Горбатый кит, одно из самых крупных животных, когда-либо существовавших на Земле, — это гигантское сообщество квадриллионов взаимосвязанных клеток. Клетки разного типа обеспечивают процессы пищеварения, дыхания, размножения, реакцию на других живых существ и прочие функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности организма в целом. Это относится не только к китам, но и, скажем, к слону, человеку или кактусу сагуаро. Все они — хорошо организованные, слаженно функционирующие клеточные цивилизации.
Многоклеточные организмы успешно эволюционировали прежде всего благодаря тому, что взаимодействующие друг с другом клетки обладают преимуществом перед «одиночками», например бактериями. Дележ ресурсов позволил жизненным формам увеличиваться в размерах — преимущество, которое помогает противостоять хищникам, поскольку питательные вещества и химические сигналы, необходимые клеткам, могут распространяться на все тело. Разделение функций привело к специализации и развитию таких органов, как желудок и конечности. А сотрудничество наделило способностью поддерживать в должном состоянии внеклеточное пространство, что способствовало увеличению времени жизни клеток. Но кооперативное сообщество очень хрупко: в многоклеточном организме могут появляться и процветать клетки-мошенники (читеры — согласно терминологии, используемой в компьютерных играх). Неумеренно потребляя ресурсы, они реплицируются быстрее, чем «кооператоры», и берут над ними верх. Клетки-читеры монополизируют запасы питательных веществ и нарушают ту гармонию, в которой пребывал многоклеточный организм. Раковые клетки живут по своим законам. Они бесконтрольно делятся и не погибают в положенное время, лишают другие клетки питательных веществ, мешают им нормально функционировать, замусоривают межклеточное пространство. В то время как нормальные клетки делятся до определенного момента, клетки раковые ускользают от систем контроля деления. Время жизни первых ограничено, вторые же противостоят иммунной системе, которая в положенное время должна была бы их уничтожить. Обычные клетки распределяют между собой жизненно важные питательные вещества и сигнальные молекулы, раковые же стимулируют образование дополнительных кровеносных сосудов, чтобы обеспечить себя избытком ресурсов. Указнные различия свидетельствуют о том, что читерство — не метафора, а сущность поведения переродившихся клеток. Сочетание эволюционного подхода и представления о кооперативном взаимодействии позволяет по-новому посмотреть на то, как происходит — или не происходит — раковая трансформация клеток. У таких крупных животных, как кит или слон, рак встречается редко, несмотря на то что они состоят из огромного числа клеток, многие из которых могли бы превратиться в раковые. Почему? Ряд ученых, в том числе и сотрудники нашей лаборатории из Центра по исследованию эволюции рака при Аризонском университете, проанализировали геном этих гигантов и обнаружили, что он содержит множество копий генов, которые управляют процессом разрушения мутантных генов, кодирующих аберрантные белки — предвестники рака. У этих животных присутствует также избыточное число копий генов, отвечающих за репарацию повреждений геномной ДНК. Один из таких генов, TP53, обнаружен у человека, но только в виде двух копий; неудивительно поэтому, что наши клетки претерпевают раковую трансформацию чаще. Предпринимаются попытки использовать действие этих генов в противораковой терапии, а пока исследователи занимаются их поисками в геномах самых разных живых существ. Онкологи даже начали использовать эволюционные принципы в создании схемы химиотерапии, которая не затрагивала бы наименее агрессивные клетки опухоли и уничтожала только окончательно переродившиеся. Это сдерживает появление резистентных клеток.
Компьютерное моделирование
Эволюционной взаимосвязью кооперации и читерства я заинтересовалась, работая над дипломом, а затем над диссертацией по психологии. Я написала компьютерные программы, которые позволяли проверять различные стратегии на предмет их воздействия на гипотетические популяции, представленные совокупностью узлов в некой сети. В таких моделях — без всяких сдерживающих факторов, налагаемых генетическим родством или социальными нормами реципрокности, — читеры одерживают верх над кооператорами. Вначале я пыталась понять, что же обеспечивает устойчивость кооперации в человеческих сообществах. Но затем заинтересовалась биологической подоплекой рака и тем, как появляются раковые клетки; мне стало понятно, что во многих отношениях их действия направлены на разрушение кооперативности многоклеточных систем. Рак, представлявшийся мне «бессмысленным» заболеванием, поскольку в конечном счете он уничтожает самого себя, стал обретать смысл. Продвигаясь дальше в своих исследованиях, я обнаружила, что читерство — это путь к раку или предраковому состоянию у многих сложных организмов от человека до двустворчатого моллюска и кактуса. Например, у растений вместо одной веточки иногда образуется целый пучок. Среди самых впечатляющих примеров подобной аномалии — кактус с гребешком. У кактуса сагуаро могут возникать мутации в клетках меристемы (аналог стволовых клеток у животных) на кончиках стволов. Это приводит к усиленной пролиферации клеток и появлению выростов, напоминающих гребешок. Образование выглядит забавно, но, как и рак у человека, может иметь печальные последствия. Такие кактусы не образуют цветков, что препятствует размножению, и у них чаще развиваются различные болезни.
двойной клик - редактировать изображение
Стало ясно, что эти проявления нарушений межклеточных взаимодействий сходны с характерными признаками рака, которые служат для онкологов маркерами начала малигнизации. В дополнение к таким явлениям, как неумеренная пролиферация и инвазия (распространение на другие органы и ткани), эти проявления также указывают на раковую трансформацию, а эволюционный подход предполагает, что инвазия, возможно, становится следствием клеточного читерства. Когда раковые клетки исчерпывают локальные запасы питательных веществ в результате синтеза соответствующих ферментов в избыточном количестве, они разрушают окружающие клетки. Из экологии мы знаем, что организмы, оказывающиеся в подобной ситуации, начинают расселяться. То же самое происходит с голодающими раковыми клетками. Согласно результатам компьютерного моделирования процесса развития рака, ускоренное потребление ресурсов приводит к появлению клеток, стремящихся к миграции. Результаты этих исследований мы опубликовали в 2012 г. в журнале Cancer Prevention Research. По нашему мнению, неумеренное поглощение питательных веществ раковыми клетками — один из факторов метастазирования. Задолго до инвазии в другие органы и ткани дефицит ресурсов подталкивает клетки опухоли к поиску других источников пищи. Это сочетание экологического и эволюционного подходов создает предпосылки к открытию новых способов диагностирования рака в дополнение к тем, что основаны на таком признаке, как неумеренная пролиферация. В 2017 г. мы с коллегами из Центра по исследованию эволюции рака при Аризонском университете опубликовали в журнале Nature Reviews Cancer статью, в которой рекомендовали обращать внимание на клетки, ведущие себя ненадлежащим образом в других отношениях, чем, скажем, бесконтрольное деление. Они, например, потребляют слишком много питательных веществ или синтезируют ферменты, разрушающие соседние клетки.
Кооперация раковых клеток
Говоря о межклеточном кооперативном взаимодействии, мы имеем в виду не только клетки, обладающие избыточной активностью, но и другие клетки, чья функция заключается в идентификации и подавлении читерства. Живые системы выработали для этого особые механизмы. Так, нормальные клетки могут реплицироваться только с «разрешения» соседей, которые посылают специфические «сигналы роста». И если какие-то клетки нарушают это правило, то соседние или иммунная система их уничтожают. Раковые клетки тоже обладают системой охраны. Один из таких «охранников» — ген TP53, кодирующий белок p53. Он играет ключевую роль во многих механизмах контроля — от регуляции клеточного цикла до запуска апоптоза. Среди других «охранников» — ген BRCA, регулирующий процесс репарации ДНК. Если в нем возникает мутация, препятствующая нормальному функционированию, повышается риск рака грудной железы, яичников и предстательной железы. Гены семейства TP53 (куда входят также гены TP63 и TP73, которые способствуют поддержанию целостности генома) появились у многоклеточных на самых ранних этапах их эволюции. Первыми их обладателями стали такие примитивные организмы, как актинии, и, принеся с собой ряд преимуществ для своих хозяев, эти гены широко распространились по всем ветвям эволюционного древа. В 2019 г. Анна Трайгос (Anna Trigos) с коллегами из Онкологического центра Питера Маккаллума в Австралии сообщили, что наиболее часто встречающиеся мутации у онкобольных полностью выводят из строя сигнальные системы, часть которых — ген TP53. Более того, обнаружилось, что утрачивается связь между этими генетическими регуляторными системами, которые появились в ходе эволюции даже раньше самих многоклеточных. Трайгос с коллегами оценили «возраст» этих генов с помощью метода филостратиграфии, основанного на сравнении характеристик генов ныне живущих организмов для того, чтобы определить их возможного общего предшественника и в конце концов выяснить, где и когда эти гены появились на эволюционном древе жизни. Затем они исследовали мутантные гены в ДНК опухолей у более 9 тыс. больных и выяснили, что многие из них участвуют в регуляции межклеточных взаимодействий. Каким же образом такие гены, как TP53, распознают читеров? По-видимому, они играют роль коллекторов информации относительно активности клеток. Например, возможно, к ним стекаются со всех концов генома сигналы об увеличении числа мутаций в какой-то клетке или о сверхпродукции аберрантных белков. Вероятнее всего, такие сигналы указывают на то, что данная клетка больше не находится в надлежащем взаимодействии с другими клетками тела, и они включают гены семейства TP53, которые могут прервать репликацию и запустить процесс репарации ДНК. Если этого недостаточно, они вызывают апоптоз, дабы защитить организм от потенциальной угрозы со стороны данной клетки. Две копии гена TP53 мы получаем от своих родителей: одну от отца, другую от матери. Если в одной из копий возникает мутация, риск рака у организма-хозяина многократно увеличивается. Геном людей с редким заболеванием под названием «синдром Ли — Фраумени» содержит только одну копию гена TP53, и риск развития рака у них чрезвычайно высок. У слонов в отличие от людей в геноме содержится 40 копий аналога человеческого гена TP53 — он называется EP53, и, по мнению ряда исследователей, в числе которых и я сама, это объясняет, почему рак у крупных животных — редкое явление. Такое отсутствие малигнизации долгое время оставалось загадкой и получило название парадокса Пето по имени Ричарда Пето (Richard Peto), который с коллегами из Оксфордского университета в 1977 г. отметил, что у крупных (и более долгоживущих) организмов рак должен был бы развиваться чаще, чем у мелких созданий, поскольку их тело состоит из большего числа клеток и, следовательно, в большем их количестве могут возникнуть мутации. Однако, по словам самих этих биологов, риск рака и размер тела не коррелируют друг с другом. В одной из статей, опубликованных нами в 2017 г., утверждается, что этот парадокс распространяется на всех животных. Мы создали обширную базу данных по различным патологиям среди обитателей зоопарков и пациентов ветеринарных клиник и установили, что риск рака у долгоживущих крупных видов в точности такой же, как у видов более мелких.
двойной клик - редактировать изображение
По нашему мнению, у крупных животных более развиты механизмы подавления клеточного читерства, например благодаря наличию большого числа копий генов типа EP53. Эволюционные генетики провели сравнительный анализ геномов слонов и реконструированных геномов нескольких сходных исчезнувших видов, например шерстистого мамонта, и обнаружили, что чем крупнее животное, относящееся к этой категории, тем больше у него копий TP53-подобных генов. Это наводит на мысль о роли данных генов в эволюционном развитии крупных животных в направлении еще большего увеличения массы тела. Чем крупнее животное, тем успешнее оно противостоит хищникам, а гены — супрессоры малигнизации помогают ему справиться с клетками-читерами. По-видимому, такая картина имеет универсальный характер. За время эволюции жизни на Земле огромные животные появлялись множество раз как на суше, так и на море. И всегда вместе с ними появлялись гены, сдерживающие читерство. Таксономическая группа китовых, куда входят дельфины и китообразные, представлена животными самых разных размеров. Так, горбатый кит в четыре раза крупнее близкородственного ему малого полосатика, а косатка может превышать по размерам своего близкого родственника афалину в 20 раз. При этом число генов, отвечающих за поддержание порядка в теле животных этой группы, тем больше, чем животные крупнее. Детально исследовав геномы горбатых китов, мы обнаружили, что число повторов генов, отвечающих за апоптоз, у них гораздо больше, чем у более мелких китовых. Кроме того, у крупных китов были выявлены свидетельства эволюционного отбора, направленного на увеличение числа генов-онкосупрессоров, среди которых — гены контроля клеточного цикла и гены, участвующие в пролиферации. Один из таких генов, PRDM2T, регулирует экспрессию китовой версии гена TP53, что опять-таки указывает на ключевую роль данного сегмента ДНК. Блокирование читерства — непростая задача, поскольку по иронии судьбы малигнизированные клетки, перестающие реагировать на сигналы, посылаемые нормальными клетками, начинают кооперироваться между собой. Это отрицательно влияет на здоровые клетки. Например, раковые клетки могут вырабатывать факторы роста, которыми они обмениваются с другими такими же клетками, или синтезировать молекулы, помогающие клеткам, находящимся в предраковом состоянии, маскироваться и ускользать от иммунной реакции. Как показывают результаты компьютерного моделирования поведения клеточных популяций организма, кооперация раковых клеток действительно возможна и становится более реальной, когда такие клетки вступают во взаимодействие со своими генетическими двойниками, что и происходит в опухолях. Кооперация «нарушителей правил» может спровоцировать их миграцию и образование метастазов. Раковые клетки способны мигрировать целыми группами, ориентируясь на электрические и химические сигналы и иногда образуя протяженные цепочки, тянущиеся к другим частям тела. По данным одного исследования, группы раковых клеток, циркулирующие в крови, образуют новые очаги опухолевого роста в 23–50 раз чаще, чем одиночные клетки.
Усовершенствование естественных механизмов контроля
Идея кооперации раковых клеток может показаться плодом больного воображения, но исследования этого феномена прокладывают путь к новым способам блокирования читеров, даже когда они действуют совместно. Например, можно попытаться усовершенствовать естественный механизм контроля патологического процесса. Специалисты из нашего Центра по исследованию эволюции рака при Аризонском университете пытаются разработать метод борьбы с раком, используя многочисленные копии слоновьего гена EP53. В опытах in vitro они уже показали, что встраивание EP53 в геном может восстановить функции поврежденного белка p53 в клетках остеосаркомы, взятых у человека и собаки. Эта же манипуляция нормализует процесс апоптоза. Другое, не менее перспективное направление основано на блокировании способности раковых клеток посылать иммунной системе фейковые сигналы, которые маскируют усиление их читерства. Уже достигнуты некоторые успехи в применении такого подхода к лечению больных с меланомой. Еще один подход, называемый адаптивной терапией, основан на ослаблении групп раковых клеток через поддержку тех из них, которые зашли в ходе малигнизации не очень далеко. Вместо того чтобы атаковать опухоль противораковым средством в высоких дозах — что способствует выработке резистентности к препарату (нечто аналогичное происходит при обработке посевов сельскохозяйственных культур инсектицидами), — онкологи стали применять химиотерапию только в объемах, сдерживающих рост опухоли. Чувствительные к лекарству клетки выживали и конкурировали с резистентными клетками за питательные вещества, ограничивая их репликацию. В ходе клинических испытаний на пациентах с агрессивной формой рака предстательной железы удавалось держать опухоль под контролем 34 месяца с небольшим; при стандартной химиотерапии этот срок составлял 13 месяцев. Поскольку кооперация читеров — своего рода воровской кодекс чести — представляет собой одну из ключевых стратегий раковых клеток, мы с коллегами попытались блокировать молекулярные сигналы, которыми обмениваются эти клетки, стимулируя образование новых кровеносных сосудов — поставщиков питательных веществ. Имея в виду, что группы клеток образуют метастазы чаще, чем клетки-одиночки, можно попытаться модифицировать молекулы, с помощью которых раковые клетки кластеризуются. Установлено, что у пациентов с высокой концентрацией адгезивных белков (их называют плакоглобинами) в плазме крови метастазы образуются чаще и продолжительность жизни у таких больных ниже. Отсюда следует, что исследование возможности применения таких белков весьма перспективно. Социальные взаимоотношения раковых клеток друг с другом и с другими клетками организма гораздо сложнее, чем мы можем представить. Но нормальные клетки еще более сложно организованы и в них заложены механизмы противостояния разного рода вызовам, о которых мы мало что знаем. В каждой клетке нашего тела находится целый комплекс генетических сетей, которые способны улавливать читерство и реагировать на него. Все мы ведем начало от длинной цепочки многоклеточных предшественников, которые умели подавлять малигнизацию достаточно долго, чтобы успеть произвести потомство, и их потомки несли этот признак и передавали по наследству. Клеточная кооперация успешно вписывалась в сложный процесс эволюции, несмотря на наличие читерства. Рак вмешивается в упорядоченную систему межклеточных взаимодействий, выработанную в процессе эволюции, но мы — наравне с другими живыми существами, населяющими Землю, — обладаем инструментами, которые помогают сохранить установившийся порядок.
Перевод: Н.Н. Шафрановская
Афина Актипис (Athena Aktipis) — доцент кафедры физиологии Аризонского университета, одна из руководителей исследовательского проекта, над которым работают сотрудники Центра по исследованию эволюции рака при Аризонском университете. Автор книги «Клетка-читер: как эволюция помогает нам понимать и лечить рак».
Источник: журнал «В мире науки» №3 2021
