Мятежная клетка. Рак, эволюция и новая наука о жизни

Объединяйтесь!

Иньяки Руис-Трилло, руководитель лаборатории многоклеточного генома в Институте эволюционной биологии в Барселоне (Испания), – человек, очарованный амебой. Если говорить конкретнее, то он одержим Capsaspora owczarzaki – одноклеточным организмом, который из-за своего необычного образа жизни считается ближайшим из ныне известных родственников многоклеточных животных.

В отличие от большинства других одноклеточных существ, которые все время держатся особняком, Capsaspora в течение жизни пробует три разных варианта. Прежде всего эту амебу можно найти в виде отдельных клеток, плавающих в крови пресноводных улиток. Другим способом ее бытования оказывается компактная споровидная циста, которую формируют отдельные амебы. Наконец, наиболее любопытен третий тип. Реагируя на какой-то пока не опознанный сигнал, амебы вдруг начинают ползти друг к другу, сбиваясь в небольшую группу; в такие периоды они даже выделяют что-то вроде клея, который скрепляет их вместе. Именно здесь, в «серой зоне» между одноклеточностью и многоклеточностью, удобнее всего прояснить правила, регулирующие многоклеточную жизнь, а также разобраться в том, каким образом рак их ломает.

В генах Capsaspora Руис-Трилло и его команда обнаружили множество сюрпризов, которые могут пролить свет и на происхождение многоклеточных сообществ, и на источники рака. Как и следовало ожидать, у Capsaspora имеется полный набор генов клеточного цикла, которые позволяют ей воспроизводиться, а также все прочие механизмы, которые необходимы для создания клетки и обеспечения ее жизнедеятельности, например для «активации» и «отключения» генов или производства энергии. Но при этом интересующая нас амеба обладает и некоторыми другими генетическими функциями, которые представляются абсолютно ненужными, по крайней мере на первый взгляд.

Интересно, что в организме Capsaspora присутствуют практически все гены и молекулы, которые многоклеточные животные используют для формирования различных тканей. Более того, Руис-Трилло обнаружил в этом любопытнейшем одноклеточном предке почти каждую новацию, позже освоенную многоклеточной жизнью. Например, клетки Capsaspora производят молекулы, называемые интегринами, которые, покрывая поверхность клеток животных, позволяют им «склеиваться» и образовывать упорядоченные структуры. У Capsaspora также имеется самобытная версия генов, которые ранее считались атрибутом исключительно животного развития: именно они позволяют клеткам в стадии раннего эмбриогенеза определяться с тем, что в будущем организме будет верхом или низом, передом или задом, левым или правым.

Кроме того, имеются еще четыре или пять генов, которые внешне очень похожи на генетическую подборку, известную как «путь бегемота» (Hippo pathway) и отвечающую за то, насколько крупным станет тело животного. Руис-Трилло научился даже брать эти гены у Capsaspora и вводить в геном плодовой мушки, заставляя их контролировать размер ее глаз. У самой амебы, однако, глаза отсутствуют (да и любой другой орган тоже). Отсюда возникает вопрос: для чего же одноклеточному организму нужны молекулярные атрибуты сложного многоклеточного существа? «Все эти механизмы активируются, когда Capsa переходит из одной формы в другую – амеба превращается в цисту или циста в агрегат, – объясняет Руис-Трилло. – Этот процесс подобен дифференциации у более сложных животных, но здесь он расчленен во времени: сначала вы становитесь одним, затем другим, потом третьим. При этом каждой клетке в каждый определенный момент приходится сохранять лишь одну форму. В этом заключается серьезная проблема одноклеточного организма».

Ребенок, растущий в утробе матери, формирует сотни различных типов клеток, каждая из которых специализируется на выполнении конкретной задачи. Однако если бы мы были похожи на Capsaspora, нам пришлось бы проходить все стадии последовательно: сначала все наше тело становилось бы печенью, а затем мозгом или мускулатурой. Как показывают изыскания Руиса-Трилло, главное отличие людей и других сложных организмов от разрозненного коллектива амеб состоит в том, что в процессе эволюции наши клетки научились выполнять различные задачи одновременно. И хотя у Capsaspora есть все гены, необходимые для назначения различных функций, эта амеба не очень хорошо справляется с многозадачностью.

Более сложные организмы развили несколько уровней изощренных приспособлений, которые позволяют контролировать то, когда и где будут активированы их гены. Хотя многие из этих контролеров имеются и у Capsaspora, это создание лишено бесчисленного множества генетических «контрольных переключателей» дальнего радиуса действия, рассыпанных по всему геному сложных многоклеточных существ. Именно они запускают работу генов в нужное время и в нужном месте, заставляя организм в процессе его развития создавать необходимые виды тканей. Стоит обратить внимание на то, что в раковых клетках сбои происходят именно в дистанционных взаимодействиях между «переключателями» и генами.

Помимо явной генетической недоразвитости по сравнению с многоклеточными организмами, у Capsaspora отсутствует еще одно важное свойство: эта амеба не умеет умирать. Точнее говоря, эти крошечные существа, конечно же, в какой-то момент прекращают существовать, но при этом у них отсутствуют важнейшие компоненты клеточной программы суицида, известной как апоптоз, которая запускается, когда клетки повреждаются или становятся ненужными.

В многоклеточных организмах, включая людей, апоптоз обеспечивает мощную защиту от рака. Вы даже можете это наблюдать на примере собственного тела, когда по легкомыслию обгорите на солнце: чешуйки омертвевшей кожи, которые отслаиваются спустя несколько дней, – это поврежденные клетки, которые слишком испорчены, чтобы воспроизводиться должным образом, и поэтому им «поручается» умереть, а не задерживаться, создавая проблемы в будущем. Неудивительно, что генетические изменения, которые нарушают ключевые компоненты этой суицидальной реакции, оказываются важным этапом в развитии рака: растущая опухоль не только требует воспроизведения все новых клеток, но и нуждается в том, чтобы они не умирали.

В этом открытии запечатлено противоречие между потребностями отдельной составляющей многоклеточного тела и совокупным благом всего его сообщества. «Жизненная цель» одноклеточного организма состоит в том, чтобы произвести как можно больше своих копий и не умереть, но с позиции многоклеточного существа самое главное состоит в том, чтобы клетки, напротив, выполняли свой долг и были готовы умирать для общего блага группы – когда они повреждены, неправильно работают или больше не нужны.

«На протяжении миллиардов лет клетки просто делились: если вы одноклеточный, то вам только этим и приходится заниматься. Однако как только вы оказываетесь внутри другого организма, речь идет уже не только о вас, – говорит мне Руис-Трилло. – Многоклеточность приносит великую пользу организму, и вам в том числе, однако теперь вы попали в абсолютно другие условия, и то, что вы могли делать, будучи автономной единицей, становится невозможным, поскольку вам нужно следить за своим поведением и следовать правилам».

Это проблема, с которой вы, безусловно, сталкивались, если когда-нибудь ездили на отдых с группой друзей. Действия и решения, которые кажутся достаточно простыми для одиночки, внезапно превращаются в предмет сражений за желания и приоритеты, которые разделяют участников. По словам Руиса-Трилло, многие студенты из его лаборатории любят ходить в походы, но это не приводит автоматически к гармоничному отдыху.

«Когда вы идете в поход один, у вас обычно все легко. Вы едите, когда захотите и что захотите, – говорит он. – Вы ставите палатку там, где нравится, и спите тогда, когда хочется, – все по собственному усмотрению. Однако как только вы отправляетесь в поход в составе группы, состоящей из десяти человек, у вас появляются проблемы. Неизбежно начинаются споры: а почему бы нам не поставить палатку здесь или почему нельзя поесть сейчас?»

Чтобы избежать аналогичных трудностей, клетки поддерживают постоянную коммуникацию друг с другом, отправляя и получая сигналы, сообщающие о текущей обстановке и необходимых действиях. Некоторые из этих сообщений представляют собой свободно циркулирующие химические вещества, которые диффундируют от клетки к клетке или перемещаются по кровотоку, в то время как другие больше похожи на старомодную систему «две жестяные банки с веревкой», требующую непосредственного физического контакта между клетками для передачи сигнала. На деле многие гены из числа тех, что нужны для многоклеточности, участвуют в коммуникации между клетками – и с развитием рака контакты этого типа прекращаются.

Хотя многоклеточный образ жизни имеет несомненные преимущества перед одноклеточным существованием, бóльшее количество клеток чревато бóльшими проблемами. Как нередко случается в жизни, чем сложнее что-то устроено, тем чаще оно ломается. Если в многоклеточных организмах наличествуют многоуровневые и сложнейшие регуляторные механизмы, которые позволяют клеткам специализироваться на выполнении различных задач и воспроизводиться в тот момент и в том месте, когда и где это необходимо, то можно не сомневаться и в наличии процессов, которые, пойдя наперекосяк, выведут из строя всю систему. Миллиард лет назад, когда мы были немногим больше амеб, все было гораздо проще.

Четверг воспоминаний^[10]

В 2011 году космологи Пол Дэвис и Чарльз Лайнуивер опубликовали дискуссионную статью под названием «Раковые опухоли как Metazoa 1.0: в поисках генов древних предков», в которой излагалась идея о том, что рак представляет собой не что иное, как атавизм – эволюционный возврат к архаичной форме жизни. Эти авторы видели в раковой опухоли не совокупность «автономно-эгоистичных» клеток, а «деградировавшие» клетки, которые превратились в разрозненный коллектив, похожий на самые первые многоклеточные организмы (Metazoa) и функционирующий под контролем унаследованных от предков, но ранее недоступных генетических программ. Согласно их теории, это атавистическое поведение является своеобразным «безопасным режимом», запускаемым в ответ на стрессовые условия, например на низкий уровень кислорода. Именно такие условия, характерные для ранней Земли в период становления многоклеточных животных, встречаются также в локальной среде, окружающей опухоль.

Мало что раздражает биологов столь же сильно, как физики, вторгающиеся в их предметную область с энтузиазмом беззаботного щенка, получившего новую игрушку. Незваные пришельцы предлагают упрощенческие решения, в которых игнорируется все богатство знаний, бережно накапливаемых десятилетиями. И хотя идее о том, что рак является эволюционным откатом назад, уделили немалое внимание в средствах массовой информации, недовольную реакцию научного сообщества можно было ощутить даже из космоса. Новая гипотеза вызывала либо насмешки по поводу того, что дуэт невежд вообще не разбирается в биологических и генетических причинах рака, либо же разочарование, обусловленное тем, что банальных заявлений о седой древности генов, участвующих в фундаментальных процессах жизни, уже достаточно для того, чтобы обзавестись в научной и популярной прессе репутацией новатора и ниспровергателя устоев^[11].

Атавистическая теория Лайнуивера и Дэвиса явно не согласуется с реалиями современной биологии. Рак вовсе не является откатом к какой-то точке в длинной истории многоклеточной жизни; вместо этого он стимулируется клетками, которые выбрали для себя уникальную эволюционную траекторию в сложной среде, окружающей организм. Они подвергаются давлению естественного отбора, находя и используя в своих мутировавших геномах все, что способно помочь их выживанию (позже об этом будет рассказано более подробно). Кроме того, как показывает работа Руиса-Трилло по изучению Capsaspora, все, что отделяет друг от друга организованную многоклеточную систему и скопище автономных одноклеточных организмов, сводится к двум вещам: жесткому генетическому регулированию и клеточной смерти. Наконец, имеются и некоторые новые и интересные наблюдения относительно того, что может происходить на генетическом уровне, когда «многоклеточный» договор между клетками начинает нарушаться.

Растущая доступность данных, извлекаемых из секвенирования ДНК самых разнообразных видов, позволила ученым составить генеалогическое древо жизни, подробно отображающее отношения между видами, а также то, в какие времена у них были общие предки. Это позволяет с легкостью вычислить возраст любого гена. Например, если какой-то конкретный ген представлен только у видов, принадлежащих к ветви млекопитающих, то можно предположить, что он возник около 65 млн лет назад, когда впервые появились млекопитающие. Однако если его присутствие можно проследить начиная с бактерий, то он окажется гораздо древнее; возможно, такой ген входит в состав генома наших самых ранних одноклеточных предков.

Пару лет назад Дэвиду Гуду – руководителю группы онкологического Центра имени Питера Маккаллума в Мельбурне (Австралия) – пришла в голову блестящая идея нанести на древо жизни постоянно расширяющийся набор раковых генов, обнаруженных в ходе крупномасштабных проектов по секвенированию опухолей. Он хотел выяснить, существует ли какая-либо взаимосвязь между возрастом гена и его ролью в развитии онкологического заболевания. Однако человек, готовый на практике осуществить его проект, появился лишь после того, как к нему в лабораторию пришла молодая венесуэлка Анна Тригос, готовившаяся к защите диссертации.

Приступив к работе, Тригос сделала удивительное открытие: оказалось, что гены, наиболее активные в раковых клетках, одновременно являются и самыми древними. В их число попали те типы генов, которые отвечают за важнейшие жизненные функции, такие как воспроизведение клеток или восстановление поврежденной ДНК, появившиеся на заре одноклеточной жизни. И, напротив, наименее активными оказались гены, сформировавшиеся недавно, имеющиеся в основном у млекопитающих или многоклеточных животных и отвечающие за самые сложные задачи, включая создание специализированных органов и обеспечение коммуникации между клетками.

Та же закономерность проявила себя и во всех типах опухолей, которые она исследовала: в них активируется работа «одноклеточных» генов, в то время как более современные «многоклеточные» остаются пассивными. Отсюда следует, что раковые клетки предрасположены к тому, чтобы пренебрегать своей обычной ролью в клеточном сообществе и вести себя «эгоистично» и независимо. Причем дело не столько в том, что они полностью возвращаются к атавистической амебоподобной форме, сколько в том, что мутации, обычно способствующие росту опухоли и позволяющие клеткам-«мошенницам» процветать, относятся, как правило, к числу тех, что выводят из строя системы, которые обычно поддерживают многоклеточный порядок.

С обманом не справиться

Рак – это цена жизни. Наши многоклеточные тела являют собой что-то вроде воплощенного перемирия, усмиряющего «одноклеточные поползновения», которые от рождения присущи нашим клеткам. Тем не менее некоторые из этих уникальных способностей, отличающих одноклеточных, все равно должны при необходимости активироваться с легкостью. Например, быстрое клеточное воспроизводство требуется для того, чтобы стволовые клетки в крови, костях, кишечнике и коже генерировали многие миллионы новых клеток, которые ежедневно нужны нам для регенерации и заживления ран. Удалите у человека кусочек печени, и оставшиеся клетки на какое-то время обретут феноменальную способность к регенерации, которая восстановит килограмм ткани всего за несколько недель. Но, хотя эти процессы находятся под очень жестким контролем, иногда происходят сбои – и все идет не так.

Как только образуется клеточное сообщество, в нем незамедлительно появляются и клетки-«мошенницы». Сказанное означает, что рак на протяжении всего существования сопровождал не только человека, но и других многоклеточных животных, и это не раз было подтверждено. И если во Вселенной вдруг найдется инопланетная многоклеточная жизнь, то, скорее всего, бóльшая часть ее представителей также будет подвержена раку.

Клетки-«мошенницы» восстают против правил, диктуемых генами, которые участвуют в создании наших тканей и контролируют клеточный рост. Любые изменения, претерпеваемые этими генами, увеличивают вероятность того, что правила будут нарушены, провоцируя возникновение опухолей. Как будет показано в нескольких последующих главах, попытки понять, каким образом эти генетические изменения запускают онкологические процессы, оставались магистральным направлением исследований более столетия.

Однако здесь мы сталкиваемся с чем-то еще более фундаментальным. Как писательница, я всю жизнь пыталась находить аналогии и придумывать метафоры, которые позволяли бы привлечь к естественным наукам тех людей, которым они кажутся интересными, но у которых не хватает знаний, позволяющих разобраться в тонкостях молекулярной биологии. Но, размышляя о клеточном сообществе и обитающих в нем злокачественных «мошенницах», я поняла, что это вовсе не метафора, а описание самой жизни. Все многоклеточные организмы, группы животных или популяции людей представляют собой сообщества, в которых действуют те или иные социальные договоры. Подобные сообщества состоят из членов, которые либо соблюдают предусмотренные ими законы, либо нарушают их. Мошенничество неизбежно, особенно если контроль вдруг ослабевает. В каждом из нас сидит свой Иуда.

Любую группу живых существ можно уподобить прекрасному фракталу, каждая единица которого является лишь уменьшенной версией целого. И поэтому подонки и ренегаты есть у всех, начиная с людей и амеб и заканчивая пчелиными матками и самими раковыми клетками.

3
Ваши клетки-«мошенницы»

Вопрос о том, что вызывает рак, занимает нас на протяжении тысячелетий. Бóльшую часть этого времени рак воспринимался как сверхъестественное наказание, наложенное на человека оскорбленными божествами или вызванное колдовством. Египтяне считали его свидетельством гнева богов, в то время как древние китайские тексты объясняли его нарушением внутреннего равновесия и проявлением «злой» энергии ци. Подобные представления сопровождались убежденностью в том, что путем к исцелению должно послужить возвращение на верную сторону – к правильному богу, задабриваемому молитвами и ритуалами^[12]. Такое восприятие встречается до сих пор, хотя трактовки, предлагаемые ортодоксальными религиями, все чаще вытесняются туманными рассуждениями о «гармонии» или «благополучии». Рак рассматривается как наказание за нездоровый образ жизни или за терпимость к замусоренному миру, а единственная надежда на спасение от него связывается со строгим соблюдением обрядов и ритуалов альтернативной терапии.

Медицинские умы издавна пытались найти более рациональные ответы. В IV веке до н. э. Гиппократ, древнегреческий «отец медицины», выдвинул идею о том, что тело состоит из четырех телесных жидкостей, каждая из которых имеет свой цвет: это красная кровь, белесая мокрота, желтая желчь и черная желчь. Когда эти жизненно важные жидкости находятся в равновесии, человек чувствует себя хорошо. Если же баланс нарушается, то человек заболевает, причем рак появляется от избытка скапливающейся в организме черной желчи.

Римский врач Гален подхватил идею Гиппократа и развил ее, включив в свои тексты. Они служили основой клинической практики в Европе, а также в исламском мире на протяжении более тысячелетия. Гален также обратил внимание на то, что рак молочной железы чаще встречается у женщин, не имевших детей; это заставило его предположить, что эта болезнь может быть результатом задержки в организме женщины какого-то ядовитого вещества, удаляемого при грудном вскармливании^[13].

К 1500-м годам люди начали понимать, что теория жидкостей Галена не имеет смысла, в особенности с учетом того, что никто так и не смог подтвердить существование зловещей, но неуловимой черной желчи. В середине XVI века появилась новая теория, в основу которой были положены наблюдения за множественными случаями рака у членов одной и той же семьи. Она подтолкнула медиков к выводу о заразности онкологических заболеваний. Подобно гипотезе Галена о токсичных молочных железах, само наблюдение было верным, но причина констатируемого явления указывалась неправильно: сегодня мы знаем, что унаследованные генетические изменения значительно повышают шансы заболеть определенными видами рака, чем и объясняется их распространенность в конкретных семьях. Несмотря на то что некоторые заразные инфекции, подобные уже упомянутому вирусу папилломы человека, способны подталкивать клетки к раку, при нормальных условиях заразиться им невозможно. (Впрочем, имеются примечательные исключения, о которых речь пойдет ниже, – см. гл. 8.) Тем не менее эта идея внесла свой вклад в стигматизацию заболевания, заставив вынести первые онкологические больницы за пределы городов, чтобы не подвергать риску население.

Следующим большим этапом стала теория лимфы, которая приобрела популярность с середины XVII века. Она сузила список Гиппократа с четырех жизненно важных жидкостей до двух – крови и лимфы. Как полагали ее сторонники, от их правильного перемещения по телесным каналам зависит человеческое здоровье. Одним из главных апологетов этой концепции был легендарный шотландский хирург и анатом Джон Хантер, который считал, что опухоли возникают в очагах застоявшейся лимфы, вытекшей за пределы кровотока. Благодаря Хантеру и другим известным сторонникам теория лимфы просуществовала до середины XIX века, после чего была опровергнута неугомонными патологоанатомами, которые с помощью своих новомодных микроскопов доказали, что опухоли на деле состоят из человеческих клеток, а не из загустевшей жидкости.

Рак действительно содержал какие-то клетки, но их происхождение по-прежнему оставалось загадкой. По мере того как ученые изо всех сил старались разобраться в странном и чудесном клеточном мире, открывающемся под их микроскопами, появлялись всевозможные новые идеи. Одни считали, что рак является порождением каких-то необычных маленьких клеток, отделяющихся от слоя ткани, известного как бластема. Другие создавали собственные вариации той же темы, доказывая, что опухолевые клетки спонтанно образуются из загустевшей жидкости, просачивающейся из кровеносных сосудов, или же представляют собой остатки того «багажа», которым мы обзавелись еще в утробе матери (кстати, в случае детского рака эта идея оказалась верной – см. гл. 5). Все эти теории боролись между собой бóльшую часть столетия, причем каждая имела ученых сторонников в различных частях Европы и Соединенных Штатов.

Пристальные наблюдения со временем выявили тот факт, что раковые клетки придерживаются фундаментального принципа биологии: omnis cellula e cellula – «все клеточное происходит из клеток». Следовательно, рак – не проклятие, не заразная болезнь, не застой (или свертывание) крови. Он возникает в тот момент, когда наши собственные клетки начинают «обманывать» нас, бесконтрольно воспроизводясь и в конце концов захватывая другие части тела. Тем не менее такой подход лишь позволяет понять, что такое рак, не объясняя, почему он возникает. Так какие же причины заставляют добропорядочные клетки ломать рамки хорошего поведения и начинать своевольничать?