1. Ðặc điểm của tế bào ung thư

2. Giả thuyết nhiều bước

3. Gen gây ung thư (Oncogen)

4. Nguyên nhân môi trường của ung thư 

Các nhà sinh học hy vọng học được nhiều về cách hoạt động của hệ thống kiểm soát ở tế bào bình thường bằng việc nghiên cứu xem làm thế nào các hệ thống kiểm soát trong tế bào bình thường trở nên xáo trộn dến mức cho phép các tế bào ung thư phát triển.  Ðặc điểm nổi bật nhất của các tế bào ung thư là sự tăng sinh không kìm hãm, kết quả là sự hình thành các khối u ác tính và sự lan rộng của các tế bào nầy từ vùng ban đầu đến các phần khác nhau của cơ thể, một quá trình được gọi là sự di căn (metastasis).  Những nghiên cứu  các tế bào nầy dẫn đến  cách thức ngăn ngừa hoặc xử lý ung thư tốt hơn.

Một trong những cách thích hợp nhất trong việc nghiên cứu tính chất của các loại tế bào đặc biệt là nuôi cấy chúng trong phòng thí nghiệm.  Phần lớn các dòng tế bào động vật được nuôi cấy ngừng phân chia khi chúng trở nên đông đúc, hoặc sau một số thế hệ sự đông đúc bị chặn lại (số thế hệ thiì chuyên biệt cho loài và mô).   Sự  phát triển của các tế bào nuôi cấy cho thấy có hai cơ chế ngăn cản sự phát triển không giới hạn của tế bào trong cơ thể. 

Một là phản ứng của tế bào đối với ảnh hưởng của sự đông đúc, được gọi là sự ức chế tiếp xúc (contact inhibition).  Khi các thụ thể trong màng tế bào nhận ra các dấu hiệu trong các lớp vỏ tế bào của các tế bào kế cận cùng loại, các thụ thể truyền tín hiệu cho nhân và sự phân bào bị đình chỉ.  Tuy nhiên, sự ức chế nầy không tuyệt đối: chẳng hạn khi thêm vào các yếu tố tăng trưởng với nồng độ cao có thể kích thích tiếp sự phân bào ngay cả trong mẻ cấy quá đông.

Cơ chế thứ hai: sự tự ngừngû phân bào sau một số lần phân chia, là một hệ thống độc lập giới hạn sự tăng sinh của tế bào; trong phần lớn các mô hệ thống này hoạt động khi sự ức chế tiếp xúc không hoạt động bình thường.  Các tế bào được nuôi cấy tiếp tục phân chia mãi, rơi vào một trong hai trường hợp: hoặc bị mất hệ thống kiểm soát số lần phân chia và tiếp tục phát triển khi số lượng chúng còn ít, hoặc bị mất cả hai hệ thống kiểm soát.  Các loại tế bào nầy trở nên bất tử trong môi trường nuôi cấy, trở thành các khối u lành tính (benign tumor) hoặc trở thành ung thư: chúng sẽ phân cắt không ngừng để tạo ra khối mô. 

Một đặc tính của tế bào ung thư được nuôi cấy là hầu như luôn luôn có một bộ nhiễm sắc thể không bình thường.  Thí dụ các tế bào của một dòng ung thư ở người gọi là HeLa có 70-80 nhiễm sắc thể thay vì bình thường là 46.  Ðiều thú vị là các dòng tế bào không ung thư trải qua giai đoạn khủng hoảng trong môi trường và trở nên bất tử cũng có số nhiễm sắc thể phụ trội, và dường như số nhiễm sắc thể này giải phóng các tế bào nuôi cấy vượt qua sự kìm hãm phát triển.  Tuy nhiên, trong các mô ung thư của cơ thể, sự gia tăng số lượng nhiễm sắc thể như thế là không điển hình.  Thay vào đó, thường có sự sắp xếp lại của các nhiễm sắc thể bình thường.  Thí dụ khoảng 90% bệnh nhân Burkitt(s lymphoma (ung thư của tế bào trong hệ thống miễn dịch) đầu của nhiễm sắc thể 8 đã được chuyển đến phần cuối của nhiễm sắc thể 14.  Ðiểm gắn trên nhiễm sắc thể 14 gần một gen mã hóa cho một polypeptid của hệ thống miễn dịch, trong khi vùng chuyển vị chứa một gen thường có trong các tế bào ung thư.  10% bệnh nhân của bệnh nầy có các vùng chuyển vị khác trên nhiễm sắc thể 8.  Ðiều nầy có nghĩa là vị trí này ở nhiễm sắc thể 8 có một vùng kiểm soát có thể gây ung thư bằng cách kích thích sự phiên mã của các gen đặc biệt nầy.

Bên cạnh những sự khác biệt trong nhân, các tế bào ung thư và các tế bào bình thường còn khác biệt có ý nghĩa về hình dạng tế bào và bản chất của bề mặt tế bào.  Thí dụ: các tế bào ung thư nuôi cấy thường có dạng hình cầu, hình dạng này chỉ gặp ở các tế bào bình thường trong một giai đoạn ngắn ngay khi tế bào phân cắt.  Ðặc điểm hình dạng nầy có thể là do số vi sợi  (microfilament) quá ít, do đó làm cho các tế bào linh động hơn các tế bào bình thường.  Thật vậy, phần lớn các tế bào bình thường phải bám vào một bề mặt để phát triển vì chúng cần  giá đỡ để thực hiện những chức năng thích hợp.  Các tế bào ung thư không bị hạn chế bởi điều kiện nầy và vì vậy chúng có thể phát triển trong các chất dịch hoặc trên bề mặt mềm.

            Các tế bào ung thư, với bề mặt khác thường của chúng, không có khả năng phản ứng thích hợp với những thay đổi của môi trường.  Ðặc biệt các tế bào ung thư có glycolipid và glycoprotein khác nhau và ít hơn trong lớp vỏ tế bào.  Những  khác biệt nầy có lẽ có quan hệ với việc thiếu ức chế  tiếp xúc bình thường trong sự phân bào và sự mất khả năng nhận biết những tế bào trong cùng loại mô.  Sự vắng mặt ái lực tế bào bình thường có thể là một trong những lý do vì sao các tế bào ác tính của nhiều loại ung thư có thể lan rộng (Hình 7).

Ðể di căn trong một cơ thể và cũng để thoát khỏi mô hay cơ quan ban đầu của nó, tế bào ung thư thường phải có khả năng sản xuất và chuyển đến màng của nó một thụ thể gọi là laminin, làm cho tế bào ung thư gắn vào một lớp màng nền cứng nằm dưới hoặc bao quanh mô, cơ quan và mạch máu trong hệ tuần hoàn.  Sau đó nó phải tiết ra collagenaz để tiêu hóa lớp màng nầy và làm cho tế bào xuyên qua ranh giới để tạo khối u.  Ðặc biệt, khả năng phá vỡ lớp màng bao quanh các mao mạch cho phép các tế bào ung thư lan khắp cơ thể.  Vì phần lớn các tế bào bình thường không thể tạo ra laminin cũng như không tiết collagenaz nên các khối u nằm ở vị trí ban đầu và vì vậy chúng lành tính.

 Những hiểu biết về ung thư hiện nay cho rằng sự biến đổi một tế bào bình thường thành một tế bào ung thư bao gồm nhiều sự thay đổi: mất đi hệ thống kiểm soát số lần phân bào, mất hoặc giảm sự ức chế tiếp xúc, mất khả năng bám và đôi khi, thay đổi bề mặt tế bào.  Nhưng trong nhiều mô,  những thay đổi nầy cũng chỉ tạo ra các u lành tính phát triển chậm và rồi ngừng hẳn vì các tế bào không sản xuất tín hiệu hóa học hoặc các tín hiệu tạo mao mạch.  Ngay cả khi có mao mạch, khối u cũng không thể di căn nếu không có khả năng gắn và phá hủy lớp màng nền.  Tất cả các thay đổi nầy xảy ra là kết quả của một sự kiện di truyền hay mỗi thay đổi là kết quả của một hoặc nhiều sự kiện riêng rẽ?

A.  Knudson (Viện nghiên cứu ung thư ở Philadelphia) đã chỉ rõ, nếu sự phát triển của 1 khối u  ác tính     chỉ do một sự kiện di truyền đơn độc, xác suất một cá thể bị ung thư phải tăng tỉ lệ với tuổi.  Thí dụ nếu xác suất bị ung thư da là 1% mỗi năm thì cơ hội mắc bệnh phải là 2% cho người 2 tuổi, 3% cho người 3 tuổi .... 

Tuy nhiên, trong thực tế tỉ lệ bị ung thư trong quần thể không tăng theo kiểu tuyến tính nầy.  Thay vào đó, ung thư thường là một bệnh của tuổi già.  Knudson đã kết luận rằng bệnh ung thư do nhiều sự kiện di truyền độc lập.  Ðường cong sẽ là sản phẩm của các xác suất của các sự kiện riêng rẽ.  Chắc chắn rằng một số trường hợp ung thư (như  ung thư máu, ung thư hệ thống miễn nhiễm) chỉ đòi hỏi 2 hoặc 3 sự kiện di truyền, trong khi một số khác cần từ 4 đến 7.  Có sự nhất trí cao là cần 2 đến 7 mức độ kiểm soát tham gia: số lần phân bào nhất định, ức chế tiếp xúc, sự bám, ái lực loại mô, nhu cầu cho các protein gắn màng, enzim tiêu hóa collagen, và sự tạo mao mạch. 

            Tuy nhiên, chỉ những nghiên cứu thống kê không thể cho chúng ta biết về thành phần của sự kiện di truyền dẫn đến bệnh ung thư, cũng không có nghiên cứu nào cho ta biết hiệu quả chính xác của các sự kiện.  Những nghiên cứu gần đây cho thấy phần lớn các bước có dính líu trực tiếp đến sự mất hoặc thiếu mức độ sự kiểm soát.  Những dữ liệu tốt nhất của việc nầy đến từ các nghiên cứu trên các gen gây ung thư.

Sự khám phá ra gen gây ung thư có một lịch sử phức tạp.  Năm 1910 Peyton Rous (Viện Rockefeller, New York) đã tìm ra siêu khuẩn Rous sarcoma, có thể gây ung thư ở gà.  Kết luận của Rous không được công nhận rộng rãi trong nhiều thập kỷ.  Ngày nay chúng ta biết rằng tác nhân gây bệnh trong trường hợp nầy là một siêu khuẩn phiên mã ngược (siêu khuẩn phiên mã ngược), chúng sản sinh ra một bản sao cADN từ ARN của nó, rồi tổ hợp vào nhiễm sắc thể của vật chủ.  Một vài chủng siêu khuẩn Rous gây ra ung thư nhanh chóng, với tỉ lệ cao vì cADN có mang oncogen (gọi là v-src - v là gen của siêu khuẩn).  Sự biểu hiện của gen nầy trong nhiễm sắc thể chủ tạo ra tế bào ung thư.  Các siêu khuẩn phiên mã ngược thông thường (những loại không có oncogen) cũng có thể gây ung thư, nhưng chỉ với một tỉ lệ độ thấp và sau một giai đoạn tiềm ẩn dài.  Sự phối hợp của cADN vào bộ gen chủ rất ngẫu nhiên và ung thư từ siêu khuẩn phiên mã ngược bình thường chỉ xuất hiện khi sự phối hợp xảy ra gần một trong một số gen đặc biệt ở nhiễm sắc thể chủ, gọi là gen tiền ung thư (proto-oncogene).  Có lẽ vùng kiểm soát tích cực trên cADN  biến đổi sự biểu hiện của một hoặc nhiều gen nầy.  Oncogen là những gen chắc chắn gây ra ung thư; ngược lại, protooncogen có khả năng gây ung thư nhưng cần một vài thay đổi để biến chúng thành oncogen.

Hình 7.  Sự phát triển của một khối u ác tính

Có lẽ khám phá đáng ngạc nhiên nhất về gen gây ung thư v-src là nó đặc biệt giống với một gen bình thường ở gà.  Thật vậy, gen bình thường nầy (ký hiệu là c-src để chỉ rằng nó là của tế bào ban đầu) là một gen tiền ung thư, phối hợp của cADN bình thường ở gần c-src có thể gây ung thư.  Từ năm 1970 người ta đã khám phá hơn 20 loại siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư, lây nhiễm ở chim và hữu nhủ, mỗi loại mang một gen gây ung thư gần giống hệt với gen tiền ung thư ở vật chủ bình thường.       

Những nghiên cứu các khối u của người được nuôi cấy và các khối u ở động vật không do siêu khuẩn  gây nên đã cho thấy những điểm rất giống với các tập tính được quan sát của siêu khuẩn phiên mã ngược: một số thay đổi di truyền làm các tế bào nuôi cấy thành các tế bào ung thư mang các gen gây ung thư như đã  tìm thấy trong siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư.  Một số gen gây ung thư không do siêu khuẩn dường như do đột biến ở  gen tiền ung thư làm biến đổi, làm mất hoặc thêm vào trình tự của một baz.  Một số khác có lẽ là gen tiền ung thư đã được di chuyển khỏi vị trí bình thường và do đó không còn các kiểm soát bình thường của chúng và trở thành các gen gây ung thư.  Ngược lại, đột biến lẫn sự chuyển vị xảy ra ở một vùng kiểm soát gần một gen tiền ung thư có thể biến đổi một gen tiền ung thư thành một gen gây ung thư.  Sự chuyển vị dường như bao gồm sự di chuyển một gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó đến một bên gen tiền ung thư hoặc sự di chuyển gen tiền ung thư đến bên gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó.  Cuối cùng, có các gen kháng ung thư (anti-oncogen) là các gen mã hóa cho các protein khử hoạt tính các sản phẩm của gen gây ung thư.  Sự bất hoạt của một gen ưcï chế thì tương đương với sự hoạt hóa một gen tiền ung thư.

Các cơ chế khác nhau có thể dẫn đến sự xuất hiện của một gen gây ung thư trong bộ gen được tóm tắt như sau: 

Gen bị biến đổi dẫn đến sự biến đổi của sản phẩm

            1.  Sự phốiø hợp của gen gây ung thư ở siêu khuẩn phiên mã ngược

            2.  Sự đột biến của gen tiền ung thư bình thường tạo ra  gen gây ung thư

    II.  Sự biểu hiện của gen bị biến đổi, trong đó một gen được phiên mã ở một thời          điểm sai hoặc với một tỉ lệ quá cao

            Nghiên cứu hiện nay cho thấy phần lớn các gen gây ung thư mã hóa cho các sản phẩm thuộc một trong bốn loại : (1) các yếu tố phát triển (các phân tử tín hiệu ngoại bào để kích thích sự tăng sinh của tế bào), (2) các thụ thể (cho các yếu tố phát triển, ức chế tiếp xúc, hoặc bám trên bề mặt), (3) các hệ thống tín hiệu trong tế bào (truyền thông tin từ thụ thể đến các enzim nội bào hoặc các protein gắn), (4) các phân tử ADN gắn (điều hòa sự phiên mã của các gen đặc biệt hoặc sự sao chép trọn bộ gen).

            Bằng chứng đầu tiên liên quan đến hoạt động của gen gây ung thư là công trình của Raymon Erikson và Marc Collett (Ðại học Colorado) trên gen gây ung thư src.  Họ đã phát hiện rằng enzim được mã hóa bởi src là một loại phân tử tín hiệu nội bào gọi là một protein kinaz.  Enzim này phosphoryl hóa tyrosin.  Tyrosin được phosphoryl hóa cũng được tìm thấy trong các tế bào bình thường.  Tuy nhiên trong các tế bào có gen src, sự phosphoryl hóa tyrosin tăng ít nhất 10 lần hơn mức bình thường.  Ngày nay người ta đã biết một số gen gây ung thư khác mã hóa cho các tyrosin- kinaz, trong khi một vài loại khác mã hóa cho các serin kinaz.

            Một số gen gây ung thư dường như mã hóa cho các sản phẩm làm cầu nối hai bước từ các tín hiệu ngoại bào đến gắn ADN.  Thí dụ thụ thể EGF (Epidrmal Growth Factor-yếu tố tăng sinh biểu bì) có một thành phần ngoại bào gắn vào EGF, và một phần nội bào hoạt động như một kinaz.  Ít nhất có một gen gây ung thư để mã hóa cho một enzim rất giống với phần kinaz của thụ thể EGF được hoạt hóa nhưng thiếu phần ngoại bào gắn vào EGF.  Sản phẩm của gen gây ung thư nầy có thể hoạt động bằng cách tạo tín hiệu cho tế bào phân chia liên tục, dù EGF có hiện diện hay không. 

Như chúng ta đã thấy, đột biến, chuyển vị và siêu khuẩn phiên mã ngược đều có vai trò trong việc khởi phát ung thư.  Chúng ta cũng biết rằng nhiều đột biến và chuyển vị được tạo ra do các tác nhân bên ngoài - bức xạ và  hóa chất gây đột biến.  Nhưng liên kết các hóa chất hoặc nguồn bức xạ với ung thư ở người và đánh giá sự nguy hiểm tương đối của mỗi yếu tố rất khó khăn.  Không phải mỗi đột biến đều xảy ra ở vị trí gây ung thư, và  một đột biến ở một vị trí như thế sẽ chỉ khởi phát một trong những bước cần thiết để phát triển ung thư.  Chúng ta đã thấy rằng cần có từ 2 đến 7 sự kiện di truyền độc lập; bước cuối cùng có thể xảy ra nhiều năm sau khi có sự tiếp xúc đầu tiên với một  bức xạ hoặc một hóa chất gây đột biến.

            Sự thiếu của các mối liên hệ nhân quả chặc chẽ giữa tác nhân gây đột biến và ung thư đã làm cho sự nhận diện và sự đánh giá của các tác nhân có khó khăn, ngay cả trong những trường hợp rõ nhất.

            Một cách để đánh giá khả năng gây ung thư của các hóa chất và  bức xạ là dùng các động vật (thường là chuột) để đo liều lượng của các tác nhân nầy.  Cách nầy đắc tiền và tốn thời gian, thêm vào đó ta phải giả định rằng những gì gây ung thư trên chuột cũng tác động tương tự trên người.  Một phương pháp khác nữa là xét nghiệm Ames: dùng vi khuẩn và những chất có khả năng gây ung thư để xem có sự đột biến hay không, với giả định là một chất gây đột biến trên E. coli là chất gây ung thư trên người.  Xét nghiệm Ames đã phát hiện ra nhiều chất có khả năng gây ung thư.  Các thành phần của nhựa than trong các thuốc nhuộm tóc và các mỹ phẩm, xà phòng hexachlorophen, các hóa chất chống cháy trong quần áo ngủ của trẻ em, protein trong thịt nướng, khói cháy rừng, và vài hóa chất trong một số rau cải và gia vị là một số trong các chất được xác định có thể gây ung thư bằng xét nghiệm Ames.