Oddziaływanie czynników rakotwórczych na DNA
Już w XX wieku było wiadome, że w drobnoustrojach lub u much można wywołać za pomocą środków chemicznych zmian dziedziczne. Proces ten nosi nazwą mutagenezy.
Iperyt, wyprodukowany podczas pierwszej wojny światowej jako gaz bojowy, wywołuje mutacje u muszki owocówki i panuje powszechnie pogląd, że mutacje te powstają wskutek oddziaływania (interakcji) tych środków na DNA. Podobnych przykładów oddziaływania na komórkowy DNA dostarczyły ważniejsze rodzaje chemicznych związków rakotwórczych, wliczając do nich związki nitrozowe, aminy aromatyczne, barwniki aminoazowe i węglowodory policykliczne.
W wielu przypadkach istnieje współzależność między nasileniem oddziaływania na DNA a siłą środka rakotwórczego. Uwidoczniły to badania dotyczące związania DNA skóry myszy z niektórymi węglowodorami policyklicznymi o różnej sile rakotwórczej.
Chemiczny charakter modyfikacji zachodzących w DNA został wyjaśniony wystarczająco dokładnie na wielu przykładach. Np. związki nitrozowe, które wytwarzają prawdopodobnie bardzo reaktywny metabolit, reagują z DNA komórek i gdy zmodyfikowany w ten sposób DNA został rozłożony metodami chemicznymi, to okazało się, że dwie zasady: guanina i w mniejszym stopniu adenina uległy zmianom. Podobnie podawanie szczurom dwumetylonitrozoaminy spowodowało zmiany w DNA wątroby i nerek, gdzie normalna guanina została przemieniona w 7-metyloguaninę.
Badania interakcji z użyciem innych chemicznych związków rakotwórczych nie są dotychczas zaawansowane z powodu większej złożoności ich budowy chemicznej. Jednak w wielu przypadkach osiągnięto postęp w określaniu rozmiaru oddziaływania pomiędzy DNA tkanek a tymi związkami chemicznymi w zależności od ich aktywności rakotwórczej. Istnieje więc nadzieja, że z takich badań ilościowych wyłonią się jasno
określone powiązania, które wykażą, że reakcja ze strony DNA jest procesem „krytycznym" w karcinogenezie.
W tym samym czasie czynione były wysiłki, aby poznać i zrozumieć, w jaki sposób modyfikacje w kwasach nukleinowych mogą prowadzić do przemiany komórek prawidłowych w komórki złośliwe. Przypuszcza się np., że działanie rakotwórcze tak zwanych związków alkilujących, jak iperyt, zależy od skrzyżowanego powiązania dwóch pasm drobiny DNA. W innych przypadkach efekt oddziaływania związków rakotwórczych na DNA może nie prowadzić aż do tak głębokich zmian. Sprawa ta nie jest jeszcze wyjaśniona i jest możliwe, że wynik stosowania związku rakotwórczego może zależeć od równowagi pomiędzy stopniem zmian, jakie ów związek wywołał w DNA, a wydolnością komórki w naprawianiu lub tolerowaniu doznanych uszkodzeń DNA.
Oddziaływanie związków rakotwórczych na białko komórki:
Nie wszyscy biochemicy zajmujący się badaniem nowotworów są zgodni z poglądem, że powiązanie rakotwórczych związków chemicznych z DNA stanowi „krytyczną" interakcję, która prowadzi do powstania nowotworu. Podobne, ale znacznie rozleglejsze powiązania mogą bowiem zachodzić między środkiem rakotwórczym a białkami komórki. Po raz pierwszy takie oddziaływanie przedstawiono i wykazano, że rakotwórczy barwnik amino-azowy ) został związany z białkami wątroby szczurów, karmionych tym barwnikiem. Od tego czasu wykazano w badaniach, że istnieje szeroka skala współzależności między wiązaniem się barwników aminoazowych z białkami komórek a ich rakotwórczą aktywnością. Tak np. wspomniane barwniki przejawiają swą aktywność u szczurów tylko w stosunku do komórek wątroby. Tylko one stanowią tę tkankę, w której odbywa się wiązanie barwników z proteinami. Co więcej powiązanie barwników aminoazowych z proteinami jest różne u rozmaitych gatunków zwierząt i wydaje się, że zależy od ich wrażliwości na te związki rakotwórcze. Niewrażliwe zwierzęta, jak np. świnki morskie, nie tworzą kompleksów barwników z białkami wątroby. Podobną współzależność spostrzeżono także pomiędzy swoistą dla poszczególnych tkanek i gatunków zwierząt zdolnością wiązania białek a zdolnością rakotwórczą wielu innych rodzajów związków rakotwórczych, łącznie z aminami aromatycznymi i policyklicznymi węglowodorami. Zauważono ponadto, że prawie wszystkie związki chemiczne, które wykazywały wybitne podobieństwo do znanych związków rakotwórczych, lecz nie były aktywne, nie miały również zdolności wiązania się z białkami tkanek.
W dążeniu do wyjaśnienia znaczenia interakcji białek ze związkami rakotwórczymi poczęto badać różnymi metodami zarówno charakter wiążącego się z białkiem metabolitu rakotwórczego, jak i charakter białek. Wspomnieliśmy już o badaniach metabolizmu związków rakotwórczych, które wykazały, że w toku tego procesu w wielu z tych związków zwiększa się aktywność rakotwórcza. To odkrycie pozwoliło snuć przypuszczenia dotyczące mechanizmu oddziaływania związków rakotwórczych na białka lub na kwasy nukleinowe. Na przebieg składa się przemiana rakotwórczego barwnika aminoazowego na (niestały) N-hydroksy-metaboli który następnie wchodzi w reakcję z aminokwasami białek zawierających siarkę. Liczne szczegóły tych reakcji powinni być jeszcze wyjaśnione. Istotne jest to, że przemiany metaboliczne, które czynią związki rakotwórcze bardziej aktywnymi mają ścisły związek z procesem wiązania się tych karcinogenów z białkami komórki.
Czynność białek powiązanych ze związkami rakotwórczymi jest dotychczas zupełnie nieznana. Większość tych białek znajduje się w cytoplazmie komórki na zewnątrz od jądra. Uderzającą osobliwością jest to, że białka wątroby wciągnięte w proces wiązania związków chemicznych, które wywołują raka wątroby, mają właściwości fizykochemiczne zupełnie podobne do właściwości tych białek w komórkach skóry, które biorą udział w wiązaniu substancji wywołujących raka skóry. Natomiast raki skóry lub wątroby, które w ten sposób powstały, nie wiążą już odnośnych substancji rakotwórczych i zawierają bardzo niewiele lub nie zawierają wcale białek powiązanych ze związkami rakotwórczymi. Te spostrzeżenia doprowadziły do sformułowania hipotezy, że wypadnięcie czynności białek w komórce prowadzi do powstawania nowotworu (hipoteza wypadania białek).
Nie można jednak ocenić wiarygodności tej teorii, zanim nie zostanie całkowicie wyjaśniona fizjologiczna rola „usuniętych" białek. W wielu przypadkach wypadaniu białek z komórki nowotworowej towarzyszy wzmożony potencjał wzrostu, co nasuwa przypuszczenie, że tym proteinom przypadała czynność regulowania wzrostu komórek.
Bogactwo dowodów o wiązaniu się chemicznych związków rakotwórczych z białkami, które następnie ulegają wydaleniu z komórki nowotworowej, nie pozwala już zaprzeczać możliwości, że takie reakcje odgrywają poważną rolę w powstawaniu nowotworu. Z drugiej strony, trudno jest wytłumaczyć, w jaki sposób te reakcje zachodzące tylko w białkach cytoplazmy, mogą prowadzić do zmian genetycznych, które przecież stanowią istotną cechę charakterystyczną komórki nowotworowej. Teorię mającą przełamać te trudności zaczerpnięto z badań nad regulacją syntezy i czynności enzymów w drobnoustrojach. Sugeruje ona interakcję związków rakotwórczych z białkami, które działają tłumiąco na czynność genów. Zniszczenie lub unieczynnienie tych tzw. białek represywnych przez związki rakotwórcze może wywoływać serię zmian, które uwalniają lub „demaskują" stłumione w normalnej komórce geny. W ten sposób komórka uzyskuje nowe właściwości.
W chwili obecnej nie ma wystarczających do rozstrzygnięcia dowodów, czy pierwotne modyfikacje komórki przez związki rakotwórcze powstają w DNA czy w białkach plazmy. Zwolennicy każdej z rywalizujących teorii będą nadal prowadzić badania dla podtrzymania swych poglądów. W wyniku tych badań może w końcu powstać przekonanie o konieczności uwzględniania obydwu poglądów. Nie można bowiem uważać za niemożliwe, że proces rakotwórczy może brać początek z rozmaitych zmian biomolekularnych, które w sposób złożony prowadzą do reakcji metabolitów zarówno z DNA, jak i z białkami.
Odpornosc a nowotwory:
Wiadomo jest powszechnie, że odczyny immunologiczne w ustroju ssaków są nie tylko ochroną przed chorobami zakaźnymi, lecz odgrywają rolę bardziej zasadniczą. Zmiana poglądów na rolę immunologii wywodzi się przede wszystkim z badań nad mechanizmem odrzucania przeszczepionych tkanek i narządów. Skrzyżowane przeszczepy skóry u myszy dwóch różnych ras są zazwyczaj odrzucane, ponieważ mysz-
-biorca „rozpoznaje" antygeny zawarte w przeszczepie jako obcego intruza, czego wynikiem jest reakcja immunologiczna, którą można porównać do odczynu ustroju na każdy inny obcy materiał, jak np. na bakterie i wirusy.
U człowieka zagadnienie immunologicznego odrzucenia przeszczepu ukazało się w całej swej dramatyczności, gdy kilka osób zmarło wskutek przeszczepienia serca, choć przeżyły one sam zabieg operacyjny.
Wracając do myszy, należy wspomnieć o badaniach doświadczalnych, które wykazały, że przeszczepy skóry są odrzucane u osobników dorosłych, natomiast nie ulegają odrzuceniu, jeżeli płodowi czy noworodkowi mysiemu wstrzykiwano komórki myszy należącej do rasy dawców. W tych okolicznościach noworodek po osiągnięciu dojrzałości przyjmował przeszczep skóry pobrany od myszy tej samej rasy, do której należała dostarczycielka przeszczepionych noworodkowi komórek. Oznaczało to, że mysz-biorca stała się „tolerancyjna" w stosunku do antygenów zawartych w przeszczepach. Te spostrzeżenia dały podstawy koncepcji o rozpoznawaniu przez komórkę swego „ja" lub „nie ja".
Koncepcja ta opiera się na idei, że układ immunologiczny organizmu zwierzęcego dojrzewa w okresie porodu lub wkrótce po nim i jest w swej istocie systemem nadzorczym, który został ukształtowany dla obrony organizmu przed wszelkiego rodzaju obcymi komórkami. W tym ujęciu miano „obcy" odnosi się do wszelkich komórek lub innych antygenów, z którymi organizm nie wchodził w kontakt podczas wczesnych okresów swego rozwoju.
Na przykładzie przeszczepienia skóry widzimy, że gdy nowo narodzonej myszy wstrzyknięto komórki pobrane od myszy innej rasy, przyjęła te obce komórki za „swoje" i w ten sposób stała się tolerancyjna wobec przeszczepów skóry myszy należących do owej rasy. Ta koncepcja immunologicznego poznawania swego „ja", swej tożsamości, miała daleko idące następstwa i przyniosła nagrodę Nobla z zakresu medycyny Sir Peter Medawarowi, obecnemu dyrektorowi Instytutu Narodowego dla Badań Medycznych, i Sir Macfarlane Burnetowi, który był w tym czasie dyrektorem Instytutu Nauk Medycznych im. Waltera i Elizy Hall w Melbourne w Australii.
Hipoteza immunologiczna o samo rozpoznaniu zakłada, że komórki zawierające nowe antygeny zostaną rozpoznane jako obce i zaatakowane przez ustrój gospodarza, jeżeli ukończył on już „fazę rozpoznawania", co następuje w kilka dni po urodzeniu. Z tego powodu ustrój powinien uznawać za obce komórki nowotworowe, jeżeli w toku przemiany komórek prawidłowych w nowotworowe pod wpływem rakotwórczych związków chemicznych lub wirusów powstały w nich nowe antygeny. Współczesne badania w dziedzinie immunologii nowotworów zajmują się ustalaniem, czy nowotwory o różnej etiologii mają także swoiste antygeny nowotworowe i w jakim stopniu są one zdolne pobudzać proces „odrzucania" tkanki nowotworowej przez ustrój gospodarza.