2.1.13. Утверждение Варбурга о повышенной потенциальной способности опухоли к гликолизу

считается достоверным, однако, единого мнения относительно механизма этого феномена, взаимоотношений гликолиза и дыхания до сих пор нет. Прежде всего, это относится к оценке значимости эффекта Пастера в понимании энергетических особенностей опухолевой клетки.

По данным других исследований, низкие значения эффекта Пастера в опухолевых клетках обусловлены главным образом недостаточной активнос-тью окислительного фосфорилирования. Такое мнение кажется логичным, если учесть, что в основе эффекта Пастера лежат механизмы аллостерического ингибирования фосфофруктокиназы ATP и гексокиназы глюкозо-6-фосфатом (Богацкая, 1968). Снижение же уровня ATP в трансформированных и опухолевых клетках должно ослаблять эффект Пастера и повышать активность указанных ферментов гликолиза. К подобному выводу пришли, по существу, и Хайнрих с соавт. (1980), изучавшие механизм эффекта Пастера с помощью математической модели углеводного обмена. Исследуя на модели взаимодействие гликолиза, цикла Кребса и Н-транспортных челноков при изменениях скоростей окислительного фосфорилирования и нагрузки ATP-азы, они показали, что механизм пастеровского эффекта базируется на действии в углеводном обмене двух отрицательных обратных связей: в гликолизе – по уровню ATP, в цикле Кребса и Н-транспортных челноках – по уровню митохондриального NADH.

Логика указанных изменений в энергетике опухолевых клеток принципи-пиально, по-видимому, не отличается от таковых в нормальных клетках, если последние оказываются в состоянии слабой утилизации О2 из-за его недостаточности (фактическая гипоксия) или же только из-за дефектов в дыхательной цепи митохондрий (фиктивная внутриклеточная гипоксия). В этом отношении интересны результаты математического моделирования биоэнергетики в различных тканях человека, полученные с учётом динамического баланса глико-гена, глюкозы, пирувата, лактата, О2, СО2 и ряда других субстратов. Обращено внимание на то, что, в соответствии с моделью, незначительное снижение потребления О2 мышечной тканью резко увеличивает накопление лактата. Метаболизм лактата прямо не зависит от концентрации О2 в ткани, но косвенно регулируется процессами, связанными с потреблением О2, путём изменения соотношений ADP/ATP и NADH/NAD (Cabrera et al., 1998).

Несколько неожиданным механизмом, возможно, имеющим отношение к повышению уровня аэробного гликолиза в клетках активно растущих участков опухоли, может оказаться ранее неизвестный эффект – зависимость скорости катализируемой лактатдегидрогеназной реакции

ЛДГ

Пируват Na + NADH L-лактат Na + NAD+

от концентрации растворённого в реакционной смеси О2 воздуха (Мостовиков и др., 1991). Авторы этой работы, опираясь на литературные данные о повышенном сродстве О2 к молекулам NADH и возможном образовании комплекса молекул О2 с NADH, показали, что указанный эффект действительно обуслов-лен образованием комплекса динуклеотида с молекулами О2, причём индуцируемые молекулярным О2 изменения носят обратимый характер.

Высокий уровень гликолиза в клетках неоплазмы может быть связан со смещением регуляции активности гексокиназы и фосфофруктокиназы, осущес-твляемой по механизму «фосфорилирование – дефосфорилирование». Опыты на белых крысах показали, что в норме реализация механизма происходит через изменение в тканях концентрации сАМР под влиянием адаптивных гормонов, активацию соответствующих сАМР-зависимых протеинкиназ, фосфорилирование гексокиназы и снижение её активности, причём этому процессу подвергаются только изоферменты 2 и 3 гексокиназы (Панин и др., 1981). Аналогичная ситуация складывается, по-видимому, и в случае другого гликолитического фермента фосфофруктокиназы. В гепатоцитах сытых крыс дибутирил-сАМР снижает активность фосфофруктокиназы, не влияя на активность противоположно действующего фермента фруктозодифосфатазы, ингибирует аэробный гликолиз и потребление глюкозы (Ochs, Harris, 1980).

Снижение активности фосфофруктокиназы в результате сАМР-зависимого её фосфорилирования и подавление гликолитического процесса отмечаются также в ряде других работ (Курганов, 1986).

Эти соображения с учётом положений развиваемой нами концепции кан-церогенеза и перепрограммирования экспресссии генов позволяют считать: высокий уровень гликолиза в активно растущих зонах неоплазмы – результат одновременно нескольких связанных с малигнизацией событий, значимость которых в процессе возникновения и развития опухоли изменяется. На самых ранних этапах канцерогенеза существенной представляется роль пониженного дыхания и ослабленного эффекта Пастера, а позже эти факторы тем более не способны противодействовать интенсивному гликолизу. Последний опирается теперь на новую мощную «материальную» базу – перераспределённый изозимный состав ферментов энергетического обмена с увеличенным синтезом некоторых изоферментов гликолиза (гексокиназы и других фосфокиназ) за счёт повышения экспрессии генов, кодирующих эти изоферменты (Gellerich et al., 1995). С данных позиций интенсивность гликолиза и количество ключевых гликолитических ферментов коррелируют с интенсивностью роста опухоли потому, что они определяют этот рост, закономерно проявляясь при наличии глюкозы и переходе клетки в состояние пролиферации – условия, обязательного для развития канцерогенеза.

Ещё один вариант механизма интенсификации гликолиза возможен в связи с данными о стимуляции глюкозой in vivo и in vitro на транскрипционном уровне экспрессии гена переносчика глюкозы в клетках гепатомы мыши и в первичных культурах гепатоцитов крыс. Особенно привлекателен тот факт, что дибутирил-сАМР подавлял в этих клетках индуцированное глюкозой само-обеспечение путём накопления мРНК переносчика глюкозы (Rencurel et al., 1997). Такой принцип саморегуляции гомеостаза глюкозы, реализуемый, по-видимому, и с участием эндогенного сАМР, может способствовать в условиях опухолевой клетки установлению избыточного прогликолизного состояния. Причина – низкое содержание в них сАМР, снятие запрета на синтез мРНК переносчика глюкозы и соответственно ограничений на доставку этого суб-страта для гликолиза.

Интенсивный гликолиз, в свою очередь, ингибирует дыхание опухолевых клеток. Это характерное их свойство также не специфично только для них (Шапот, 1975). В указанном смысле эффект Кребтри то же «работает» на поддержание внутриклеточной гипероксии и пероксидации, а искусственно создаваемая гипергликемия может усугубить это состояние и тем самым избирательно повысить чувствительность опухолевых клеток к различным воздействиям (облучению, гипертермии и др.). Что же касается биологического значения эффекта Кребтри и внутриклеточных механизмов его реализации, то они остаются пока неясными. По мнению Евтодиенко и Тепловой (1996), «в присутствии глюкозы в быстро пролиферирующих нормальных и опухолевых клетках срабатывают специальные регуляторные механизмы, обеспечивающие нужное соотношение активностей систем гликолиза и окислительного фосфорилирования», при этом основным внутриклеточным сигналом, регулирующим это соотношение, считают увеличение в цитозоле клеток концентрации ионов Са2+.

В представленной модели просматривается, на наш взгляд, алогичность некоторых функциональных связей. Так, существуют данные об аккумуляции Са2+ в матриксе митохондрий, механизм которой зависит от окислительного фосфорилирования и разности потенциалов на их внутренней мембране (Владимиров, 1987), где эти ионы активируют дегидрогеназы, способствуя повышенной поставке NADH в дыхательную цепь и интенсивной продукции ATP. Тем самым обеспечивается работа и самого указанного потенциалозависимого механизма. В опухолевой клетке в связи с относительно низкой активностью окислительного фосфорилирования эффект накопления Са2+ в матриксе митохондрий должен быть незначительным. Авторы же упомянутого выше «неконкурентного, Са2+-механизма» эффекта Кребтри полагают, что, наоборот, в митохондриях опухолевых клеток содержание Са2+ повышается. Это положение не согласуется также с хорошо известной независимостью пролиферативных свойств клеток неоплазмы от Са2+ (см. п. 2.1.9). Для прояснения здесь ситуации необходима дополнительная информация.

Наконец, как представляется нам, вклад в развитие эффекта Кребтри может внести фермент гликолиза пируваткиназа, если она действительно способна подавлять полимеризацию тубулина и вызывать частичную разборку стабилизированных таксолом микротрубочек с образованием большого количества нитчатых тубулиновых олигомеров (Vertessy et al., 1999). Со свойством пиру-ваткиназы и некоторых других соединений дестабилизировать микротрубочки мы связываем нарушение внутри клеток транспортных путей, роль которых, как известно, выполняют в норме элементы целостного цитоскелета, в частно-сти, сеть микротрубочек. Следствием этого нарушения должна быть дезорга-низованность в локализации и функционировании митохондрий, пероксисом и других органелл, ранее прикреплённых к микротрубочкам. Прежде и более всего, возникают трудности с устойчивой адресной доставкой к митохондриям О2 и субстратов окисления, соответственно лимитируются окислительное фосфорилирование, а внутриклеточное рО2 повышается из-за слабой утилизации поступившего в клетку О2. В опухолевых клетках эти изменения с участием пируваткиназы происходят, вероятно, легче, так как у них цитоскелет частично уже дестабилизирован. Приведённые соображения о связи между степенью потребления О2 митохондриями и эффективностью окислительного фосфорилирования, с одной стороны, и состоянием микротрубочек, с другой, привлекаются нами для объяснения и ряда других существенных проявлений в клетке (см. п. 1.7.1.4, 1.7.3.2, 2.3.5, 4.2.4 и 7.1.8).

2.1.14. Противоположно направленные изменения гликолиза и дыхания реализуются, скорее всего, в митохондриях. Но место локализации процесса гликолиза достоверно не выяснено. Гексокиназа, например, располагается или в цитозоле, или на внешней мембране митохондрий, причём свободная гексокиназа и другие гликолитические ферменты в цитозоле более характерны для нормальных клеток, а связанная с митохондриями гексокиназа – для неопластических. Именно такое различие было в своё время выявлено в клетках печени и гепатомы, причём быстрорастущие гепатомы содержали больше связанной с митохондриями гексокиназы, чем медленнорастущие (Гобеев, Хрипач, 1976). Эти давние факты увеличения связывания гексокиназ с митохондриями опухолевых клеток и возрастания активности этих ферментов подтверждены недавно на примере больных раком печени и некоторых других органов (Smith, 2000). На поверхности наружной мембраны митохондрий гексокиназа ассоциирована с порином – белком с мол. м. 30 кД, образующим в этой мембране поры диаметром 2 нм. Этому связыванию отводят центральную роль в регулировании гликолиза и обмена метаболитов между окислительным и гликолитическим путями преобразования энергии (Nelson, Kabir, 1986). Кроме того, существует мнение о том, что мембраносвязанный тубулин является частью пор с временной проницаемостью митохондрий и (или) что присоединение последних к сети микротрубочек важно для регуляции указанных пор. Антитубулины (колхицин и др.) предотвращают закрывание чувствительных к циклоспорину А пор, не влияя на окислительное фосфорилирование (Evtodienko et al., 1996).

Молекулярные механизмы, регулирующие процессы ассоциации и диссоциации гексокиназы с митохондриями, остаются пока неизвестными. Каким-то образом они сопряжены с состоянием цитоскелета. Последний можно рассматривать как упорядоченную систему транспортных линий, вдоль которых митохондрии могут передвигаться и вступать в контакт с другими мембранными системами и макромолекулами. Сейчас известно, что транспортная функция вдоль микротрубочек и актиновых волокон обеспечивается специальными моторными белками – кинезином и динеином, которые, являясь механоферментами (АТРазами), преобразовывают химическую энергию АТР в механическую для движения органелл по стационарным микротрубочкам и актиновым филаментам (Васильев, 1996; Rogers, Gelfand, 2000).

Микротрубочки и микрофиламенты служат также матриксом для упоря-доченного расположения ряда ферментов гликолиза. Последние могут, как и в некоторых микроорганизмах, образовывать полиферментные комплексы (гликолитические метаболоны). Один из ферментов гликолиза, по гипотезе Курганова (1985, 1986а), адсорбируется на определённой внутриклеточной структуре (вероятно, на актиновых нитях), после чего на этом ферменте происходит сборка в единое целое остальных компонентов гликолитической цепи. По другой более давней информации (Baum et al., 1966), в интактной клетке ферменты гликолиза, организованные в компактные мультиэнзимные комплексы, упорядоченно расположены вдоль мембран эндоплазматической сети. А для случая эритроцитов предложена гипотетическая структура комплекса ферментов гликолиза, формирующегося на внутренней поверхности мембраны этих клеток и содержащего тройной набор гликолитических ферментов (Курганов, Любаров, 1988). Компоновка метаболона здесь начинается с посадки 6-фосфофруктоки-назы – самого большого по размерам гликолитического фермента, причём первый фермент гликолитического пути гексокиназа не входит в этот комплекс.

Существует, однако, представление о том, что комплекс гликолитических ферментов компартментализуется не целиком, отдельными составляющими его частями, каждая из которых прикрепляется к структурному компоненту клетки и функционирует относительно самостоятельно, без жесткой взаимосвязи между ними (Муронец, Наградова, 1990). Например, цепь гликолитических ферментов может быть подразделена на 4 сегмента (Masters et al., 1987). Первый из них, состоящий из гексокиназы, глюкозофосфатизомеразы и фосфофруктоки-назы, локализован, вероятно, поблизости от митохондрий, что может достигаться или адсорбцией гексокиназы на митохондриях, или адсорбцией фосфо-фруктокиназы на расположенных близко к ним актиновых нитях. Компартментализация остальных сегментов на структурных элементах также реализуется связыванием с ними конкретных ферментов: альдолазы и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы во 2-ом сегменте, пируваткиназы и лактатдегидрогеназы соответственно в 3-ем и 4-ом сегментах (см. Муронец, Наградова, 1990).

При известной дестабилизации элементов цитоскелета, как в случае трансформированной и опухолевой клеток (см. п. 2.3.4), указанная пространственно разобщённая организация процесса гликолиза будет, очевидно, нарушена, и эффективность этого процесса изменится. В какую же сторону? Один из вероятных исходов здесь может быть таким: разобщённые до этого сегменты гликолитической цепи получают теперь возможность стыковаться в единый комплекс и способствовать тем самым интенсификации гликолиза. Не исключено поэтому, что повышенный уровень гликолиза в ростстимулированных и, особенно, опухолевых клетках при снижении в них митохондриального дыхания, синтеза АТР, сАМР и возрастании ПОЛ связан также с дезорганизацией пучков микрофиламентов и микротрубочек. По-видимому, эти изменения имеют прямое отношение к тому, что отмечали Васильев и Гельфанд (1981): «На ранних стадиях процессов стимуляции роста могут наблюдаться выраженные в небо-льшой степени регрессивные изменения различных внутриклеточных структур, подобные тем, которые наблюдаются при процессах повреждения».

Если исходить из указанной выше логики, то воздействия, способствующие восстановлению целостности цитоскелета, должны вновь разъединить гликолитический комплекс, предоставив возможность его сегментам закрепиться на своих исходных пространственно разделённых участках цитоскелета и тем самым ослабить процесс гликолиза. О реальности такого механизма регуляции гликолиза свидетельствует тот факт, что в клетках меланомы В16 таксол не только ингибирует динамические процессы в сети микротрубочек, но и сни-жает уровень гликолиза. Эти эффекты таксола были дозозависимыми (Glass-Marmon, Beitner, 1999). С учётом же сказанного в п. 2.1.13, рассматриваемая взаимосвязь между гликолизом и состоянием цитоскелета является, возможно, составной частью механизма, вызывающего изменение интенсивностей гликолиза и дыхания в противоположных направлениях.

В целом всё же идея организации ферментов гликолиза в надмолекулярный комплекс (метаболон), о котором говорилось выше, представляется достаточно логичной. В дальнейшем она была развита и применительно к другим ферментам, катализирующим последовательные реакции в системе биоэнергетики. В частности, была предложена модель метаболона в виде пятеричной структуры ферментов цикла трикарбоновых кислот Кребса (Velot et al., 1997).

Заслуживает внимания также и принципиально важный вопрос о том, является ли интенсификация гликолиза в делящихся клетках, включая опухолевые, лишь ответной компенсаторной реакцией на снижение дыхания и окислительного фосфорилирования или же имеет и какой-то другой биологический смысл. В определённой мере ответ на этот вопрос дан в цитированной выше работе Евтодиенко и Тепловой (1996) в связи с обсуждением ими механизма эффекта Кребтри. Сходную точку зрения на биологическую роль высокого гликолиза высказывают и другие исследователи. По мнению Резцовой и Филова (1992), основное значение гликолиза состоит в биосинтезе предшественников нуклеотидов, а не в энергообеспечении. Снижение уровня дыхания приводит к снятию ограничений скорости синтеза нуклеотидов, падение же интенсивности окисли-тельного фосфорилирования обеспечивает более эффективное использование промежуточных продуктов окисления глюкозы для синтеза предшественников нуклеотидов и, следовательно, нуклеиновых кислот. Но нам представляется всё же спорным допускаемое здесь преуменьшение энергетической значимости гликолиза в условиях недостаточности митохондриального дыхания.

Нельзя не коснуться здесь и вопроса о предполагаемых функциях ферментов гликолиза в ядре клеток, где их присутствие считается установленным. Высказано, например, мнение, что содержащиеся в ядрах лактатдегидрогеназа и 3-фосфоглицератдегидрогеназа оказывают влияние на репликацию, транскрипцию и репарацию ДНК (Popanda et al., 1998). В опытах на фибробластах человека и на бесклеточной системе синтеза ДНК с ДНК-полимеразами α, β и ε из регенерирующей печени крысы эти исследователи, в частности, показали: активность ДНК-полимераз дифференциально подавляется или стимулируется в зависимости от степени фосфорилирования названных выше ферментов гликолиза. Учитывая имеющиеся сведения о зависимой от сАМР активности ряда цитоплазматических ферментов гликолиза (см. выше), можно полагать, что и в ядре отдельные из этих ферментов сАМР-зависимы. Тогда логично ожидать от них антипролиферативную «линию поведения», диктуемую сАМР в большинстве случаев, т.е. все зависимые от сАМР гликолитические ферменты должны ингибировать репликацию ДНК, транскрипцию причастных к пролиферации генов и стимулировать репарацию ДНК.

Наконец, хорошо известно, что в трансформированных и, особенно, в опухолевых клетках в связи с усилением гликолиза и избыточным образованием молочной кислоты создаётся и поддерживается кислая среда (Шапот, 1975). Но более всего такому исходу способствует, по-видимому, снижение активности фосфолипидозависимой РКС в условиях внутриклеточной гипероксии и устойчивого ПОЛ (см. п. 3.2.2). Вследствие этого активация указанным ферментом Na+/H+-обмена через плазматическую мембрану существенно ослабляется или вовсе прекращается, что и может быть дополнительной причиной снижения рН в опухолевых клетках.

В заключение специально подчеркнём существование в клетке следующего важного принципа управления биоэнергетикой: сАМР как вторичный посредник, образующийся из АТР, причастен к изменению интенсивности гликолиза и митохондриального дыхания в прямо противоположных направлениях, причём сАМР-зависимый гликолиз ингибируется, а сАМР-зависимое дыхание стимулируется. При уменьшении по тем или иным причинам содержания сАМР в клетке указанные биоэнергетические процессы изменяются в обратную сто-рону, т.е. гликолиз усиливается, а дыхание подавляется. Такая ситуация возни-кает, на наш взгляд, временно в нормальных пролиферирующих клетках и пос-тоянно – в опухолевых. Изложенный принцип вполне объясняет, например, взаимосвязь перестройки клеточной энергетики в гепатомах со скоростью их роста: чем больше последняя, тем слабее активность дыхательных ферментов и интенсивнее гликолиз (Weber, 1983).

2.1.15. Принципиально важным информационным признаком, демонстри-рующим последствия рассмотренной выше энергетической патологии в опу-холевых клетках, следует признать гипертермию неоплазм. По давним ещё сведениям (Fourre, 1975), более 90 % злокачественных опухолей уже в ранней стадии сопровождается гипертермией. Этот феномен лежит в основе широко известного ныне термографического метода ранней диагностики неглубоко расположенных неоплазм. Наиболее заметное развитие термографических исследований больных раком (прежде всего молочной железы) происходило в 70-80-х годах. Тогда были сформулированы показания к инфракрасной тер-мографии при раке молочной железы, пигментных опухолях кожи и опухолях глаза, саркоме костей и мягких тканей. Установлена диагностическая эффективность термографии для выявления злокачественных опухолей слюнных желез, щитовидной железы, верхнечелюстных пазух, полости плевры и метастазов опухолей, не обнаруживаемых другими методами. Показаны возможности термографии для объективной оценки терапевтического эффекта лечения опухолей и прогнозирования (Amalric et al., 1978). На быстродействующем тепловизоре, соединённом с компьютером, получают данные, не зависящие от визуальной оценки исследователем, что делает диагностику более точной и объективной. Диагностическая ценность термографии возрастает с увеличением размера опухолей, а чувствительность её – с использованием достижений приборостроения.

Поиск причин гипертермии опухолей привёл нас к следующему представлению. В норме тепловой гомеостаз теплокровных организмов поддерживается в основном за счёт реакций микросомального окисления, не сопряжённых с преобразованием и аккумуляцией энергии, главным образом процессов ПОЛ мембран – ферментативного NADPH-зависимого и неферментативного аскорбатозависимого. При гипоксии теплопродукция и температура, естественно, снижаются. В экстремальных случаях, например, при адаптации к холоду, разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях приводит, как известно, к выделению дополнительного тепла.

В опухолевых клетках гипертермия определяется иными механизмами. Отмеченная в них дестабилизация микросомальных мембран, деструкция и снижение уровня цитохромов приводят к тому, что интенсивность NADPH-зависимого и аскорбатозависимого ПОЛ значительно ниже в микросомах опухолей, чем в микросомах нормальных тканей (см. п. 2.3.6). В этих условиях роль микросом в создании гипертермии сомнительна. Основная статья прихода тепла в опухолевых клетках, ответственная за гипертермию в них, формируется за счёт снижения интенсивности митохондриального дыхания, возникновения гипероксии и преимущественного потребления О2 в реакциях прямого свободнорадикального окисления липидов, в которых энергия выделяется непосред-ственно в виде тепла. Частично тепловая энергия поставляется в связи с возрастанием пероксисомального окисления, также не связанного с аккумуляцией энергии в форме АТР (см. п. 2.3.7).

Эффект гипертермии характерен для всех активно растущих зон неоплазмы, но наиболее доступен для проверки на периферийных его участках. Такая локализация источника повышенного тепловыделения означает, что опухоли должны быть окружены своего рода «горящей» тепловой оболочкой, более или менее чётко отграничивающей их от нормальных тканей и, следовательно, полезной для установления конфигураций и границ новообразований. Различные антиоксиданты – ингибиторы окислительных процессов должны, очевидно, прекратить или снизить избыточное тепловыделение из указанных зон. Напротив, при искусственных гипертермических воздействиях извне такие опухолевые клетки прогреваются, естественно, быстрее и до более высоких температур, ускоряющих их гибель, и в этом проявляются повышенная термочувствительность активно растущих участков неоплазмы и соответственно лечебный эффект теплового фактора (Лю, Шайхутдинов, 1991).

Основные положения рассмотренной в данном подразделе митохондриальной концепции и базирующейся на ней кислородно-перекисной модели канцерогенеза отображены в упрощенном виде на рис. 13. Представленные здесь процессы совпадают с теми, которые постулировались в качестве ведущих при «митохондриальном» старении клетки (см. рис. 2). Опухолевая трансформация такой стареющей клетки должна происходить относительно быстро и легко ввиду подготовленности её в пероксидантном отношении к этому событию.

2.1.16. Вопрос о наследственной передаче свойств неоплазмы, в частности нарушенного энергетического обмена, – наиболее «каверзный» для сторонников эпигенетического механизма канцерогенеза. Как отмечают Зюсс с соавт. (1977), ещё самим Варбургом предложено возможное решение этой проблемы, исходящее из допущений: митохондрии являются независимыми микроорганизмами, и воспроизводство их не зависит от ядра; клетка, из которой «выбиты» митохондрии, не может образовывать новых митохондрий. Данное представление, возможно, справедливо при полном исчезновении митохондрий из клетки, но вряд ли правильно в случае, если клетка утрачивает лишь часть этих органелл или они признаются неполноценными.

Логика о почти автоматическом наследовании таких «неполных» дефектов дочерними клетками не имеет достаточного обоснования, причём кодирование некоторых белковых компонентов митохондрий ядерной ДНК не изменяет существа возражений. Последние опираются на способность митохондриального аппарата нормальных клеток адаптироваться к изменению внутриклеточного рО2 и, в частности, отвечать на снижение дыхания компенсационной стимуляцией роста и деления митохондрий (Озернюк, 1978). В данном случае смысл адаптации путём увеличения «мощности» митохондрий сводится к устранению опасной для жизни клетки гипероксии, возникающей после предшествующего ей устойчивого падения по тем или иным внутриклеточным причинам интенсивности митохондриального дыхания. Примечателен и тот факт, что в разных зонах цитоплазмы нормальной клетки реализуется обратная зависимость между степенью дифференцировки митохондрий и способностью их к росту и де-

	Рис.13. Упрощенная функциональная схема возникновения в клетке состояния гипероксии и пероксигенации, необходимого для индукции канцерогенеза по митохондриально-перекисной модели

лению (Озернюк, 1978). Подробнее этот феномен рассмотрен нами в п. 6.3.2 в связи с аналогичной зависимостью между дифференцировкой и пролиферацией клетки в норме. Что касается действия указанного выше механизма адаптации в опухолевой клетке, то здесь он, скорее всего, в той или иной степени дефектен ввиду, как мы полагаем, возникновения в ней устойчивого пероксигеназного состояния, постоянно (непрерывно) дестабилизирующего внутриклеточные структуры, в первую очередь митохондрии.

Обсуждение вопроса о наследовании дефектного энергообмена естественно связать с возможными извращениями в структуре и функции мтДНК клеток неоплазмы. Действительно, мтДНК является мишенью не только экзогенных канцерогенных агентов, но и образующихся в клетках в процессе бластомоге-неза АФК и продуктов ПОЛ. Подробная информация на этот счёт содержится в обзорной работе «Кислородные радикалы, перекисное окисление липидов и повреждения ДНК в митохондриях» (Hruszkewycz, Bergtold, 1988). В ней наряду с обобщением сведений по обмену О2 и митохондриях, о ПОЛ и мтДНК как мишени для радикалов О2 представлены данные о сайт-специфическом расщеплении этой ДНК перекисными и свободными радикалами. Таким образом, модификация (преимущественно окислительная) и мутации мтДНК, механизмы репарации которой менее эффективны, чем яДНК, могут приводить к стойкому повреждению дыхательной цепи (Ames et al., 1993; King, 1995) и стать реальной причиной закрепления этого «энергетического» дефекта в ряду поколений опухолевых клеток.

Недостаточность дыхания и соответствующая ей внутриклеточная гипероксия в потомстве трансформированных клеток могут быть и следствием пере-дачи по наследству состояния, сложившегося после дестабилизации ядерного генома (см. п. 2.3.8). Достаточно реальным представляется также перепрограммирование генома при воздействии избыточных количеств эндогенных АФК и продуктов ПОЛ, образующихся при участии экзогенных канцерогенных факторов различной природы. В результате могут происходить устойчивое изменение спектра регуляторных белков, снятие действия некоторых из них, в частности репрессоров митогенеза. При разнообразии экзогенных и эндогенных канцерогенных факторов расстройства в физиолого-регуляторном механизме, осуществляющем запрограммированное включение и выключение множества генов, могут происходить не единственным путём. Возможности и последствия подобных нарушений были в своё время подробно рассмотрены, исходя из введённого нами представления о глобальной транскриптоно-триггерной системе организации и функционирования клеточного генома (Лю, Ефимов, 1978; Лю, Саприн, 1980).

Вкратце напомним, что упомянутая система состоит из отдельных относительно самостоятельных подсистем, и одна из них представляет подсистему управления клеточным циклом – так условно назван тот комплекс генов (транскриптонов), который кодирует структурные и регуляторные белки, необходимые для реализации только процессов роста и пролиферации клетки. При злокачественном перерождении последней в процесс вынужденных переключе-ний вовлекается часть указанных подсистем и соответственно значительное количество генов, что проявляется в «дисфункции» множества генов, в изме-нении функционирования генома в целом (Швембергер, 1987). Прежде всего, индуцируется подсистема управления клеточным циклом. Ключевыми молекулами, участвующими в этом цикле, являются циклины, циклинзависимые киназы и ингибиторы этих киназ. Последние играют решающую роль в механизмах остановки клеточного цикла и при принятии решения в точке рестрикции, т.е. служат фактически регуляторами пролиферации клеток. Многие из этих ингибиторов подавляют опухолегенез и, вероятно, необходимы для поддержания клеточного гомеостаза.

Некоторые из белков, вовлечённых в регуляцию движения клеток по митотическому циклу, относятся к онкобелкам. Одни кодирующие их акти-вированные протоонкогены способствуют пролиферации клеток, а другие (гены-супрессоры), напротив, ингибируют клеточную пролиферацию (Киселев, 1998). К числу таких ингибиторов принадлежат, в частности, протоонкогены Ras и Raf. Их активация вызывает быстрый и необратимый блок клеточных делений и преждевременное начало старения, например, фибробластов чело-века и мыши в культуре. Эти эффекты ассоциированы с индукцией р21Cip1 и p16Ink4a – ингибиторов циклинзависимых киназ (Zhu J. et al., 1998). Экспрессия названных протоонкогенов происходит, очевидно, в соответствии с программой работы подсистемы управления клеточным циклом. В этом смысле клеточные онкогены ничем не отличаются от других нормальных генов.

Подсистемой управления клеточным циклом синтезируются, по-видимому, и некоторые другие прямо или косвенно причастные к пролиферации участники: ростовые факторы, белки митотического аппарата, определённые компоненты клеточной мембраны, ингибитор митохондриального дыхания, ферменты ДНК-комплекса и ряд иных «пролиферативных» ферментов. Некоторые из перечисленных элементов также являются продуктами протоонкогенов. При таком подходе проблему кооперации протоонкогенов в процессе канцерогенеза естественно увязывать с конкретными локальными функциями, выполняемыми их онкобелками в норме при осуществлении процессов роста и пролиферации клетки.

С изложенных позиций особенно важным представляется рассмотрение сдвигов в энергетическом обмене и состоянии мембран, исходя из ведущей, по кислородно-перекисной концепции, роли изменений в них при малигнизации клетки. Именно с этими сдвигами, не имеющими, казалось бы, прямого отношения к самому клеточному циклу, связано бесконтрольное, по существу, функционирование подсистемы управления клеточным циклом, её мембран-ного и энергетического каналов. Многие из событий в клетке, ответственных за наступление такого результата, отчасти уже рассмотрены выше и в дополнение к ним и ранее изложенным (Лю, Шайхутдинов, 1991) будут ещё обсуждаться в последующих разделах монографии.

Считаем нужным также отметить здесь, что с нашим мнением о функционировании в составе единой переключательной транскриптоно-триггерной сис-темы генома разных по назначению подсистем созвучны по ряду моментов представленные позднее модели некоторых других исследователей. Рассмотрен, например, феномен «секторной» репрессии генов, или «суперрепрессии» и причины её широкой распространённости. Особенно интересны, на наш взгляд, разделы обзора: секторный контроль и клеточные типы; суперрепрессированные секторы как переключатели в программе развития (Zuckerkandl, 1997). И, конечно же, весьма авторитетны давно проводимые в США под руководством Дж. Вебера (2001) исследования по перепрограммированию экспрессии генов в раковых клетках. Как показано в этих исследованиях, неопластическим клеткам свойственна качественно-количественная программа экспрессии генов, которая не характерна для контрольных, регенерирующих и дифференцирующихся тканей. Качественные изменения экспрессии генов влекут за собой изменения, в частности, изоферментного спектра и связанные с этим перепрограммированием конкретные преимущества для раковых клеток.

Наконец, в связи с обсуждаемой темой важное значение приобретает вообще сама концепция о наследуемых эпигенетических изменениях активности генов, которая в какой-то степени была затронута нами уже самой постановкой вопроса о существовании переключательной транскриптоно-триггерной системы организации и функционирования клеточного генома. Как известно, в отличие от наследуемой генетической изменчивости эпигенетическая не связана непосредственно с изменением первичной структуры ДНК и «представляет собой воспроизведение в ряду клеточных поколений изменение эпигенотипа, т.е. спектра функционирующих в конкретный момент времени генов» (Михеев и др., 1999). Мы полагаем, что особенности отдалённой энергетической патологии опухолевых клеток вполне могут быть объяснены, исходя из предположения об их связанности с названными эпигенетически наследуемыми измене-ниями активности генов, в данном случае генов энергетического профиля. На такую роль эпигенетических механизмов указывает возможность их индукции заведомо негенотоксичными химическими агентами и ионизирующей радиа-цией – фактором, который обычно считается генотоксическим. Отмечают, нап-ример, что, подобно УФ-облучению и химическим канцерогенам, ионизирующая радиация способна индуцировать или стимулировать генную экспрессию, апоптоз клеток, модифицировать межклеточные взаимодействия, вызывать опу-холевую трансформацию in vitro и канцерогенез in vivo без заметного генотоксического эффекта (Trosco, 1998; см. также Михеев и др., 1999). Ранее своё представление о способах регуляции генной активности на уровне эпигенотипа высказывали и другие исследователи, в частности, Албертс с сотруд. (1994).

Итак, точка зрения о модификации эпигенетического уровня регуляции генной активности, в частности, активности «энергетических» генов, обосновывающая недостаточность митохондриального дыхания в клетках неоплазмы, представляется нам достаточно правдоподобной. При этом экзогенные и эндогенные канцерогенные агенты приводят к такому исходу, скорее всего, опосредованно, через стадию стойкой индукции или избыточного образования АФК, состояния пероксигеназного стресса, которые, собственно, и участвуют в эпигенетически наследуемом изменении спектра функционально активных генов.