האונקוגן הראשון שזוהה היה הגן src שהתגלה על ידי ג'. סטיבן מרטין ופיטר וויט מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי ב-1970. הגן התגלה ברטרו-וירוס Rous sarcoma virus (RSV) הפוגע בתרנגולות. תאי רקמת חיבור (פיברובלאסטים) של תרנגולות שהודבקו בנגיף זה עברו התמרה סרטנית, והזרקתם לתרנגולות גרמה להופעת סרקומות בתרנגולות לאחר שבוע- שבועיים ממועד ההדבקה. לעומת זאת, רטרו-וירוס אחר Avian leukosis virus (ALS) מאותה משפחת נגיפים (אלפא-רטרו-וירוס) מסוגל גם הוא להדביק ולהתחלק באותם סוגי תאים של תרנגולות, אך אינו גורם להופעת גידול סרטני. מקור ההבדל נעוץ במקטע של 1500 נוקלאוטידים המצוי בגנום נגיף ה-RSV אך לא בנגיף ה-ALV. מקטע זה אחראי אך ורק להופעת הסרקומות, ולא לשכפול הווירוס. מכיוון שמקטע זה גורם להופעת סרקומות הוא נקרא (sarcoma) src.
עד 2020 בודדו יותר מ-40 סוגים שונים של רטרו-וירוסים אונקוגניים במגוון בעלי חיים שונים, וביניהם תרנגולים, תרנגולי הודו, עכברים, חולדות, חתולים וקופים. כל הווירוסים האלו, בדומה ל-RSV, מכילים בגנום לפחות אונקוגן אחד, ובחלק מהמקרים שני אונקוגנים, שאינם דרושים כלל למערכת שכפול הווירוס. אף על פי שבחלק מהמקרים הווירוסים השונים מכילים את אותו אונקוגן, יותר מ-20 אונקוגנים שונים זוהו ואופיינו בשיטה הזו. רבים מהאונקוגנים הויראליים שהתגלו בצורה זאת מקודדים לחלבונים המשפיעים בצורה משמעותית על מערכת מעבר האותות שמעודדת חלוקת תאים.
פרוטו-אונקוגנים.
בהתחלה זוהו האונקוגנים כגנים שהוחדרו לתא ממקור נגיפי וגרמו ליצירת רקמה סרטנית. אונקוגנים אלו אינם משפיעים כלל על שכפול הנגיף, כאשר הנגיפים מסוגלים להתחלק ולהדביק תאים גם בלעדיהם. לכן הועלו השאלות, מהו מקור האונקוגנים ומה תפקידם?
הרמז הראשון לעצם קיומם בגנום החיה ולא רק בנגיף, ולמקורם של אונקוגנים, הגיע מניסוי שערכו החוקרים הרברט אבלסון (Herbert T. Abelson) ולואיס רבסטיין (Louise S Rabstein) מהמכון הלאומי לסרטן בארצות הברית. צמד החוקרים הדביקו כ-150 עכברים בנגיף שאינו מכיל אונקוגנים ואינו גורם לגידול סרטני. אחד מ-150 העכברים פיתח לימפומה (סרטן של בלוטות הלימפה), ומהגידול בודד נגיף אונקוגני חדש שנקרא נגיף הלוקמיה של אבלסון . גנום נגיף זה הכיל מקטע חדש שלא היה בנגיף המקורי. מקטע זה זוהה בתור אונקוגן המעודד התפתחות סרטן, ונקרא abl על שם החוקר שגילה אותו. תוצאות ניסוי זה רימזו על כך שמקור האונקוגנים אינו ויראלי, אלא מקורם עשוי להיות בגנום התא המארח. מכיוון שרטרו-וירוסים יכולים לצאת ולהיכנס מגנום המארח, ההשערה הייתה שבזמן היציאה מהגנום, הווירוס עלול (לעיתים נדירות) להוציא עמו גנים של המארח, שישתלבו וישתכפלו בגנום שלו.
השערה זו אומתה ב-1976 על ידי מיכאל בישוף והרולד ורמוס מאוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו, שהראו כי רצף דומה מאוד לרצף האונקוגן src נמצא בגנום של תאי תרנגולת בריאים. כך נתגלה, שמקור האונקוגנים הוא למעשה בגנים המצויים באופן טבעי באדם וביצורים רבים נוספים. על גילוי זה זכו ורמוס ובישוף בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה ב-1989.
סוגי אונקוגנים.
האות לחלוקת תאים מגיע לרוב מחוץ לתא, ועליו לעבור שרשרת ארוכה של מעבר אותות בתוך התא על מנת להגיע לגרעין התא. שם המסר יגרום, בין השאר, להפעלת ביטוי של גנים שפעילות תוצריהם קשורה לחלוקת התא. פגם בכל שלב בשרשרת זו עלול לגרום להיווצרות אונקוגן ולגידול סרטני.
גורם גידול.
גורמי גידול הם הורמונים חלבוניים מופרשים שתפקידם להוות מסר חוץ-תאי המעודד חלוקה בתאי מטרה. כדי לקבל את 'המסר' לחלוקת תאים, תאי המטרה חייבים להכיל קולטן מתאים לקליטת גורם הגידול, המעביר את האות המעורר/מעודד התחלקות אל תוך התא. הפרשה מוגברת ולא מבוקרת של גורמי גידול עלולה לגרום לגידול סרטני, ולכן רבים מהם מתפקדים כאונקוגנים לאחר התמרה. גורמי גידול מופרשים יכולים גם לעודד את אותם תאים שהפרישו אותם להתחלק בצורה לא מבוקרת במנגנון שנקרא תקשורת אוטוקרינית. מנגנון זה מבוסס על לולאת משוב חיובי של בקרת גנים בתוך התא המובילה לחלוקת תאים בלתי מבוקרת, ובסופו של דבר להתפתחות גידול סרטני.
הקשר בין גורמי גדילה לאונקוגנים רטרו-ויראליים התגלה על ידי מחקר שנערך על האונקוגן C-sis הנמצא בווירוס הסרקומה הקופי (simian sarcoma virus), וירוס שבודד מגידול ברקמת החיבור של העצמות ('פיברוסרקומה') בקופים. מחקר של רצף ה-DNA באונקוגן C-sis הראה שהוא מקודד לחלק מהחלבון של גורם הגידול PDGF (Platelet-derived growth factor). מחקר זה תמך בעיקרון, שביטוי גורמי גדילה בדרך שאינה תקינה יכול לשקף הפיכתם לאונקוגנים. על אף ש-C-sis מקודד רק לחלק מכלל רצף החלבון התקין של PDGF, המחקר הראה כי די בביטוי מקטע זה כדי לגרום להתמרה סרטנית של תאי רקמת חיבור (פיברובלסטים), אבל לא בתאים ללא קולטן מתאים ל-PDGF.
קולטנים של גורמי גידול.
אונקוגנים רטרו-ויראליים מסוימים הם גרסאות מותמרות של קולטנים לגורמי גידול. תפקיד קולטנים אלה הוא העברת אות לחלוקת תאים המועבר מגורם גידול חוץ-תאי לתוך התא. לקולטנים אלו פעילות של טירוזין קינאז, המשפעל מגוון רב של תהליכים בתא על ידי הוספת קבוצת זרחן לחומצה אמינית טירוזין בחלבוני מטרה. קישור חוץ-תאי של גורמי גדילה אל קולטנים אלה יגרום להפעלתו של פעילות הטירוזין קינאז, וכפועל יוצא לזרחון וגיוס שליחים שניוניים בתוך התא, ובסופו של דבר להעברת האות לחלוקת התא אל גרעין התא.
מכיוון שקולטנים אלו הם בעלי תפקיד מרכזי בבקרה על חלוקה תקינה של התא, פעילות לא תקינה שלהם עלולה להוביל לחלוקה לא מבוקרת ולהתמרה סרטנית, ולכן מוגדרים בתור פרוטו-אונקוגנים. לדוגמה, מוטציית חסר של האזור החוץ תאי בחלבון הקושר את גורם הגידול יכול לגרום להפעלה תמידית (קונסטיטוטיבית) של הרצפטור, ולשליחת אות תמידי לחלוקה, גם בהיעדר גורם גידול חיצוני. מלבד מוטציות ברצף החלבון, ביטוי יתר של קולטנים אלו, או הפעלת ביטוי של קולטנים אלו בסוגי תאים לא נכונים מהויים גם הם מנגנונים שעלולים להוביל להתפתחות גידול סרטני כתוצאה מחלוקת תאים לא מבוקרת. דוגמאות לפרוטו-אונקוגנים מסוג זה כוללות את הקולטנים EGFR (Epidermal growth factor receptor), PDGFR (Platelet-derived growth factor receptor) ואת erbB-2 (human EGFR-related 2/HER2/neu).
מעבירי אותות.
אות לחלוקת תאים מתחיל מקישור גורמי גידול הנקשרים לחלבון המתפקד כקולטן ספציפי בממברנת התא, וממשיך בשרשרת העברת אותות אל גרעין התא (signaling cascade). מעבר המידע הזה מועבר במספר שלבים, שחלקם כוללים זירחון של מספר חלבוני ביניים בתוך הנוזל התוך תאי (ציטוזול). תהליך מעבר האותות גם כולל חלבונים הקושרים את הנוקלאוטיד עתיר האנרגיה GTP, ושליחים שניוניים כדוגמת מערכת האדנילט ציקלאז. למעשה, src, האונקוגן הרטרו-ויראלי הראשון שהתגלה, מעורב בעצמו בתהליך מעבר האותות. עקב מספרם הגדול וחשיבותם, אין זה מפתיע שפרוטו-אונקוגנים רבים שייכים למשפחת חלבוני העברת אותות.
גורמי תיעתוק.
גורמי תיעתוק הם חלבונים גרעיניים שמבקרים את התיעתוק של גני מטרה, או של משפחות גנים. בקרה על תיעתוק גנים מתווכת על ידי קישור של גורמי תיעתוק אל אזורים ספציפיים בדנ"א הגרעיני. לעיתים קרובות פעילות של גורמי תיעתוק תלויה בקישור אל חלבונים אחרים, ויצירת מבנה של דימר, שבסופו של דבר יוצר קשר עם מחולל התיעתוק- הרנ"א פולימראז. גורמי תיעתוק הם חוליה מתקדמת בשרשרת של מערכת העברת האותות, הממירה אות חוץ-תאי לשינוי בבקרת גנים ובפעילות התא.
פרוטו-אונקוגנים רבים הם גורמי תיעתוק שהתגלו על ידי דמיון רצפי לאונקוגנים רטרו-ויראלים. דוגמאות נפוצות כוללות את erb A, את ets, fos, jun ו-c-myc. לדוגמה, fos ו-jun יוצרים דימר יחדיו המבקר באופן חיובי (מפעיל) תיעתוק של מספר גני מטרה, כאשר ביטוי של גנים אלו מוביל, בסופו של דבר, לחלוקת תאים מוגברת.
מבקרים של מוות תאי מתוכנן.
מוות תאי מתוכנן (אפופטוזה)הוא מנגנון שבו תא משמיד את עצמו בצורה מבוקרת. רקמות בריאות נמצאות במאזן מתמיד בין חלוקה תאית לבין מוות תאי. בנוסף, אפופטוזה משחק תפקיד חשוב במגוון תהליכי התפתחות בעובר. לכן, אם חלוקת תאים מוגברת עלולה להוביל להתפתחות גידול סרטני, הרי שגם פגם במנגנון המוות התאי המבוקר עלול להוביל לאותה תוצאה. מוות תאי מתוכנן יכול להיות מופעל כתגובה לאותות חוץ-תאיים שמגיעים בדמותם של סטרואידים, או לאחר חשיפה ממושכת לגורמים סביבתיים מזיקים כגון קרינה מייננת, קרינה אולטרא-סגולה ועוד.
משפחת הפרוטו-אונקוגנים העיקרית שנתגלה ונחקרה במנגנון זה עד כה היא משפחת חלבוני bcl-2. נתגלה, שהפעלה של הגן bcl-2 מדכאת את הפעלת המסלול של מוות תאי מתוכנן. מנגנון הפעולה של bcl-2 טרם הובהר, אם כי מחקרים הראו שפעילותו קשורה לעיכוב חלבונים מעודדי מוות תאי כגון bax ו-bak. סביר להניח ש-bcl-2 אינו הפרוטו-אונקוגן היחיד שפועל במנגנון של מניעת אפופטוזה, וקיימים פרוטו-אונקוגנים נוספים, בעלי דרך פעולה דומה, שטרם זוהו.
RNA לא מקודד ארוך.
בעוד שכל הפרוטו-אונקוגנים שהתגלו ונחקרו בצורה היסטורית הם חלבונים, מחקרים חדשים יותר מראים שגם רנ"א ארוך שלא מקודד לחלבון (lncRNA) מסוגל לתפקד כאונקוגן. lncRNA מוגדר בתור רנ"א באורך של למעלה מ־200 נוקלאוטידים, ואינו מקודד לחלבון. מולקולות רנ"א אלו מעורבות בבקרת מספר תהליכים תאיים חשובים ונרחבים כמו תרגום, עריכת רנ"א, שחבור, ובקרה על ביטוי גנים, ולכן כל פגם בפעילותם עלול להוביל להשלכות תאיות הרסניות, וביניהם לגידול סרטני.