p53. Чтобы изучить этот эффект, были созданы мыши с отключенным геном Mdm2, у которых этот сдерживающий фактор отсутствовал. Когда этим мышам ввели лекарство, стимулирующее p53, результаты оказались, прямо скажем, катастрофическими. Мыши, в сущности, таяли из-за массированного неконтролируемого самоубийства клеток по всему организму. Обо всех непредвиденных последствиях вмешательства в ген p53 блестяще рассказано в увлекательной книге Сью Армстронг “P53: ген, взломавший код рака” (P53: The Gene That Cracked the Cancer Code).
Однако сюжет с p53 оказался еще сложнее: в 2002 году другая группа ученых сообщила, что ей удалось вывести поколение мышей с дополнительными копиями p53. Эти “супер-p53-мыши” были защищены от рака и не старели прежде времени, что, вероятно, отражало тот факт, что ген p53 у них нормально регулировался.
Но если речь идет о раке у крупных животных, дело не только в p53. Киты не болеют раком, но, в отличие от слонов, не обладают лишними копиями гена-онкосупрессора p53 – даже гигантский гренландский кит, живущий более двухсот лет. Чтобы предотвратить рак у крупных животных, можно, в частности, замедлить метаболизм и снизить выработку активных форм кислорода, повреждающих ДНК. Другой механизм, наблюдаемый у голых землекопов, – это активация другого сигнального пути, подавляющего рост опухоли, через гиалуроновую кислоту.
Все это мало говорит нам о том, как предотвращать рак у людей. Однако сравнительные биологические исследования, несомненно, вносят огромный вклад в корпус знаний, которые рано или поздно окажутся невероятно полезными для всех живых существ на планете, и такие исследования необходимо продолжать.
Берт Фогельштейн и Кристиан Томазетти провели статистический анализ, который показал, что, как бы ни действовала мутация – запускала активность онкогенов или меняла функцию генов-супрессоров, – число делений у стволовых клеток органа показывает, насколько этот орган подвержен раку. При исследовании 32 разных типов рака оказалось, что 66 % мутаций, запускающих злокачественный процесс, так называемых мутаций-основательниц, вызваны ошибками при репликации ДНК.
Исследования рабочей группы Фогельштейна по колоректальному раку также показали, с какой частотой возникают разные мутации и какие из них могут столкнуть клетку в раковое состояние. Колоректальный рак развивается медленно, проходит три отдельные фазы зарождения, разрастания и метастазирования и зачастую достигает полномасштабной формы, которую мы наблюдаем в запущенных случаях, за двадцать-тридцать лет. Чаще всего клетка становится бессмертной, получив соматические мутации в ДНК. Такие мутации могут быть и наследственными, а могут вызываться факторами окружающей среды (примерно как мутации, вызванные бензолом, которые ведут к вторичным МДС и ОМЛ). Однако подавляющее большинство мутаций ДНК возникают из-за внутренних процессов в клетке. При каждой репликации ДНК происходит в среднем три ошибки. Кроме того, мутации возникают из-за квантовых эффектов при создании пар оснований между двумя цепями ДНК в хромосоме, из-за ошибок, вызванных ДНК-полимеразой, ферментом, который обеспечивает молекулам ДНК возможность копироваться, из-за метаболических повреждений ДНК активными формами кислорода, из-за гидролитического дезаминирования, которое приводит к нарушениям оснований ДНК. Все это вносит существенный вклад в повреждение ДНК. Обычно достаточно одной или всего нескольких драйверных мутаций в жизненно важных генах, чтобы столкнуть клетку в злокачественное состояние. Существует приблизительно 140 так называемых драйверных генов, ответственных за раковый фенотип, которые затрагивают лишь около десятка важнейших сигнальных путей, задействованных при размножении, дифференцировке и нормальном функционировании клетки. Из них около 90 % составляют гены, определяющие судьбу и выживание клетки, а 5–10 % контролируют темп мутаций во всех генах. Самые известные из последней группы – гены BRCA1 и BRCA2, наследственная мутация которых приводит к резкому повышению риска разных видов рака, особенно молочной железы и яичников.
Может показаться, что подобные драйверные мутации – очевидная мишень для таргетной терапии, и так и есть у детей, поскольку злокачественные клетки при раке у детей избавлены от “мутаций-пассажиров”, которые клетки накапливают с течением десятилетий. В целом у раковых клеток одна-две мутации-основательницы, но они порождают огромное множество дочерних клеток, у каждой из которых свой набор мутаций-пассажиров. Мутация-пассажир не затрагивает непосредственно функцию пролиферации клеток, но может воздействовать на распространение клонов, если проедет, так сказать, автостопом вместе с мутацией-основательницей. Рак по мере роста эволюционирует, постоянно добирает дополнительные мутации, обретает генетическое разнообразие, и таким образом создается экосистема клонов-носителей первоначальной мутации-основательницы и целого ряда дополнительных мутаций-пассажиров. Распространение клона зависит от пригодности ландшафта, складывающегося из генетической архитектуры клона и микроокружения. Первичная опухоль в желудке имеет дело с совсем иной почвой, нежели одна из ее дочерних клеток, поселившаяся в печени в виде метастаза. Мутации-основательницы у клонов клеток, живущих в желудке и в печени, будут одинаковыми, но их поведение и реакция на терапию зависят от совокупности мутаций-пассажиров и локальных сигналов в почве. Таргетное лекарство, нацеленное на мутацию-основательницу, истребит доминирующий клон клеток и даже, возможно, вызовет резкое сокращение опухоли, но затаившиеся субклоны с другим генетическим профилем неизбежно получат преимущества для роста и развития и вызовут рецидив. Хуже того, они не просто вызовут рецидив, они бросятся мстить, поскольку по определению это те самые клоны, которые прошли естественный отбор и выжили именно потому, что были невосприимчивы к терапии.
Этот вывод наталкивает на несколько вопросов. Первый касается профилактики. Если рак – это всегда результат ошибок в работе генов внутри клетки и не имеет никакого отношения к факторам вне клетки, в том числе к окружающей среде, то, сколько ни меняй образ жизни, это не поможет. Однако это не так: мы видим, что правильный образ жизни снижает заболеваемость раком. Например, при раке легких ошибки в копировании ДНК ответственны лишь за 35 % мутаций, а в 65 % виновны факторы среды. Второй вопрос: если мутация может произойти в любой момент, когда клетка готовится разделиться, почему рак чаще встречается в пожилом возрасте? И здесь на передний план снова выходит жизнь и труды Пера Бака. МДС, которым болел Пер, – результат воздействия как внутренних факторов клетки, так и ее микроокружения, где, по всей видимости, происходит множество воспалительных изменений. Вероятно, единственное семя, способное выжить в таком токсичном окружении, – это клетка с генетической мутацией, заставившей ее уклоняться от нормальных сигналов, контролирующих рост. Какие же изменения в микроокружении человеческого организма повышают вероятность, что клетка, несущая мутацию, выживет за счет нормальных клеток? Прочитав о явлении самоорганизованных критических состояний, я задумалась, какие события предшествуют внутриклеточной генно-хромосомной катастрофе, приводящей к злокачественной трансформации. Система к этому моменту уже утрачивает стабильность и становится беззащитной перед обвалом или по крайней мере перед патологическим отклонением.
Отклонение в нестабильной системе на грани катастрофы может возникнуть в результате анеуплоидии – биологической реальности, которая заставляет усомниться в верности представлений современных исследователей рака, сосредоточенных в первую очередь на генах. Люди наследуют два набора из 23 хромосом, по одному от каждого из родителей. Анеуплоидия клетки – это ситуация, когда в клетке меньше или больше 46 хромосом. Она возникает при делении клетки, если хромосомы распределяются неравномерно и одна дочерняя клетка получает больше, а другая меньше сорока шести. Какова причина анеуплоидии? Нестабильность хромосом и дальнейшую анеуплоидию могут вызвать мутации генов, особенно тех, которые регулируют восстановление поврежденной ДНК в клетке. Еще в 1902 году немецкий ученый Теодор Бовери заметил, что если в яйцах морского ежа имеется анеуплоидия, то развитие эмбрионов идет аномально. Он предположил, что неправильное количество хромосом предрасполагает клетку к раку. Анеуплоидные клетки вырабатывают аномальное количество белков из-за измененного числа функционирующих генов, а это препятствует жизненно важным сигналам роста и гибели. Анеуплоидия выявляется примерно у 90 % солидных опухолей и в 75 % гемобластозов.
Генетические мутации и анеуплоидия – характерные признаки злокачественности, однако относительная важность каждого из этих факторов как первопричины рака вот уже десятки лет служит предметом споров. Одна сторона утверждает, что все начинается с анеуплоидии, а генетические мутации возникают из-за хромосомных поломок, а другая стоит за главную роль генетических мутаций, а анеуплоидию считает их следствием.
В 2017 году ученые из лаборатории Колд-Спринг-Харбор провели эксперимент, в ходе которого вырастили культуры двух групп клеток параллельно. В одной клетки имели нормальный набор хромосом, а в другой у них была одна лишняя. Анеуплоидные клетки сначала росли медленно, но потом произошел внезапный рывок роста – и они начали стремительно делиться, причем перемена случилась почти мгновенно. При делении клеток число их хромосом все больше и больше отличалось от нормы. В чашке Петри словно бы повторялись события, происходящие в организме, когда первичная опухоль некоторое время медленно растет, а потом становится агрессивной и метастазирует. Анеуплоидные клетки выживали лучше клеток с нормальным числом хромосом. Кроме того, по мере усугубления анеуплоидии в дочерних клетках они проявляли генетическую нестабильность: у одних хромосом было больше, а у других меньше, чем у родительских клеток.