Вирусы человеческого рака

Понятие «вирусы человеческого рака» к 70-м гг. XX века стало пользоваться настолько плохой репутацией, что об этих вирусах стало невозможно говорить вслух в приличном медицинском обществе.

Anders Valhne

Легче в биологии сделать открытие, чем получить за это признание.

Peyton Rous

В ХХ веке существовали три теории развития рака. В возникновении злокачественных опухолей активно обсуждалась роль канцерогенов, онкогенных мутаций и онкогенных вирусов. Вирусную теорию развития рака не признавали более 40 лет.

Фильтрующиеся вирусы и рак

Фильтрующийся вирус был открыт профессором Д. И. Ивановским в 1892 г. Работая в Никитском ботаническом саду, он установил причину развития мозаичной болезни листьев табака. Используя фильтр Шамберлана-Пастера, содержащий неглазурованный фарфор, ученый получил бесклеточный фильтрат из больных табачных листьев и заразил этим фильтратом здоровые растения. Поскольку фильтрат не содержал клеток, профессор сделал вывод, что мозаичная болезнь вызывается токсинами или ядами. Позже выяснилось, что причиной болезни были вирусы, получившие название фильтрующихся. Формально Д. И. Ивановский был прав, поскольку латинское слово virus переводится на английский как poison – яд.

В 1908 г. датским ученым Vilhelm Ellerman и Oluf Bang впервые удалось вызвать лейкоз у птиц, заразив их вирусом эритробластоза. Этими исследованиями был заложен фундамент для работ Пейтона Роуса.

В 1909-1911 гг. Роус работал в Университете Рокфеллера, США. Случайно ему стало известно, что на одном из фермерских хозяйств все куры породы Plymouth Rock болеют саркомой мягких тканей. Такая же опухоль быстро появлялась и у здоровых птиц, попавших на ферму. Повторив эксперимент с фильтром Шамберлана-Пастера, Роус получил из опухоли больной курицы бесклеточный фильтрат, с помощью которого смог вызвать развитие саркомы de novo у здорового цыпленка, не перевивая ему культуру злокачественных клеток. Ученый объявил, что причиной развития опухоли у исследуемых птиц были вирусы (Rous P. A transmissible avian neoplasm. (Sarcoma of the common fowl). J. Exp. Med. 1910; 12: 696-705).

Год, когда Роус начал свои эксперименты, можно считать началом новой науки – вирусологии опухолей человека. Однако медицинский мир посчитал эксперименты Роуса курьезными и не научными. Сторонники теории вирусного канцерогенеза длительное время подвергались критике, в том числе и потому, что на протяжении десятилетий никак не удавалось найти вирус, вызывающий опухоли не у животных, а у человека. Роус впервые номинировался на Нобелевскую премию еще в 1926 г., но получил всемирное признание только в 1966-м, за 4 года до смерти.

Онкогенные вирусы человеческого рака

Поиски вирусов человеческого рака были неудачными, поскольку, как теперь известно, онкогенные вирусы в клетках опухоли не реплицируются и не образуют вирионы, их невозможно обнаружить обычными вирусологическими методами. Первый вирус опухоли человека – вирус Эпштейна-Барр (EBV), также известный как вирус герпеса человека 4 типа (HHV4), – был обнаружен только через 53 года после экспериментов Роуса. Энтони Эпштейн, Берт Ачонг и Ивонна Барр в 1964 г. использовали электронную микроскопию для обнаружения частиц этого вируса в клеточных линиях лимфомы Беркитта.

Обнаружение EBV было случайным, так как большинство опухолевых клеток лимфомы содержат вирусную ДНК в непередаваемой эписомальной форме. С момента этих исследований прошло еще 30 лет, прежде чем Международным агентством по исследованию рака было официально объявлено, что EBV является доказанным человеческим канцерогеном.

Сегодня список вирусов, вызывающих опухоли у человека, остается небольшим. Известны семь вирусов человеческих опухолей: EBV, вирус гепатита B (HBV), вирус гепатита C (HCV), T‑лимфотропный вирус человека 1 типа (HTLV‑1), семейство папилломавирусов человека (HPV), вирус герпеса, ассоциированный с саркомой Капоши (KSHV), и полиомавирус клеток Меркеля (MCPyV). Они были открыты на протяжении 1964-2008 гг.

Онкогенные вирусы имеют различный клеточный тропизм. EBV является причиной большинства лимфом Беркитта, рака носоглотки, лимфопролиферативных заболеваний, некоторой части болезни Ходжкина, неходжкинских лимфом и лимфом желудочно-кишечного тракта. HBV ассоциирован с развитием гепатоцеллюлярной карциномы, а HCV является флавовирусом и отвечает за развитие рака печени и некоторых лимфом. HTLV-I вызывает Т‑клеточный лейкоз у взрослых, HPV – аногенитальные раки, рак шейки матки, полового члена, раки головы и шеи. KSHV является причиной саркомы Капоши, некоторых видов лимфом и редкого доброкачественного заболевания лимфатических узлов, проявляющегося гигантской ангиофолликулярной гиперплазией (болезнь Кастлемана). Последний член группы вирусов человеческого рака, внутриклеточный полиомавирус Меркеля (MCV), длительное время персистирует в фибробластах кожи и вызывает одноименную болезнь – нейроэндокринную карциному Меркеля.

Постоянно предпринимаются попытки расширить этот список, однако роль новых онкогенных вирусов в канцерогенезе человеческого рака остается неясной и противоречивой.

Молекулярные особенности онкогенных вирусов

Онкогенные вирусы не попадают ни в один из семи классов вирусов по классификации Балтимора (1971). Эта классификация разделяет вирусы на группы в зависимости от типа нуклеиновой кислоты и способов ее репликации (ДНК, РНК, одноцепочечная, двуцепочечная). Отсутствует четкая молекулярная характеристика, которая указывала бы на принадлежность к вирусам человеческого рака.

Так, EBV и KSHV являются крупными двуцепочечными ДНК‑вирусами. Семейство HPV представлено небольшими онкогенными ДНК‑вирусами с меньшими геномами и малым количеством многофункциональных онкопротеинов. MCPyV – небольшой двуцепочечный ДНК‑вирус. HBV является маленьким ДНК‑вирусом с ретровирусными функциями, HCV – одноцепочечным вирусом с положительной цепью РНК. HTLV‑1 является сложным экзогенным ретровирусом человека.

Почти все опухолевые вирусы имеют близких «родственников», которые не вызывают рак у человека. Это может свидетельствовать о том, что почти у каждого вируса есть потенциал вызывать рак, но только очень небольшая часть вирусов способна фактически это делать.

Несмотря на сложные молекулярные различия, все онкогенные вирусы имеют два общих признака: они способны вызывать хроническую бессимптомную инфекцию и сосуществуют с хозяином в течение длительного периода времени.

Молекулярное паразитирование вирусов

Внутриклеточные мишени вирусов человеческого рака хорошо изучены. Это пролиферативные сигнальные пути опухолевых супрессоров RB1 и p53, теломеразная обратная транскриптаза, путь PI3K/AKT/mTOR, транскрипционный ядерный фактор κB, β-катенин (также известный как CTNNB1) и пути передачи сигналов интерферона. Данные молекулярные события являются не только важными механизмами регуляции клеточной пролиферации, но и сигнальными путями врожденного иммунного ответа, что определяет их роль в реализации вирусного канцерогенеза.

Основным механизмом защиты клетки от вируса является апоптоз. В ответ на вирусную инфекцию клетки активируют гены-супрессоры RB1 и p53 и останавливают клеточный цикл в контрольных точках (check-point). В дальнейшем могут включиться сигнальные пути гибели клеток.

Однако целью вирусов является не гибель клеток, а репликация собственной ДНК и эффективное воспроизводство. Это становится возможным только в том случае, если клетка завершит клеточный цикл. С целью предупреждения преждевременной гибели клеток опухолевые вирусы разработали уникальные механизмы инактивации белков-супрессоров RB1 и p53, блокада которых препятствует уходу клетки в апоптоз, способствует развитию иммунной толерантности и дальнейшему продвижению клетки к митотической фазе клеточного цикла, где произойдет репликация вирусной ДНК. Таким образом, функция вирусных онкогенов заключается в блокировании генов-супрессоров, продвижении клетки в клеточном цикле и стимулировании продуктивной репликации вирусов.

При взаимодействии онкогенного вируса и клетки достигается функциональное равновесие: выживание и пролиферация инфицированной клетки сопровождается выживанием и репликацией вируса. Это состояние называется «молекулярным паразитированием вирусов».

Обычно инактивация вирусом белков-супрессоров RB1 и p53 не приводит к развитию рака. При хронической вирусной персистенции опухоль может возникнуть только при сопутствующей иммуносупрессии и появлении дополнительных онкогенных мутаций в клетках хозяина.

Вирусные канцерогены

Принято считать, что вирусы могут инициировать развитие рака двумя путями – с помощью прямых и косвенных канцерогенов. Прямые вирусные канцерогены присутствуют в каждой раковой клетке и экспрессируют по меньшей мере один транскрипт для поддержания фенотипа опухолевых клеток. Так происходит при раках, ассоциированных с вирусами HPV, MCV, EBV и KSHV.

Косвенные канцерогены вызывают рак посредством хронической инфекции и воспаления, которые протекают в тканях латентно и не проявляются клинически. Клинические симптомы отсутствуют даже в случаях активной репликации цитолитического вируса, как это происходит во время продромальной фазы ВИЧ- или HCV‑инфекции.

Вирусный онкогенез

Равновесие, достигаемое вирусами и соматическими клетками, может оказаться нестабильным. На фоне индуцированной вирусом иммуносупрессии и при внезапном появлении новых онкогенных мутаций происходит инициация начальных стадий канцерогенеза. Вирусные онкогены могут вызвать анэуплоидность и нестабильность генома клетки, что способствует ее злокачественной трансформации.

Геномная нестабильность, например, часто наблюдается при неоплазиях шейки матки, связанных с HPV‑вирусами высокого онкогенного риска. Онкопротеины HPV Е6 и Е7 дестабилизируют клеточный геном, вызывают повреждение и нарушают репарацию ДНК, что увеличивает вероятность приобретения дополнительных онкогенных мутаций.

Следует отметить, что роль вирусов важна на самых ранних стадиях злокачественной трансформации клетки. В опухолевой ткани вирусы долго не сохраняются и поэтому на поздние стадии канцерогенеза, в том числе на стадии метастатической прогрессии, влияния не оказывают.

Все вирусы человеческого рака обладают способностью образовывать вирионы в любые моменты своего естественного жизненного цикла, однако в тканях опухолей репликация продуктивного вируса (литическая репликация) отсутствует. Эта особенность является общей для всех вирусов человеческого рака.

По мере созревания опухоль теряет вирусные гены и белки. При латентной вирусной персистенции в опухолевой ткани не происходит размножение вирусов и не образуются инфекционные вирусные частицы. В клетках рака вирус сохраняется в виде голой нуклеиновой кислоты, часто в виде плазмид или эписом.

Иммунная система и вирусы человеческого рака

За последнее десятилетие накопилось большое количество свидетельств о важной роли врожденного иммунитета в вирусном онкогенезе. Онкогенные вирусы способны уклоняться от механизмов иммунной системы хозяина. Для этого они применяют сложные стратегии выживания. Вирусные латентность и персистенция проявляются отсутствием клинических признаков хронической инфекции, потерей вирусных генов и белков, хранением информации в виде нуклеиновых кислот или эписом.

Уклонение от контролирующего влияния иммунной системы хозяина, с помощью которого вирусные онкогены обеспечивают вирусную латентность и одновременно способствуют выживанию инфицированной клетки, является обязательным условием развития опухолей вирусной этиологии.

Многие ключевые эффекторные белки являются общими как для супрессоров опухолей, так и для сигнальных сетей врожденного иммунного надзора. Оба процесса инициируют остановку клеточного цикла и активируют первичные апоптотические пути. Блокада супрессоров вирусными онкогенами способствует уклонению от иммунитета и непреднамеренно подвергает инфицированную клетку риску раковой трансформации.

Генерализованная иммуносупрессия (медикаментозная или во время процесса старения) сопровождается потерей иммунного надзора за специфическими вирусными Т‑клеточными эпитопами и всегда связана с риском развития рака.

Роль иммунной системы в развитии злокачественной опухоли хорошо видна на примере эволюции саркомы Капоши в человеческом обществе. Саркома Капоши впервые была описана в 1872 г. В XIX и первой половине XX века частота заболевания составляла менее 3 случаев на 1 млн населения в год. После эпидемии СПИДа она возросла в десятки тысяч раз. Росту частоты саркомы Капоши в XX столетии также способствовало развитие органной трансплантации и методов лекарственной профилактики острого отторжения, ведущих к стойкой депрессии иммунной системы у реципиентов донорских органов. Люди с пересаженными органами относятся к группе высокого онкологического риска, но в первую очередь – риска развития саркомы Капоши, имеющей вирусную этиологию.

Злокачественная клетка – тупиковое событие в эволюции вирусов человеческого рака

Люди, как и большинство сложных многоклеточных, являются химерами для многочисленных вирусов. Онкогенные вирусы эволюционировали, чтобы длительно сохраняться в клетках хозяина. В свою очередь, у человека развились механизмы для поддержания целостности и стабильности инфицированных вирусом клеток, которые должны выполнять жизненно важные функции в организме.

На протяжении миллионов лет сложились синергические отношения между некоторыми онкогенными вирусами и клетками человека. Эти отношения предполагают установление равновесия, в результате которого персистенция вируса способствует репликации вирусной ДНК, однако не приводит к гибели клетки, поскольку вирусы блокируют внутриклеточные пути апоптоза, что способствует завершению клеточного цикла. Врожденная иммунная система человека, предназначенная для защиты генома хозяина от встраивания чужеродных вирусных последовательностей ДНК, также инактивируется вирусами через гены-супрессоры, что способствует латентной вирусной персистенции.

Судьба хозяина и патогена зависит от равновесия, при котором с обеих сторон достигается контроль сигнальных путей роста, механизмов поддержания стабильности генома и иммунного надзора. Обычно молекулярный паразитизм вируса не приводит к развитию рака. Лишь у очень небольшой части людей, инфицированных онкогенными вирусами, возникает злокачественная опухоль. Эти больные никогда (или почти никогда) не служат источниками передачи и распространения вирусов в человеческой среде. Однако в случае кумулятивных или случайных событий, вызывающих повреждение ДНК или подавление иммунной системы, хрупкий баланс между вирусом и клеткой может нарушиться. Следствием этого является неконтролируемая клеточная пролиферация.

При злокачественной трансформации отношения между вирусом и клеткой меняются. В инфицированных раковых клетках не улучшается способность вирусов к репликации и не увеличивается их способность к размножению, как это происходит при воздействии на клетки цитолитических вирусов, вызывающих острую инфекцию у человека. По мере созревания опухолевые клетки вообще утрачивают вирусную ДНК, из-за чего обнаружить следы вируса в злокачественных клетках опухоли обычными вирусологическими методами не удается. С эволюционной точки зрения рак для вирусов является тупиковым событием, биологическим несчастным случаем. При злокачественной трансформации клеток репликация вирусной ДНК в них прекращается и вирусы утрачивают способность сохранять и передавать свою генетическую информацию.

Таким образом, большинство классов вирусов не запрограммированы эволюцией вызывать рак у человека. Однако опухолевые вирусы все же кодируют человеческие онкогены, активируют сигнальные пути и способствуют избыточной пролиферации инициированных клеток. Пролиферация инфицированной клетки является не целью, а побочным продуктом влияния вируса.

Выводы

На протяжении большей части XX века вирусная теория рака, основы которой в 1909 г. заложил П. Роус, подвергалась острой критике. Обычные вирусологические методы не обнаруживали следов вирусов в клетках человеческих опухолей, и поэтому роль вирусов в канцерогенезе отвергалась. В науке господствовала догма Роберта Коха, согласно которой инфекционная причина болезни признавалась только в том случае, если возбудителя можно было обнаружить в клетках или тканях больного. По этой же причине многие десятилетия были потрачены впустую на поиск бактерий, вызывающих рак.

После исследований Renato Dulbecco, Howard Temin и David Baltimore (Нобелевская премия 1975 г.) противоречия между канцерогенной, вирусологической и генетической теориями возникновения опухолей были наконец устранены. Открытие феномена обратной транскрипции, обнаружение вирусных онкогенов и генов-супрессоров привели к созданию теории соматических мутаций, которая является фундаментальной в современной онкологии.

Взаимоотношения между соматическими клетками эукариот и онкогенными вирусами установились еще в эпоху метазоа и подчиняются законам эволюции. Вирусы демонстрируют различный клеточный тропизм и молекулярный паразитизм, который проявляется блокадой белков-супрессоров, ингибирующих апоптоз, уклонением от контроля иммунной системы, нелитической репликацией вирусной ДНК и длительной латентной персистентностью.

Вирус препятствует преждевременной смерти клетки. «Случайная» злокачественная клеточная трансформация вследствие появления новых онкогенных мутаций является для вируса эволюционным тупиком, «биологическим несчастным случаем», поскольку он утрачивает в опухоли способность к воспроизведению.

Принято считать, что около 20% всех человеческих опухолей имеют вирусную этиологию. Вирусология опухолей человека имеет 110-летнюю историю, но только в последнее время эта наука приобрела практическое значение. В первую очередь это связано с программами первичной профилактики рака. Вакцины против онкогенных штаммов HPV привели к резкому снижению заболеваемости раком шейки матки во многих странах мира, где эти программы носят государственный характер. Вакцинация от HBV привела к снижению частоты первичного рака печени. Особенно это стало заметно в последние годы в странах с высокой заболеваемостью этим видом рака. Эффективной профилактикой первичной гепатоцеллюлярной карциномы являются современные стратегии противовирусной терапии, направленные против HCV. К сожалению, несмотря на то что EBV и KSHV являются доказанными биологическими канцерогенами и вызывают большое количество злокачественных лимфом, вакцин к ним до сих пор нет.

Развитие омических технологий (в частности, методов секвенирования нового поколения) открыло новые перспективы для вирусологии опухолей человека. Сегодня появились большие возможности для обнаружения новых вирусов человеческого рака. Например, глубокое секвенирование и профилирование экспрессии генов недавно привело к открытию MCPyV – хронологически последнего в семействе вирусов человеческого рака. Можно предсказать, что в ближайшее время будут обнаружены и другие вирусы, которые отвечают за развитие злокачественных опухолей у человека.

Проводятся исследования и ожидается создание лекарственных препаратов, блокирующих пути вирусного канцерогенеза. Такими могут быть препараты для иммунной терапии, направленной против антигенов онкогенных вирусов.

Современная вирусология опухолей человека, использующая методы молекулярной биологии, позволит на новом уровне изучить механизмы вирусного канцерогенеза, создать программы массовой профилактики, диагностики и лечения вирусного рака.

Медична газета «Здоров’я України 21 сторіччя» № 20 (465), жовтень 2019 р.