциональные последствия.

Несколько линий доказательств делают очень вероятным, что miRNAs играют роль в возникновении рака. Напр., глобальное подавление продукции miRNA может облегчать приобретение неопластического фенотипа в первичных клетках мышей, подтверждая, что суммарное воздействие miRNAs в целом может оказать эффект супрессии опухоли.⁵⁴ Локализация в геноме многих miRNAs картируется вблизи наиболее распространенных точек разрывов хромосом при раке. В большинстве случаев, однако, всё ещё неясно действительно ли miRNAs участвуют в предоставлении избирательных преимуществ, получаемых с помощью этих транслокаций, или действительно miRNAs по др. причинам локализуются в регионах с высокой ломкостью генома.⁵⁵ Тщательный анализ паттерна экспрессии miRNA при раке у людей выявил, что разные типы рака имеют самостоятельные паттерны экспрессии miRNA. Фактически, во многих примерах паттерны экспрессии miRNA д. быть очень точными при детерминации источника ткани, чем профили экспрессии мРНК.⁵⁶ Подобно ситуации с белок-кодирующими генами, в большиснтсве случаев остается неясным, какие изменения в экспрессии являются причинными и какие являются результатом возникновения опухоли.⁵⁷

Некоторые miRNAs, по-видимому, играют роль как часть классических опухоль супрессирующих или онкогенных путей сигнальной трансдукции. Локус miRNA17-92 был описан как прямая транскрипционная мишень для онкогенов c-MYC и E2F.⁵⁸ Этот полицистронный локус кодирует 7 miRNAs и, как было установлено, геномно амплифицируется и избыточно экспрессируется в некоторых B-клеточных лимфомах и раке легких у людей. Когда он избыточно экспрессируется, то он может кооперироваться с c-MYC, чтобы ускорить развитие лимфомы в мышиной модельной системе. Кроме того, miRNA372 и miRNA373 выступают в качестве онкогенов в возникновении опухолей зародышевых клеток, по крайней мере, частично путем инактивации пути p53 опухолевого супрессора.⁵⁹ miRNA10a, как полагают, является движущей силой метастатической прогрессии в клеточной линии рака молочных желез.60

Члены семейства let-7 miRNAs, как полагают, выступают как гены опухолевых супрессоров рака легких, предположительно, благодаря свой способности подавлять трансляцию KRAS и HMGA2 онкогенов.⁶¹ Члены семейства miRNA34, как было установлено, являются непосредственными транскрипционными мишенями для p53 гена опухолевого супрессора и могут играть существенную роль в обеспечении нижестоящей функциональной активности p53 при некоторых состояниях.⁶²

Long noncoding RNAs (lncRNAs) представляют собой др. важный класс некодирующих РНК в патогенезе опухолей.⁶³ lncRNAs определяются как группа РНК длиной более 200 нуклеотидов, которая не кодирует белок. Принимая во внимание пределы возможных вариацией, многие субклассы lncRNAs, как полагают, чаще всего базируются на их локализации и ориентации относительно др. транскрибируемых генов по соседству с их распложением на хросоме. Имеется множество косвенных доказательств, базирующихся в основном на данных по экспрессии, участия многих разных lncRNAs в возникновении и прогрессировании рака.⁶³ По большей части, относительно мало функциональных доступных данных, которые определенно указывают на участие определенных lncRNAs в возникновении или прогрессировании рака. Учитывая современные неопределенности о том, какие lncRNAs выполняют критические функциональные роли в развитии рака, вместо этого подчеркиваются некоторые генеральные концепции. lncRNAs могут действовать разными способами, чтобы регулировать экспрессию разных клеточных генов, таких как служащих для для поддержания каркаса хроматина регуляторных факторов, которые регулируют гены вблизи локусов lncRNA и/или генов в др. местах хрмосом. Др. lncRNAs могут содержать различные сайты связывания miRNA и могут функционально конкурировать с др. транскриптами кодирующих регионов для связывания определенных miRNAs, тем самым действуя в некоторых устройствах, чтобы весьма драматически моделировать уровни и способности эндогенных miRNAs, чтобы регулировать транскрипты определенных прото-онкогенов и генов опухолевых супрессоров. Др. функции lncRNAs при раке остаются неизвестнымии нуждающимися в доказательствах, но вполне возможно, что существует множество структур, которые принимают РНК, и каталитические функции определенных РНК, при которых lncRNAs могут иметь довольно широкий набор биохимическийх функций при раке.

Характерные признаки олбнаруживаются у большинства раковых опухолей, такие как генетическая нестабильностть, включая высокие скорости локальных точечных мутаций или небольших инсерций и делеций у ряда раковых опухолей и хромосомную нестабильность в крупных фракциях у большинства различных типов раковых опухолей.⁶⁴ Хромосомная нестабильность включает численные аномалии (анеуплоидии), а также простые и сложные структурные аномалии. Существенный прогресс был достигнут в определении некоторыех факторов и механизмао, которые вносят вклад в генетическую нестаблиность при раках у людей.

Приблизительно 2% - 4% CRCs возникает у лиц с hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC), семейным раковым синдромом, приписываемым мутациям зародышевой линии в одном из аллелей гена MMR (see Table 14.2; напр., MSH2, MLH1 и MSH6).⁶⁵ CRCs возникают у лиц с HNPCC в значительной части как результат соматической инактивации оставшегося аллеля MMR дикого типа у затронутых индвидов с HNPCC. Раковые клетки обнаруживают заметно повышенные частоты точечных мутаций и небольших инсерций и делейий из-за нарушения функции MMR, что отражается в виде фенотипа т.наз. high-frequency microsatellite instability (MSI-H).⁶⁵ При др. типах рака, возникающих у индивидов и в семьях с HNPCC, таких как рак яичников, эндометрия и желудка, обнаруживается сходный MSI-H фенотип. В присутствии HNPCC, по-видимому, будет возникать более быстрое прогрессирование опухолей из инициированных клонов с четкой злокачественностью как результат MMR-дефектного mutator фенотипа. В дополнение к HNPCC CRCs, около 10% - 12% кажущихся спорадическими CRCs обнаруживают MSI-H фенотип, а эпигенетическое замалчивание MLH1 с помощью гиперметилирования ДНК промоторного региона и вообще-то др. модификаций хроматина играет критиче кую роль в этих спорадических MSI-H CRC случаях.⁶⁵

Базируясь на результатах анализа недавнего секвенирования последовательностей ДНК в раковых опухолях человека, было установлено, что от сотен до тысяч локальных мутаций может быть обнаружено в большинстве первичных раков, хотя специфические факторы и механизмы, ответственные за mutator фенотипы в большинтве этих раковых опухолей, ещё предстоит определить.²⁰ Возможные механизмы включают мутации и альтерации ДНК полимераз, вызывающие аномальную экспрессию альтернативных спеицализированных ДНК полимераз, известных как ranslesional полимеразы.⁶⁶

Функциональные исследования культивируемых раковых клеток и мышей предсоставляют довольно широкий спект механизмов, которые могут вносить вклад в многочисленные хромосомные аномалии и в ассоциированный с этим фенотип хромосомной нестабильности (chromosomal instability, CIN) при раке. Такие хромосомные аномалии включают дефекты митотических checkpoint, модификации хроматина и дефекты расхождения хромосом, обусловленные аномалиями центросом и др. влхзможностями, такими как нарушения слипчивости сестринских хроматид.⁶⁷ По большей части, хотя мутации в немногих генах, которые могут вносить вклад в хромосомную нестабильность, описаны, фенотип CIN у огромного большинства раковых опухолей человека остается необъяснимым. Недавно было показано, что X-хромосомный ген STAG2, кодирующий субъединицу комплекса разделения сестринских хроматид, мутирован у значительного субнабора меланом, глиобластом и Ewing сарком и что инактивация, STAG2 может способствовать анеуплоидии в культивируемых клетках.⁶⁸ Эти находки подчеркивают возможность того, что будущие исследования STAG2, белков, взаимодействующих со STAG2, и др. белков, которые участвуют в регуляции собственно сегрегации хромосом при митозах, это могло бы пролить больше информации на молекулярные основы фенотипа CIN.

Структурные хромосомные альтерации широко распространенны в некоторых типах и являются результатом разрывов двойной нити ДНК и негомологичного соединения концов, генерирующего делеции, инверсии и транслокации, при этом биологическая селекция действует на варианты клеток со структурными альтерациями. Когда структурные аномалии активируют и/или инактивируют ген или гены , это приводит к более мощной пролиферации и жизнеспособности, а клетки, несущие данную структурную аномалию, позитивно селектируются во время развития рака.Тот факт, что определнные структурные альтерации возникают повторно при раке строго подтверждлает эту концепцию. Часто определенные структурные хромосомные альтерации при раке рассматриваются как довольно прямолинейные, приводящие к рекомбинации noncontiguous последовательностей, иногда сопровождаемые делециями. Однако, недавнее исследование показало, что chromotripsis драматически разрушает хромосомы или хромосомы и рекомбинации фрагментов с частотами в 2% - 3% всех раков и что определенные раковые опухоли, такие как остеосаркомы, обнаруживают их в 25% случаев.⁶⁹ Chromotripsis может представлять собой др. mutator механизм, поскольку он делает возможными множественные генетические аномалии и селектируется скорее конкурентно, чем последовательно.

Потенциальные вклады генных эффектов в измененные фенотипы раковых клеток наводят на некоторые размышления на то, как рассматривать роль генных дефектов в патогенезе рака. Напр., термин такой как gatekeeperи caretaker используются для классификации вкладов генов в развитие рака.⁷⁰ "Gatekeeper" гены, как полагают, являются генами, которые играют особенно критическую роль в регуляции клеточной пролиферации и подавлении развития рака в определенных тканях, такие как ген APC при CRC; функция генов опухолевых супрессоров д. преодолевать раки, возникающие в данной ткани или органе.⁷⁰ "Caretakers" д. в целом определять гены, которые не играют непосредственной роли в контроле роста, а скорее играют важные роли в ряде тканей для поддержания безукоризненной точности генома благодаря своей роли в процессах распознавания и репарации ДНК. Гены MLH1 и MSH2 MMR , как полагают, представляют собоей caretaker гены,⁷⁰ и некоторые исследователи полагают, что вообще-то гены BRCA1 и BRCA2 также представляют собой caretaker гены.⁷¹

Использование терминов, таких как gatekeeper и caretaker может иметь определенные преимущества. Учитывая очевидную важную роль дефектов генов "gatekeeper" при раке, который возникае в разных органах, но в совершенно разное время дефекты генов "gatekeeper" действуют в натуральной истории одного типа рака в противовес другому, термин gatekeeper может больше запутывать, чем высвечивать. В случае некоторых предполагаемых "caretaker" генов, эти гены могут играть не пассивную роль в процессе канцерогенеза, которая им приписывается. Это мнение базируется на 3-х линиях аргументов : (1) очевидная тканеспецифичность опухолей, которые вознкают у лиц, обладающих мутациями зародышевой линии в "caretaker" генах, таких как у лиц, затронутых мутациями HNPCC и зародышевой линии MLH1 или MSH2⁷²; (2) довольно изменчиво время в развитии рака, когда "caretaker" мутации могут возникать от одной опухоли к следующей, так при спорадических опухолях толстого кишечника не обычно проявление инактивации MMR гена и MSI вплоть до стадии карциномы, несмотря на тот факт, что аденомы у лиц с HNPCC часто обнаруживают MSI-H73, ⁷⁴; и (3) доказано, что "caretaker" гены действительно могут играть ключевые роли в регуляции клеточной пролиферации и способствовать апоптозу в определенных контекстах.56

В целом, лица, обладающие мутациями в зародышевой линии, в специфических генах супрессоров опухолей или прото-онкогенов, предрасположены к очень ограниченному спектру типов рака. Это наблюдение является неожиданным по ряду причин. Большинство генов, которые затрагиваются мутациями зародышевой линии при специфических наследуемых синдромах рака являются довольно повсеместно экспрессирующимися в тканях взрослых. Более того, для ряда генов опухолевых супрессоров, мутации часто обнаруживают инактивацию гена среди довольно широкой коллекции спорадических типов рака, которые обычно возникают у носителей мутаций в зародышевой линии. Дети, несущие мутацию в зародышевой линии в гене RB1, обнаруживают очень высокий риск возникновения ретинобластомы и более скромный риск возникновения остеосаркомы, но не наблюдается драматического увеличения риска для более распространенных раковых опухолей взрослых. Все же соматические дефекты в RB1 были обнаружены и, по-видимому, они являются критическими для возникновения многих разных типов раков, таких как small cell lung карциномы, при которых огромное большинство имеют дефекты pRb.^{27, 75}

Существуют возможные объяснения этих неожиданных наблюдений. Напр., в то время как pRb может играть существенную роль в регуляции пролиферации клеток ретинобсластомы и/или дифференцировки в др. тканях, таких как легкие или эпителиальные клетки молочных желез, pRb может оказывать дополнительную роль в контроле роста, вообще-то благодаря вкладу связанных с pRb белков, таких как p107 и p130.²¹ При таком сценарии, инактивация RB1 в большинстве типов клеток может не способствовать неопластическому росту до тех пор, пока др. дефекты, такие как те, что в связанных с pRb белках, также не появятся. Альтернативная и столь же вероятная возможность заключается в том, что соматическая инактивация pRb может запускать апоптоз во многих типах клеток независимо от дефектов в др. соматических генах, возникших ранее и эти иные дефекты вмешиваются в способность клеток подвергаться апоптозу после нарушения функции RB1. Доказательство, что инактивация pRb может действовать контекст-зависимым способом, чтобы способствовать апоптозу в противположность неопластической трансформации , были получены.^{76, 77} Тканеспецифичность рака, которая наблюдается у лиц, несущих мутации в зародышевой линии в наследуемых раковых генах, не ограничивается случаем с pRb. Мутации p53 зародышевой линии вызывают предрасположенность к остеосаркоме, саркоме мягких тканей, лейкемии, опуходя головного мозга и раку молочных желез у женщин, а мутации CDKN2A зародышевой линии вызывают предрасположенность преимущественно к меланоме и раку поджелудочной железы.²⁶ Несмотря на относительно ограниченный спектр типов раков, которые обнаруживаются у людей, несущих мутациии зародышевой линии в p53 или CDKN2A, гены p53 и p16INK4a очень часто изменены при раке у людей, при этом каждый из генов оказывается инактивированным вплоть до 35% - 50% в разных спорадических типах рака.

Некоторые гены с выдающейся ролью в возникновении разнообразных типов рака иногда предположительно обнаруживают важные singular функции в процессе канцерогенеза, несмотря на данные, указывающие на другое. Напр., белок E-cadherin играет важную роль в межклеточной адгезии благодаря способности своего внеклеточного домена формировать адгезивные взаимодействия с E-cadherin молекулами на противоположной клеточной поверхности и способности E-cadherin цитоплазматического домена соединяться с актином кортикального цитоскелета посредством взаимодействий с catenin белками на плазматической мембране.⁷⁸ Ранние функциональные исследования подтвердили, что восстановление E-cadherin в раковых клетках, которые имеют дефекты эндогенного E-cadherin, сталкиваются с инвазивными свойствами раковых клеток in vitro.⁷⁹ Вообще-то, по бюольшей части благодаря этим наблюдениям, потеря экспрессии E-cadherin при раке часто приписывает этому роль в обеспечении инвазивного поведения продвинутых раковых клеток. Хотя потеря функции E-cadherin может и самом деле вносить вклад в инвазивное поведение в раковых опухолей in vivo, но необходимо учитывать, что дефекты в E-cadherin могут фактически играть самостоятельную роль в нарушениях клеточного роста в процессе очень ранней неопластической трансформации в некоторых типах опухолей, таких как карциномы желудка, которые возникают у пациентов, несущих мутации E-cadherin.⁸⁰

Дополнительные примеры контекст-зависимых эффектов мутаций при раке представлены здесь, в надежде подчеркнуть некоторые потенциальные затруднения в однозначном определении определенных генов, таких как мишени онкогенов или мишени генов опухолевых супрессоров в развитии рака. Ген p53 является одним из таких примеров. Как ранее было показано, дикого типа p53 белок является регулятором транскрипции, который мутирует приблизительно в 50% от всех раковых опухолей. Большинство мутаций являются потерей функции дикого типа p53 как регулятора транскрипции, благодаря тому, что мутантный p53 белок теряет сиквенс=-специфическую активность связывания ДНК и/или неправильно укладывает белок.⁷ Однако, более 75% мутаций p53 в раковых опухолях человека приводят к экспрессии мутантного p53 белка, который обладает онкогенной активностью, независимой от его способности доминантно взаимодействовать (interfere) с p53 дикого типа.⁷ Хотя свойства избыточности функции мутантного p53 при раке ясны, лежащие в основе механизмы онкогенной активности мутантного p53 сложны и, скорее всего, варьируют в зависимости от определенного мутантного p53 белка и клеточного контекста.⁷ Вторым примером является ген NOTCH1, который редко будучи мутантно активированным с помощью транслокаций в T-клетках при острой лимфобластической лейкемии (T-ALL) и более часто активируется при T-ALL с помощью локальных мутаций в juxtamembrane домене, это позволяет мутантному NOTCH1 белку быть активированным лиганд-зависимым способом или с помощью мутаций в цитоплазматическом домене, это приводит к повышению стабильности расщепленного цитоплазматического домена в NOTCH1.⁸¹ В противоположность мутациям с избыточностью функции в NOTCH1 при T-ALL, исследования последовательностей при head and neck squamous cell carcinomas (HNSCCs) показали, что NOTCH1 обладают разными инактивирующими мутациями, включая nonsense и frameshift мутации, прилизительно в 10% - 17% первичных HNSCCs.⁸¹ Базируясь на хорошо известной функции белков NOTCH, чтобы регулировать выбор судеб клетками во время развития и в тканях взрослых, вообще-то неудивительно, что NOTCH1 может функционировать как онкоген, когда активируется в некоторых контекстах и как ген опухолевого супрессора, когда инактивируется в др. контекстах.⁸¹

Идентификация генетических и эпигенетических дефектов, вносящих вклад в раковые опухоли, привлекли большое внимание клиницистов. Как уже отмечалось, очень большой и разнообраный набор мутаций в онкогенах и генах опухолевых супрессоров, а также эпигенетических изменений лежат в основе разных форм рака. Однако, поскольку определенные мутации и эпигенетические изменения или в отдельности или совместно возникают преимущественно и иногда даже уникально ассоциированы с определенными типами рака, молекулярный анализ раковых опухолей и биоптатов, скорее всего, является важным дополнительным подходом в области диагностики раковых опухолей. Для многих гематологических злокачественных и для субнабора солидных опухолей, молекулярный анализ уже служит важную роль в области диагностики, напр., чтобы различать субнаборы опухолей, которые проявляются одинаково или имеют перекрывающуюся гистологию или чтобы диагностировать первичный орган при неорпделенности метастазов. Кажется вполне вероятным, что подходы к диагностиике рака, которые используют молекулярное описание будут расширяться. Более того, базируясь на недавних сообщениях, что ДНК, происходящая из свободных от клеток опухолей, может позволить определять в плазме пациентов с раком и изменения количества копий вместе со специфическими изменениями нуклеотидов, с помощью обстоятельных подходов секвенирования,^{82, 83} , скорее всего, молекулярное исследование плазмы и/или др. жидкостей тела смогут улучшить информацию и оценить рецидивы у пациентов с солидными опухолями после хирургии, облучнеия и/или химиотерапии. В самом деле, недавние исследования подтвердили, что молекулярные исследования циркулирующей ДНК в плазме, происходящей из опухоли, можгут быть пригодными для идентификации раковых клеток, устойчивых к лекарствам даже до инициации терапии.⁸⁴

Гены и белковые продукты, которые повторно изменяются мутациями и/или эпигенетическими дефектами в раковых опухолях человека, наиболее вероятно являются особенно критическими хабами в путях и сетях, регулирующих рост, дифференцировку и запрограммированную гибель клеток. Следовательно, попытки целенаправленно воздействовать на определенные белки и пути с кажущейся центральной ролью в патогенезе определенных типов рака смогут, по-видимому, лказывать потенциально широкое влияние. Успехи целенаправленной терапии, такой как ингибиторы EGFR при EGFR-mutant non-small cell lung раке⁸⁵ и как ALK ингибиторы при раке легких с транслокациями, активирующими ALK86 подтверждают мнение о целенаправленном воздействии критического драйвера на окногенные дефекты при раке, несмотря на тот факт, что некоторые из этих пациентов могут развивать резистентность.

Несмотря на определнные успехи, остаются существенные проблемы с новой и специфической терапией. В частности, в ряде случаев с драматическими инициальными реакциями на одиночне агенты, нацеленные на специфические драйверы онкогенных нарушений, устойчивость к лекарствам и возобновление прогрессирование рака происходят. При определенных др. типах рака, несущих те же самые драйверы онкогенных повреждений, таких как BRAF-мутантные CRCs, раковые опухоли обнаруживают мало, если вообще какие-нибудь реакции на целевые агенты.⁸⁷ Др. вопрос связан с количеством специфических сигнальных путей, которые широко нарушаются при раке, это может создавать трудности по определению действительных чувствительных к терапии мишеней. Напр., в случае p53 пути, неясно насколько эффективно должен действовать p53, чтобы функция могла быть восстановлена для белков, несущих missense замены, которые инактивирую активность опухолевого супрессора p53 и вообще-то также генерируют онкогенные p53 с избыточной функцией мутантов. В случае рака с мутациями, приводящими к нарушению регуляции β-catenin, потенциальной целью могут быть агенты, которые специфически вмешиваются в ядерную функцию β-catenin по активации транскрипции β-catenin/TCF-регулируемых генов мишеней. Учитывая довольно ограниченный эффект, кстати, в определении малых молекул, которые специфически затрагивают комплексы транскрипционных факторов, может оказаться затруднительным целенаправлено воздейстовать на β-catenin посредством обычных фармакологических подходов. Сходные проблемы обычно возникают относительно ценности попыток специфически воздействовать на др. ядерные белки и транскрипционные факторы, которые дерегулировали бы раковые клетки. С усилением понимания роли биологии хроматина и его роли в туморогенезе, мы можем стать свидетелями увеличения количества связанных с хроматином и эпигенетических лекарств, разрабатываемых для лечения рака.