Кривое зеркало жизни

Подводя итог

Рак сопутствует человеческому роду испокон веков. Описание раковых опухолей и методы их лечения мы находим в медицинских трудах всех значительных древних цивилизаций. Однако серьезной эпидемиологической проблемой рак стал только в ХХ веке. Отчасти это связано с распространением вредных привычек (курение, неумеренное пребывание на солнце), отчасти – с влиянием промышленного загрязнения, однако главным фактором, обусловившим рост количества онкологических заболеваний, в последние десятилетия является увеличение продолжительности жизни. Важно помнить и понимать, что “рак” – это не одна болезнь, как, например, “грипп” или “туберкулез”, но целая группа заболеваний разного происхождения, хотя и с похожими внешними проявлениями. В этой главе мы коснулись некоторых социальных и психологических аспектов онкологических заболеваний, а в следующей начнем анализировать молекулярную природу этой клеточной патологии.

ЧТО ПОЧИТАТЬ

Атлас рака – история онкологии (на английском):

http://canceratlas.cancer.org/history-cancer/

Серия статей по истории рака (A note from history: landmarks in history of cancer):

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=A+note+from+history%3A+landmarks+in+history+of+cancer

Как лечили рак в старину:

https://med-history.livejournal.com/66826.html

Статистика раковых заболеваний в США (на английском):

https://seer.cancer.gov/statfacts/html/all.html

“Рак трубочиста: первый канцероген” – статья Михаила Шифрина на сайте “MedПортал” о “раке трубочиста”:

http://medportal.ru/enc/oncology/reading/14/

Немного обнадеживающей статистики по раковым заболеваниям (на английском):

https://www.rd.com/health/conditions/cancer-statistics/

Глава 2
Загадки нашего генома и мифы о природе рака

Следующую группу заблуждений, связанных с онкологическими заболеваниями, можно охарактеризовать как “мифы о природе рака”. В них причудливо переплетаются научные факты и домыслы коллективного бессознательного. Попробовав углубиться в вопрос о происхождении злокачественных опухолей, неспециалист очень скоро начинает чувствовать себя сбитым с толку множеством разнообразных и несогласованных на первый взгляд концепций. Известно, что в возникновении рака играют роль какие-то гены, да и врачи на приеме частенько спрашивают о случаях онкологических заболеваний в семье. Стало быть, рак – заболевание наследственное? Однако в массовой околомедицинской литературе встречаются упоминания об онковирусах. Тогда получается, что опухоли – вирусное, инфекционное заболевание? Еще и заразное наверняка? А если почитать в популярной периодике о веществах-канцерогенах, может сложиться впечатление, что рак – это своего рода “отравление”…

Вопрос о причинах возникновения злокачественных опухолей действительно не прост. Рак – это сложное и многофакторное заболевание. В этой главе мы постараемся обозначить контуры современных научных представлений о его природе.

“Рак без причины не возникает, вы сами виноваты, что заболели!” – такое часто слышат в свой адрес люди, у которых обнаружили злокачественную опухоль. Ответственность курильщика за развитие рака легких отрицать трудно, но ведь жертвами болезни часто становятся и люди без вредных привычек. Понимание механизмов злокачественного перерождения клеток может освободить больных и их близких от непосильного и непродуктивного чувства вины и напомнить здоровым, что от несчастного случая, к сожалению, не застрахован никто.

Болезнь генома

В 1928 году английский врач Фредерик Гриффит ввел здоровым лабораторным мышам смесь двух разновидностей бактерий, вызывающих воспаление легких, – шероховатой и гладкой. Из предыдущих опытов уже было известно, что для животных опасна только первая форма пневмококка, та, в которой клетка микроба окружена защитной капсулой, выглядевшей под микроскопом словно неровная шероховатая поверхность. Капсула защищала бактерию от распознавания и уничтожения иммунной системой мыши. Бактерии второй разновидности такой защитой не обладали, организм здорового животного с легкостью расправлялся с ними, и болезнь не развивалась. Этот признак – наличие или отсутствие оболочки – передавался в каждой группе бактерий из поколения в поколение, то есть являлся наследственным.

В ходе эксперимента, который позднее вошел в учебники, бактерии шероховатого типа убивали нагреванием и добавляли к живым гладким бактериям. По отдельности ни убитые шероховатые пневмококки, ни живые гладкие бактерии никак не влияли на состояние здоровья мышей. Однако после введения смеси из живых гладких и убитых шероховатых бактерий у животных развивалась пневмония. При этом в крови больных мышей обнаруживались живые шероховатые бактерии. Из этих наблюдений Гриффит сделал вывод, что какой-то компонент убитых шероховатых клеток превратил неболезнетворные бактерии (гладкие) в болезнетворные (шероховатые). Так впервые напрямую было продемонстрировано, что наследственность имеет материальную природу и материальный носитель, способный сохранять свои свойства (по крайней мере, некоторое время) и после смерти организма.

В 1944 году, после усовершенствования лабораторных методов, другие ученые – Эвери, Маклеод и Маккарти – в аналогичном эксперименте сумели выделить таинственный “трансформирующий агент” и выяснить его химическую природу. Носителем генетической информации оказалась молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это открытие положило начало новой науке – молекулярной биологии.

С той поры слова “генетический код”, “мутации”, “наследственность” успели прочно обосноваться в повседневном словаре современного человека и заголовках “желтой прессы” (что можно считать высшей формой популярности и признания). Хотя лишь немногие специалисты в деталях понимают сложную молекулярную машинерию жизни, общее представление о том, что в основе существования любого организма лежит уникальная последовательность ДНК (геном), смогло в итоге стать частью массовой научной культуры наряду с утверждениями “Земля вращается вокруг Солнца”, “Растения выделяют кислород” и “В начале всего был Большой взрыв”.

Основная задача молекулярной биологии от момента зарождения и до сегодняшнего дня – выявление связи между последовательностью ДНК в организме и его биологическими свойствами. Или, как это любят формулировать сами ученые, между генотипом (например, “геном зеленых глаз”) и фенотипом (собственно зеленоглазостью). На этом пути биологам удалось добиться впечатляющих успехов, однако до полной расшифровки фундаментального “кода жизни” все еще очень далеко. Напротив, как в старинной притче про философа Анаксимена, чем шире круг наших знаний, тем больше он соприкасается с незнанием и порождает все больше новых вопросов.

Через 50 с лишним лет после Гриффита – в 1981 году – ученые повторили его опыт, но уже не с бактериями, а со злокачественной опухолью. ДНК из опухолевых клеток осторожно извлекли и перенесли в здоровые клетки мыши, после чего те превратились (трансформировались) в раковые. Так была выявлена генетическая природа онкологических заболеваний. Не то чтобы в этом кто-то сомневался – данных о связи генов и болезни к тому времени накопили предостаточно, но прямое доказательство было необходимо, чтобы двигаться дальше, не испытывая сомнений.

Если молекулярную биологию интересуют прежде всего закономерности устройства здоровой клетки, то молекулярная онкология пытается разобраться в том, как нарушения в тех или иных генах приводят к злокачественному перерождению и каким образом мы можем исправить эти ошибки.

ФАКТ: раковая клетка отличается от нормальной своим геномом.

Зачем клетке гены?

Если верить социологическим опросам, то многие люди до сих пор убеждены, что гены присутствуют только в генетически модифицированных (ГМО) организмах и продуктах, а в “обычных” – нет… Поэтому, прежде чем перейти к волнующей теме генетических нарушений в опухоли, давайте вспомним, как устроена живая клетка в человеческом организме и зачем ей нужны гены.

Клетка – элементарная единица живой материи (оставим споры о вирусах специалистам). В качестве минимального “атома жизни” она обладает, в той или иной степени, всеми признаками живой материи – растет, размножается (делится), обменивается веществом и энергией с окружающей средой и приспосабливается к ее изменениям. Существуют два основных типа клеток – “безъядерные” (прокариотические), например бактерии, и “ядерные” (эукариотические) – некоторые одноклеточные и все многоклеточные организмы. Нас, в контексте разговора о раке, будет интересовать главным образом второй – эукариотический – тип.

Одноклеточный организм похож на простейшее сельское домохозяйство Средневековья, которое обеспечивало себя буквально всем – от одежды и обуви до пропитания, а в обмен с “внешними” вступало только в случае крайней необходимости. (Например, крестьяне продавали часть припасов на городских рынках, чтобы на вырученные деньги купить у кузнецов железные инструменты, необходимые в хозяйстве.) Многоклеточному организму в качестве аналогии соответствует, скорее, современный индустриальный город. В мегаполисе у каждого жителя своя специальность, и водитель автобуса может не знать, как печется хлеб, а доктор – иметь весьма отдаленное представление об успехах современной астрономии. Такие же разные профессии бывают у клеток, и так же, как в человеческом обществе, процесс приобретения ими этих навыков называется “специализацией”, или “дифференциацией”. В теле человека насчитывается около 200 различных клеточных типов, и каждый выполняет свою функцию – эритроциты переносят кислород, клетки печени обеззараживают опасные вещества, нейроны проводят электрические импульсы.

Работая вместе, как рабочие на заводе, клетки определенного типа образуют ткани – нервную, мышечную, покровную и т. д. Ткани, в свою очередь, формируют органы, специализированные для выполнения определенных функций – например, легкие для дыхания, желудок для пищеварения. Так формируется иерархическая структура человеческого организма: тело – органы – ткани – клетки.

Живое начинается с разделения “я” и “не я” – клетка отделена тонкой мембраной, которая позволяет ей, с одной стороны, не раствориться в окружающем мире – так реализуется ее защитная, изолирующая функция, а с другой стороны, обеспечивает транспорт необходимых веществ – это свойство клеточной мембраны ученые назвали избирательной проницаемостью. Мембрана состоит из липидов (жиров) и белков. Липиды отвечают за изоляцию, белки – за перенос веществ (этим занимаются транспортные белки) и реакцию клетки на сигналы из внешнего мира (эту функцию берут на себя белки-рецепторы). Внутри мембраны содержится плотный, концентрированный раствор – цитоплазма – внутренняя среда клетки.

В клетках бактерий здесь же, в цитоплазме, плавает и ДНК, но у ядерных организмов, таких, как мы с вами, наследственная информация собрана в специальном клеточном отсеке, который называется ядром. На первый взгляд разница не слишком существенна, но в ней есть большой биологический смысл. У бактерий все этапы реализации биологической информации происходят одновременно. С активного гена считывается матричная РНК, и тут же на нее садятся рибосомы, готовые синтезировать нужный белок. В клетках ядерных организмов эти два процесса (транскрипция и трансляция) разделены во времени и в пространстве. Транскрипция (считывание РНК) происходит в ядре, а трансляция (синтез белка) – в цитоплазме. Это несколько замедляет процесс, но зато делает его гораздо более управляемым.

“Управление” или “регуляция” – два ключевых слова, которые постоянно будут встречаться вам на страницах книги. Эукариотические (ядерные) и прокариотические (безъядерные) клетки используют более-менее одни и те же молекулярные механизмы, однако лишь ядерные клетки оказались способны формировать многоклеточные организмы. Ключевым фактором подобного эволюционного успеха, скорее всего, стала способность этих клеток более точно регулировать протекающие в них молекулярные процессы.

Существование ядра – это лишь один из примеров реализации так называемого принципа компартментализации, лежащего в основе строения эукариотических клеток. С помощью сложного комплекса мембран внутреннее вещество клетки поделено на отсеки (компартменты), в которых, словно в изолированных колбах, происходят разные биохимические превращения. Такое “зонирование” также значительно повышает эффективность и управляемость работы человеческой клетки в сравнении, например, с бактериальной.

Прокариотическая клетка похожа на бедную школу старых времен, вроде той, что описана в романе “Джейн Эйр”, – множество учеников разного возраста собраны в одном помещении и одновременно занимаются самыми разными предметами. В одном углу твердят французские глаголы, в другом решают арифметические примеры, в третьем учат стихи, и все отвлекают и перекрикивают друг друга. Незатратная, но и не слишком эффективная система. В ядерной клетке реакции упорядочены, как процесс обучения в современной школе, где второклассники учатся отдельно от пятиклассников, химией занимаются в химическом кабинете, а физические опыты ставят в кабинете физики.

Кроме ядра, в цитоплазме находятся разнообразные органеллы – “маленькие органы”, которые позволяют клетке выполнять разные функции точно так же, как “настоящие” органы – печень, легкие, мозг – обеспечивают жизнедеятельность организма в целом. Переваривание белков в лизосомах похоже на процесс пищеварения, а сеть транспортных микротрубочек, обеспечивающих доставку молекул в разные части клетки, чем-то напоминает кровеносную систему организма. Но самыми важными органеллами (после ядра) являются, пожалуй, митохондрии. Это крупные органеллы, которые играют роль своего рода “тепловых электростанций”. Они “сжигают” глюкозу и обеспечивают клетку энергией, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Одновременно митохондрии играют важную роль в регуляции запрограммированной клеточной гибели – апоптоза.

Если клетка – это строительный кирпичик организма, то органические молекулы – это, в свою очередь, стройматериал для клеток. Основные молекулы жизни – ДНК, РНК, белки – это огромные линейные полимеры, то есть молекулы-“цепочки”, состоящие из нанизанных друг за другом небольших фрагментов – мономеров. Чтобы подчеркнуть размер биологических полимеров, их часто называют макромолекулами. Размер имеет значение! Химические и физические свойства больших молекул сильно отличаются от свойств их мономеров. Например, полисахарид целлюлоза – жесткий, нерастворимый, плохо перевариваемый полимер, составляющий основу древесины, – состоит из мономеров глюкозы – сладкой, легкорастворимой и питательной молекулы.

У ДНК и РНК мономерами являются органические молекулы – нуклеотиды, у белков – другие органические молекулы, аминокислоты (а точнее, аминокислотные остатки). Любой линейный полимер можно описать через последовательность составляющих его мономеров. Например: аланин – глицин – пролин – тирозин – аланин – серин (другая форма записи – AGPYAS) – это описание фрагмента белка. Порядок соединения аминокислотных остатков определяет, какую структуру будет иметь белок и какую функцию станет выполнять. Гены и молекулы РНК, в свою очередь, различаются нуклеотидными последовательностями.

Биополимеры можно сравнивать между собой и давать количественную оценку степени их сходства (или различия). Например, последовательности ААААC и ATAAC различаются между собой всего на одну букву (нуклеотид) из пяти, таким образом степень гомологии (сходства) этих двух полинуклеотидов составляет 80 %. Сопоставляя последовательности генов различных организмов, ученые получают данные о степени их родства. Чем больше сходство геномов, тем более близкими родственниками являются виды. При изучении раковых опухолей ученые таким же образом сравнивают ДНК раковых клеток и здоровых. Это помогает им обнаружить генетические причины болезни, подробнее о которых будет сказано дальше.

Аналогичный анализ позволяет делать обоснованные предположения о структуре и функциях малоизученных белков путем сопоставления их с хорошо изученными макромолекулами. Белки, у которых последовательности демонстрируют высокую степень гомологии (50 % и выше), как правило, обладают схожей структурой и свойствами.

Белки – главные “рабочие лошадки” живой клетки. В состав белков человеческого тела входит всего 20 аминокислот с различными свойствами – маленькие и массивные, “кислые” и “щелочные”, водорастворимые и “жирные”, но количество возможных трехмерных структур, которые можно построить из них, огромно. Это чем-то похоже на конструктор “Лего” – из небольшого количества базовых элементов можно создавать очень разные, непохожие друг на друга конструкции.

Множеству белковых структур соответствует невероятное разнообразие их функций в человеческом теле. Белки обеспечивают транспорт и движение, участвуют в процессах размножения и дыхания, защищают наш организм от инфекций и позволяют различать свет и тьму. Собственно, все основные задачи в живой клетке решаются белками. Все, кроме одной. Белки не способны к самовоспроизводству. Эта “умная” молекула не может сама себя синтезировать. Для производства белков нужны специальные молекулярные инструкции (записанные в ДНК) и особые молекулярные “синтезаторы” небелковой природы – рибосомы (основой которых является РНК), способные синтезировать белки, используя “инструкцию”, написанную на другом, нуклеотидном, языке.

ФАКТ: Фридрих Энгельс был прав – жизнь действительно есть “форма существования белковых тел”!

Генетический код – догма и руководство к действию!

Три главных типа биополимеров – ДНК, РНК и белки – существуют в организме не обособленно. Они связаны между собой отношением, которое великий ученый Фрэнсис Крик назвал “основной догмой молекулярной биологии”. Суть “догмы” в том, что генетическая информация в клетке хранится в виде последовательности молекулы ДНК, а реализуется в виде последовательности белка, причем посредником в процессе переноса информации является молекула РНК. Процесс перекодирования нуклеотидной последовательности в аминокислотную происходит на специальных молекулярных машинах – рибосомах.

Используя нестрогую компьютерную аналогию, ДНК можно сравнить с программой, написанной на одном из языков программирования высокого уровня (например, С++). Аппарат трансляции, включающий в себя разнообразные РНК, работает как компилятор, переводящий (транслирующий) эту программу в машинный код, понятный компьютеру. А белок можно уподобить исполняемому файлу игры, получившейся на выходе. Если не знать о принципах компилирования, обнаружить какую-либо связь между исходным текстом программы и итоговым EХЕ-файлом практически невозможно. Именно поэтому ученые так долго не могли заметить взаимосвязь между ДНК и белками.

Другой, более бытовой, аналогией может быть связь между рецептом пирога (ДНК) и собственно пирогом (белком). Превращение информации, торопливо записанной на клочке бумаги, в праздничное блюдо происходит благодаря умелым рукам кулинара (рибосомы), который в нужной последовательности соединяет необходимые ингредиенты. Но для человека, не знакомого с письменностью, взаимосвязь между кусочком бумаги и лакомством будет выглядеть как загадка, а может быть, и колдовство.

Кусок ДНК, который кодирует последовательность того или иного белка, называется “ген”. Совокупность генов в организме формирует его геном. Это первое – и очень приблизительное – определение молекулярных основ живого, которое постепенно будет уточнено (и усложнено).

Правила, устанавливающие соответствие между последовательностью ДНК и последовательностью белка, которую кодирует данный ген, называются генетическим кодом. Генетический код в основных чертах един для всех живых существ на Земле, и редкие отступления от него у некоторых бактерий и одноклеточных представляют собой исключения, лишь подтверждающие правило. Единство генетического кода является основным доказательством общего происхождения всех форм жизни, известных нам на сегодняшний день.

Генетический код триплетен. Это означает, что одна аминокислота в составе белка кодируется тремя нуклеотидами в составе ДНК. (Аналогично слова “три” и “два”, по три буквы в каждом, кодируют в русском языке информацию о цифрах “3” и “2”.) Четыре нуклеотида ДНК способны составить 64 триплетных кодона – основных “слов” генетического алфавита. Большая часть этих кодонов кодирует аминокислоты. Причем, поскольку аминокислот всего 20, это значит, что некоторые аминокислоты кодирует несколько разных кодонов, подобно тому как в естественном языке слова-синонимы могут обозначать один и тот же предмет. Это свойство генетического кода, когда несколько кодонов соответствуют одной и той же аминокислоте, называется вырожденностью. Три кодона из 64 не кодируют никаких аминокислот. Это так называемые стоп-кодоны. Их функция – в нужный момент прекращать синтез белка. Стоп-кодон в конце последовательности, кодирующей белок, играет ту же роль, что и точка в конце предложения в человеческих языках.

Замена (мутация) в нуклеотидной последовательности гена влечет за собой ошибку (мутацию) в аминокислотной последовательности белка или даже полное прекращение его синтеза – к такому результату может привести незапланированное появление стоп-кодона в начале гена.

А теперь попробуйте решить несложную, на первый взгляд, задачу. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, средняя длина белка составляет примерно 200 аминокислотных остатков. Сколько же белков кодирует человеческий геном, имеющий размер 3,1 млрд пар оснований (“пар” – потому что обычная структура ДНК в клетке – это двойная спираль)? Неужели больше 5 млн?! (3,1 млрд: (200 * 3)). Но нет. Всего лишь около 20 000–25 000. Откуда же берется такое колоссальное расхождение между размерами генома и количеством белков?

(Строго говоря, приведенные выше цифры не совсем точны, поскольку с одного гена могут считываться несколько разных белков, так что общее число разных белков в человеческом организме будет больше 20 000–25 000, но все равно гораздо меньше 5 млн. При этом в каждой отдельной клетке будет синтезироваться лишь та часть из них, что соответствует ее специализации.)

Оказывается, значительную часть генома образует ДНК, которая не несет никакой информации о белках. На долю ДНК, кодирующей белки в организме человека, приходится всего около 3 %! И даже в генах кодирующие куски ДНК – экзоны – разбиты некодирующими интронами. Английский популяризатор науки Мэтт Ридли остроумно сравнил их с рекламой, прерывающей текст интересной статьи.

Поначалу озадаченные ученые пренебрежительно обозвали эту некодирующую часть ДНК “мусорной” (junk DNA), но в последние годы отношение к ней сильно изменилось. Выяснилось, что некодирующая ДНК играет важную регулирующую роль, особенно в многоклеточных организмах. В частности, было обнаружено, что сложность организации организма (разница между человеком и червем, условно говоря) слабо коррелирует с общим количеством генов в сравниваемых организмах, однако показывает убедительную взаимосвязь с размером некодирующего генома. Чем сложнее организм, тем больше в нем “мусорной” (а на самом деле – регулирующей) ДНК.

Это и другие открытия уточнили наши представления о генах и геноме. На сегодняшний день их можно сформулировать следующим образом. Совокупность ДНК в клетке формирует ее геном. Функция генома заключается в сохранении информации, необходимой для нормального функционирования белков, которые нужны для жизнедеятельности клетки. Эта информация состоит из двух частей. Первая часть – сведения о правильной аминокислотной последовательности белка, которая определяет его трехмерную структуру и биологическую функцию. Эту информацию несут кодирующие участки гена. Проводя соответствие между нуклеотидной последовательностью генома и определенным белком – “ген белка N” – мы имеем в виду именно ее. Вторая часть – это информация о регуляции активности этого белка в клетке: когда и в каких количествах он будет считываться с гена, будет ли ген активен во всех типах клеток или лишь в некоторых и какие факторы будут влиять на его активность (ее еще называют “экспрессией гена”). Эта информация каким-то (пока еще не до конца понятным нам образом) сохраняется в некодирующей, регулирующей части генома.

ФАКТ: белки – основа жизни, информация о белках кодируется генами. Ошибки в геноме нарушают нормальное производство тех или иных белков, что приводит к изменению свойств клетки. Например, из нормальной она может превратиться в раковую.