U podstaw rozwoju nowotworu leży kilka mechanizmów, do których należą: mutacje zachodzące w materiale genetycznym komórki – w miejscach kodujących czynniki strategiczne dla regulacji cyklu komórkowego, zmiany epigenetyczne materiału genetycznego – zaburzające ekspresję genów regulacyjnych, a także obcy materiał genetyczny wirusów – wprowadzony do komórki może aktywować niekontrolowaną proliferację komórki.

Wszystkie powyższe mechanizmy są powodowane przez czynniki kancerogenne, które można podzielić na: mechaniczne (m.in. promieniowanie UV, jonizujące), chemiczne (m.in. arsen, azbest, benzen, alkohol) oraz biologiczne (m.in. wirusy HPV, HSV, bakterie np. Helicobacter pylori oraz niektóre pasożyty).

Mutacje zachodzą głównie w komórkach somatycznych, a więc nie są przekazywane do komórek rozrodczych, a jedynie do tych powstałych po podziale. Inaczej sytuacja wygląda, gdy mutacja następuje w komórkach germinalnych – mamy do czynienia z dziedziczną mutacją DNA, która znacznie zwiększa ryzyko rozwoju nowotworu.

Rozwój nowotworu następuje mimo zaprzestania działania czynników kancerogennych, ponieważ na tym etapie komórka nie odpowiada już na czynniki regulacyjne, następują ciągłe podziały komórkowe oraz, poprzez zaburzone mechanizmy naprawy DNA, dochodzi do kumulacji mutacji w materiale genetycznym. Podobnie jak w teorii doboru naturalnego, przeżywają tylko komórki najlepiej przystosowane. Podstawę rozrostu stanowi tutaj zaburzenie równowagi liczebności komórek organizmu – przewaga podziałów komórkowych nad apoptozą.

Mechanizmy regulujące wzrost komórki
Za regulację podziałów komórkowych odpowiadają zarówno negatywne, jak i pozytywne czynniki, których wzajemny stosunek pozwala na utrzymanie homeostazy komórkowej na odpowiednim poziomie. Gdy jedne lub drugie są w przewadze – następuje odpowiednio przewaga śmierci komórkowej lub nowotworzenia. Ponadto regulacja ta zachodzi tylko w komórkach somatycznych organizmu – zawierających dwa allele genów.
Białka regulatorowe, o których mowa, można podzielić na dwie główne rodziny – supresorowe i protoonkogeny.

Białka supresorowe pełnią funkcję negatywnych regulatorów, dlatego mutacja w jednym allelu nie powoduje jeszcze rozwoju guza, a jedynie zwiększa prawdopodobieństwo nowotworzenia – jeden allel zwykle jest wystarczający do prawidłowej regulacji cyklu komórki. Dziedziczona mutacja w jednej z komórek rozrodczych zwiększa prawdopodobieństwo rozwoju nowotworu, ponieważ posiadamy już tylko jeden prawidłowy allel. Zjawisko to jest tłumaczone teorią dwóch uderzeń Knudsona. Istnieje także teoria haploinsuficjencji, która ukazuje wyjątki od teorii Knudsona, w których mutacja jednego allelu powoduje obniżenie produkcji danego białka o połowę i pozwala w niektórych przypadkach na rozwój nowotworu, m.in. w przypadku genów regulujących naprawę DNA oraz odpowiadających na uszkodzenie DNA.

W przypadku protoonkogenów mamy do czynienia z pozytywną regulacją wzrostu, dlatego mutacja w jednym z tych genów, wywołująca jego stałą aktywację – przekształcenie w onkogen – powoduje już nowotworzenie, mimo posiadania drugiego genu prawidłowego – jest to mutacja dominująca.
Mutacje mogą występować zarówno w regionie promotora – powodują stałą produkcję genu, pojawienie się produktu w nieodpowiednim czasie i miejscu lub wyciszenie genu, jak i w regionie kodującym produkt – w tym przypadku może powstać za krótkie białko (gdy pojawi się przedwcześnie kodon stop), niewłaściwie sfałdowane lub białko fuzyjne.

Nie jest możliwe wyizolowanie pojedynczego szlaku odpowiedzialnego za molekularne podłoże nowotworzenia, ponieważ w warunkach in vivo szlaki przemian wzajemnie na siebie oddziałują na różnych etapach.

Zaburzenia regulacji w nowotworzeniu
Rodziną białek, które są wymagane w każdym przypadku nowotworzenia, są kinazy – enzymy odpowiadające za fosforylację odpowiednich aminokwasów, specyficznych dla danego typu kinazy, np. trozynowa, serynowo-treoninowa. Przyłączenie grupy fosforanowej powoduje zmiany konformacyjne białka i regulację jego aktywności, biorąc udział w regulacji cyklu komórkowego, przekazywania sygnału w komórce, a także regulacji transkrypcji genów. Kinazy zostały zaobserwowane, m.in. na powierzchni komórek, jako receptory transbłonowe, w przestrzeni wewnątrzkomórkowej jako wewnątrzkomórkowe przekaźniki, a także wewnątrz jądra komórkowego.

Przeciwieństwo kinaz stanowi rodzina fosfataz, która odpowiada za odłączenie grupy fosforanowej, regulując aktywność białek antagonistycznie w stosunku do kinaz. Sztandarowymi przykładami zaburzeń są białka supresorowe retinoblastoma (Rb) oraz p53, odpowiadające za regulację cyklu komórki.

Rb działa jako inhibitor proliferacji komórki, poprzez hamowanie czynnika transkrypcyjnego E2F i przejście z fazy G1 do S cyklu komórkowego. Aktywność białka Rb jest regulowana na drodze fosforylacji, poprzez cykliny D i E związane kinazami zależnymi od cyklin (CDK), odpowiednio 4/6 i 2, inaktywując białko Rb. Natomiast za negatywną regulację CDK odpowiadają odpowiednio p16 (INK4A) oraz p21 i p27. Cyklina D1 ulega często nadekspresji, m.in. w raku piersi, a inhibitor p16 CDK4/6 często zostaje wyciszony na skutek modyfikacji epigenetycznych w czerniaku.

Białko p53 jest „strażnikiem genomu” – w odpowiedzi na uszkodzenie materiału genetycznego, oddziałuje poprzez: zatrzymanie cyklu komórkowego – dzięki nadekspresji p21, aktywację transkrypcji genów odpowiedzialnych za naprawę DNA oraz aktywację szlaku apoptozy, poprzez wpływ na geny proapoptotyczne BAX, PUMA czy PIG3.

Ze względu na pełnione funkcje, białko p53 jest najczęściej zmutowane w nowotworach u ludzi, poprzez zaburzenie wiązania z sekwencjami docelowymi.

Za regulację pomiędzy dostępnością składników odżywczych a czynnikami wzrostu odpowiada szlak mTORC1, który składa się z dwóch głównych ścieżek ulegających mutacji w nowotworzeniu: kinaza 3-fosfatydyloinozytolu (PI3K) oraz kinaza białkowa aktywowana AMP (AMPK).

PI3K dzięki aktywacji AKT wpływa ujemnie na aktywację TSC (kompleks stwardnienia guzowatego złożony z dwóch podjednostek: TSC1 i TSC2), co w rezultacie utrzymuje w aktywnej formia Rheb (mała GTPaza) i aktywuje szlak mTORC1. Poza tym AKT wpływa także na aktywność RB, dzięki inaktywacji czynników FoxO – odpowiadających za wzrost ekspresji p21 i p27 oraz GSK3-β – pobudzającego degradację cykliny D1.

W normalnych komórkach utrzymywana jest zmniejszona aktywność szlaku PI3K-AKT, dzięki fosfatazie lipidowej PTEN – defosforylującej 3-fosforan fosfatydyloinozytolu (PIP3), przeciwdziałając aktywacji PI3K. W komórce nowotworowej aktywacja mTORC1 zachodzi m.in. dzięki mutacji aktywującej PI3K, zwiększeniu amplifikacji AKT1, obniżeniu syntezy TSC2 oraz mutacji utraty funkcji PTEN (m.in. w zespole Cowdena).

Szlak AMPK jest aktywowany zwiększonym stężeniem AMP oraz fosforylacją przez kinazę LKB-1 w odpowiedzi na obniżenie dostępności odpowiednio ATP i glukozy. Aktywna postać AMPK odpowiada za fosforylację TSC2 i w konsekwencji inaktywację mTORC1, kierując komórkę na szlak kataboliczny.
W komórkach nowotworowych za inaktywację szlaku AMPK odpowiada najczęściej utrata funkcji LKB1 (m.in. w zespole Peutz-Jeghersa oraz sporadycznie w raku niedrobnokomórkowym płuc i raku szyjki macicy). Ważny jest także wpływ szlaków mTORC na aktywację p53 – zarówno zahamowanie aktywacji AKT-mTORC oraz aktywacja AMPK mogą indukować p53.

Jednym z głównych mechanizmów, a także punktem uchwytu dla projektowanych leków, jest szlak przekazywania sygnału do wzrostu, poprzez receptor dla czynnika wzrostu nabłonka (EGFR, ErbB, HER). W skład EGFR wchodzą trzy domeny: zewnątrzkomórkowa wiążąca ligand, śródbłonowa oraz cytoplazmatyczna mająca aktywność kinazy tyrozynowej.

Przekazanie informacji z powierzchni komórki do jądra komórkowego obejmuje kilka etapów, wśród których możemy wyróżnić kolejno: związanie EGF z receptorem na powierzchni komórki, dimeryzację pomiędzy dwoma receptorami ErbB, autofosforylację z udziałem kinazy fosforylującej sąsiedni receptor w formie dimerycznej, aktywację wewnątrzkomórkowych przekaźników (m.in. RAS) oraz kaskady kinaz serynowo-treoninowych, aż do regulacji czynników transkrypcyjnych i ekspresji genów.
Na każdym z wymienionych etapów może dojść do zaburzenia pełnionej funkcji, pobudzając komórkę do podziałów. Komórki zawierają geny zarówno dla EGF, jak i EGFR, umożliwiając pobudzanie autokrynne receptora, poprzez nadmierną produkcję EGF w komórce – działanie wykryte zostało w komórkach nowotworowych mięsaków i glejaków.

Predyspozycję do rozwoju nowotworów wykazują także komórki pobudzane parakrynnie, w odpowiedzi na przewlekły proces uszkodzenia i regeneracji tkanki, jak np. w marskości wątroby czy chorobach zapalnych jelit. Podobny mechanizm obserwowany jest podczas angiogenezy pobudzanej przez komórki nowotworowe wydzielające czynnik wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF).

W raku brodawkowatym tarczycy mamy z kolei często do czynienia z rearanżacją w genie RET kodującym kinazę tyrozynową. Natomiast mutacja w linii germinalnej w RET, zwiększająca aktywność, stanowi podłoże dla rozwoju zespołów gruczolakowatości wewnątrzwydzielniczej (MEN): 2A – mamy do czynienia z tworzeniem mostków cysteinowych i dimeryzacją oraz 2B – występuje mutacja punktowa. Z mutacją aktywującą lub nadekspresją w genie MET, kodującym mamy do czynienia w przypadku raka wątrobowokomórkowego, żołądka i jelita grubego. Jest ono również związane z przerzutami nowotworów głowy i szyi. Poza tym w linii komórek germinalnych wykazano mutację w genie MET, mającą związek z dziedzicznym nowotworem brodawkowatym nerki.

Dla kilku innych receptorów wykazano również związek pomiędzy nowotworzeniem a konstytutywną aktywacją domeny kinazy tyrozynowej.

Mutację w genie kodującym BRAF – białko z rodziny kinaz serynowo-treononowych – zaobserwowano w komórkach czerniaka oraz guzach pierwotnych, a także rzadziej w raku okrężnicy i drobnokomórkowym raku płuc. Zmutowany gen CRAF z kolei zidentyfikowano ostatnio w raku prostaty.

Kolejnym białkiem z obserwowaną mutacją w około 30% nowotworów jest RAS, które stanowi wewnątrzkomórkowy przekaźnik, przekazujący sygnał aktywujący wzrost komórki po przyłączeniu czynnika wzrostu do receptora. Białko RAS należy do białek G – aktywowanych poprzez wymianę GDP na GTP. W tym przypadku mutacje punktowe powodują zmniejszenie szybkości hydrolizy GTP lub zmniejszenie wrażliwości na białko GAP stymulujące hydrolizę. Co ciekawe, zgodnie z obserwacjami na hodowlach in vitro, sama mutacja RAS powoduje zatrzymanie wzrostu, prawdopodobnie na skutek nadmiernej aktywacji p16. Nadmierny wzrost obserwowany jest dopiero po zahamowaniu funkcji białek supresorowych – p16 oraz p53.

Mutacja w genie kodującym białko regulujące hydrolizę GTP – GAP jest odpowiedzialna za predyspozycję do rozwoju neurofibromatozy typu 1. Mutacja w obu allelach prowadzi do rozrostu nowotworowego. W zespole Noonan także zaobserwowano mutacje w genach regulatorowych RAS – SHP2, GNEF SOS1.

RAS może stymulować ekspresję białek antyapoptotycznych z rodziny Bcl-2, co zwiększa przeżywalność komórek. Zwiększoną ekspresję Bcl-2 zaobserwowano m.in. w chłoniaku grudkowym czy przewlekłej białaczce szpikowej.

Czynniki transkrypcyjne z rodziny Myc – odpowiadające za wzrost, różnicowanie oraz apoptozę komórek obserwowane są w około 70% nowotworów złośliwych. Jednak aby wywołać transformację nowotworową, wymagają dodatkowych zaburzeń, np. w genie RAS lub p53.

Kinazy z rodziny JAK również odgrywają ważną rolę w nowotworzeniu – obserwacje wykazały mutację genu JAK2 u pacjentów z nowotworami mieloproliferacyjnymi, m.in. czerwienicy prawdziwej i nadpłytkowości samoistnej.

W gruczolakach i gruczolakorakach wydzielających hormony, m.in. hormony tarczycy czy hormon wzrostu, ważną rolę odgrywają receptory sprzężone z białkiem G. Mutacja podjednostki α białka Gs prowadzi do stałej aktywacji, powodując wydzielanie hormonów. Często w komórkach nowotworowych obserwowana jest nadekspresja receptora białka G i aktywacja na drodze autokrynnej, m.in. w raku trzustki czy prostaty. Prawdopodobnie we wszystkich przypadkach raka jelita grubego bierze udział sygnalizacja szlakiem Wnt β-katenina, który jest odpowiedzialny za regulację różnicowania w komórkach macierzystych oraz karcynogenezę. Szlak Wnt wpływa m.in. na geny kodujące białka, regulujące cykl komórkowy, jak cyklina D1 czy c-Myc. W około 80% przypadków mutacje germinalne, inaktywujące w genie APC – odpowiadającym za utrzymanie β-kateniny na niskim poziomie – są odpowiedzialne za rodzinną polipowatość gruczolakowatą, prowadzącą do rozwoju raka jelita grubego. Kolejne 20% jest także związane ze zwiększeniem sygnalizacji Wnt, poprzez mutacje w genie β-kateniny.

Szlak Wnt bierze udział również w powstawaniu innych nowotworów, jak np. raku niedrobnokomórkowym płuc, raku sutka, mięsakach, a także czerniaku.

Podsumowując, z jednej strony można zauważyć, że mimo olbrzymiej ilości i złożoności mechanizmów regulacyjnych w komórce, wystarczy zaburzenie w jednej płaszczyźnie, aby spowodować „efekt domino” i promocję rozwoju nowotworu. Jednak z drugiej strony wspomniane mechanizmy często uniemożliwiają selektywne, skuteczne leczenie chorób nowotworowych.