Алкоголь и рак. О вреде алкоголя на уровне ДНК
Связь между употреблением алкоголя и развитием злокачественных опухолей установлена уже достаточно давно. Ученые из лаборатории молекулярной биологии в Кембридже попытались разобраться, как именно алкоголь приводит к возникновению рака. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, названы 7 типов онкологических заболеваний, возникающих в результате воздействия алкоголя на организм. К ним относятся: рак ротовой полости, гортани, трахеи, пищевода, груди (у женщин), печени и кишечника.
Предыдущие исследования механизмов влияния алкоголя на риск развития рака проводились преимущественно на клеточных культурах. В текущей работе, финансируемой британским фондом исследования рака, в качестве модельных организмов использовались мыши, что позволило ученым рассмотреть этапы воздействия алкоголя на организм более комплексно.
Главный токсический эффект алкоголя связан с действием ацетальдегида, образующегося в ходе окислении этанола. Ацетальдегид способен необратимо повреждать ДНК. Известно, что алифатические моноальдегиды вызывают образование межнитевых поперечных сшивок в молекуле ДНК, а также возникновение неспецифичных связей ДНК-белок. Такие изменения в структуре ДНК ведут к повышенной ломкости хромосом, т. е. формированию так называемых фрагильных сайтов, склонных к образованию разрывов, и последующим хромосомным перестройкам. Подобные повреждения ДНК возникают у больных анемией Фанкони - генетически гетерогенным рецессивным заболеванием, характеризующимся цитогенетической нестабильностью, повышенной чувствительностью к агентам поперечного связывания ДНК, увеличением повреждений хромосом и дефектной репарацией ДНК. Известно, что у 90% больных анемией Фанкони наблюдается недостаточность костного мозга, развиваются различные гематологические нарушения, запускаются неопластические процессы.
Эти наблюдения, а также предыдущие эксперименты на мышах, свидетельствующие о том, что гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) первыми реагируют на повреждения ДНК, заставили ученых сконцентрироваться на исследовании генома мышиных клеток костного мозга. Для оценки повреждающего эффекта алкоголя животным вводили разбавленный этанол внутрибрюшинно. Клетки костного мозга получали из бедренной кости мыши. Изучение генетических повреждений исследователи проводили с использованием различных методов хромосомного анализа (кариотипирование М-FISH, метод визуализации перестроек сестринских хроматид, (sister chromatid exchange)), а также высокопроизводительного секвенирования ДНК.
В ходе исследования ученые попытались выявить последовательность работы защитных механизмов организма, направленных на устранение токсического действия ацетальдегида.
Первую линию защиты составляет фермент альдегиддегидрогеназа 2 (ALDH2), окисляющий ацетальдегид до ацетата, который используется клетками в качестве источника энергии. В клетках костного мозга мышей, нокаутных по гену ALDH2, возникало в 4 раза больше мутаций в ДНК по сравнению с мышами с полностью функционирующим ферментом. Известно, что более 540 миллионов людей несут полиморфизм в гене ALDH2, что ведет к выработке дефектной альдегиддегидрогеназы и, соответственно, неполной утилизации ацетальдегида. Обычно прием алкоголя у таких людей вызывает резкое ухудшение самочувствия и последующее отравление организма. Тем не менее, в организме существует вторая линия защита от деструктивного влияния алкоголя. Ее представляет так называемый «сигнальный путь анемии Фанкони», недостаточность работы которого и вызывает одноименное заболевание. Ключевую роль в работе «сигнального пути анемии Фанкони» играет белок FANCD2. FANCD2 (Fanconi anemia group D2 protein) моноубиквитинируется в ответ на повреждение ДНК, что приводит к его локализации в ядре с другими белками (BRCA1 и BRCA2 и др.) и последующей репарации ДНК по пути гомологичной рекомбинации. Было показано, что у мышей с инактивированными генами ALDH2 и FANCD2 развивалось сильное истощение пула гемопоэтических стволовых клеток, что приводило к спонтанному разрушению костного мозга. Любопытно также, что у мышей, несущих тройной нокаут (кроме генов ALDH2 и FANCD2 нокаутирован также ген белка р53), наблюдалось значительное меньшая гибель ГСК. Кроме того, у мышей с «неработающим» р53 живые ГСК не содержали больше мутаций в структуре ДНК, чем у мышей с функционально активным белком. По мнению исследователей, это связано с тем, что к функциям белка р53 относится удаление потенциально онкогенных клеток из общего пула реплицирующихся клеток, однако некоторые повреждения ДНК способны восстанавливаться с помощью дополнительных систем репарации в клетке, которые включаются, если клетку «оставить в живых».
Эти дополнительные системы репарации можно отнести к механизмам третьей линии защиты клеток от повреждений ДНК. К ним относится, в частности, механизм негомологичного соединения концов ДНК (НСК). Было показано, что в отличие от экспериментов на клеточных культурах и червях нематодах, у мышей НСК вносит положительный вклад в репарацию ДНК и повышает ее устойчивость к повреждению ацетальдегидом. По словам ученых, необходимо проводить дополнительные исследования для выяснения, как именно функционируют описанные механизмы у человека.
«В этой работе подчеркивается, что алкоголь может нанести ущерб здоровью многих людей в гораздо более серьезной степени, чем простое похмелье. Многие злокачественные образования развиваются из-за повреждения ДНК в стволовых клетках. Хотя некоторые из таких повреждений происходят случайно, наши результаты достоверно доказывают, что употребление алкоголя может значительно увеличить риск», - отметил профессор Кетан Патель, ведущий автор исследования.