Геном

В то время, когда Ричард Никсон в 1971 году объявил вой­ну раку, ученые практически ничего не знали о своем враге, помимо очевидного факта интенсивного деления клеток в пораженных тканях. Также было очевидно, что в большин­стве случаев онкология не является ни инфекционным, ни наследственным заболеванием. Общепризнанным было мнение, что рак — это не отдельное заболевание, а прояв­ление самых разнообразных нарушений функционирова­ния организма, часто связанных с воздействием внешних факторов, которые ведут к неконтролируемому делению клеток. Так, трубочисты «зарабатывают» рак мошонки в результате постоянного контакта с дегтем; рентгеновское или радиационное облучение ведет к белокровию; у куриль­щиков и строителей, работающих с асбестом, развивается рак легких и т.д. и т.п. Также было понятно, что влияние канцерогенных факторов может быть не прямым, а связан­ным с общим ослаблением иммунной системы организма.

На проблему рака под другим углом зрения удалось по­смотреть благодаря открытиям нескольких конкурирую­щих групп ученых. Так, в 1960 году Брюс Эймс (Bruce Ames) из Калифорнии показал, что общим между такими канце­рогенами как рентгеновское облучение и деготь является их способность разрушать ДНК. Эймс предположил, что причина рака кроится в генах.

Другое открытие произошло намного раньше, еще в 1909 году: Пейтон Роус (Peyton Rous) доказал инфекцион­ную природу саркомы цыплят. Его работа долго оставалась незамеченной, поскольку инфицирование довольно слож­но воспроизводилось в эксперименте. Но в 1960-х годах было описано множество новых онковирусов животных, включая вирус саркомы цыплят. В возрасте 86 лет Роус полу­чил Нобелевскую премию за свое давнее открытие. Вскоре были обнаружены онковирусы человека и стало ясно, что целую группу онкологических заболеваний, таких, как рак шейки матки, следует считать в некоторой степени инфек­ционными (Cookson W. 1994. The gene hunters: adventures in the genome jungle. Aurum Press, London).

Как только стало возможным секвенирование (прочте­ние) геномов организмов, ученые узнали, что известный вирус саркомы Роуса несет в себе особый ген, названный src, который ответствен за онкологическое превращение клеток. В геномах других онковирусов были обнаружены свои «онкогены». Так же, как и Эймс, вирусологи увидели генетическую природу онкологии. Но в 1975 году только появившаяся теория о роли генов в развитии рака была перевернута с ног на голову. Оказалось, что страшный ген src имеет совсем не вирусное происхождение. Это нормаль­ный ген любого организма — куриного, мышиного и нашего с вами, — который зловредный вирус саркомы Роуса просто стащил у одного из своих хозяев.

Более консервативные врачи долго отказывались при­знавать генетическую подоплеку онкологических заболева­ний — в конце концов, за исключением некоторых редких случаев, онкология не является наследственным заболе­ванием. Они забывали о том, что геном имеет свою исто­рию не только от поколения к поколению, но и в каждой отдельной клетке организма. Генетические заболевания в отдельных органах или отдельных клетках, хотя и не пере­даются по наследству, все же остаются классическими гене­тическими заболеваниями. В 1979 году, чтобы подтвердить роль генов в возникновении рака, онкологическая опухоль у мышей была вызвана экспериментально путем введения в клетки ДНК из раковых клеток.

У ученых сразу же возникли гипотезы относительно того, к какому классу генов могут относиться онкогены. Безусловно, это должны быть гены, ответственные за рост и деление клетки. Нашим клеткам нужны такие гены для пренатального роста эмбриона и для развития детей, а также для затягивания и заживления ран. Но чрезвычай­но важно, чтобы большую часть времени эти гены остава­лись выключенными. Неконтролируемое включение таких генов ведет к катастрофе. В «куче» из 100 триллионов по­стоянно делящихся клеток у онкогенов есть уйма возмож­ностей обойти запреты и остаться включенными даже без помощи таких мутагенов, как сигаретный дым или солнеч­ный ультрафиолет. К счастью, в клетках также есть гены, роль которых состоит в уничтожении быстро делящихся клеток. Первые такие гены были обнаружены в середине 1980-х годов Генри Харрисом (Henry Harris) из Оксфорда, и им было присвоено имя опухолевых супрессоров. Их действие противоположно активности онкогенов. Свою функцию они выполняют по-разному. Обычно происходит блокирование цикла развития клетки на определенной ста­дии до тех пор, пока механизмы внутреннего контроля не проверят состояние клетки. Если тревога была ложной, клетка будет разблокирована. Стало ясно, что для возник­новения раковой клетки в ней должно произойти два со­бытия: включение онкогена и разрушение гена-супрессора. Вероятность выполнения двух условий довольно мала, но и это еще не конец истории. Обманув гены-супрессоры, рако­вая клетка теперь должна пройти еще один более жесткий генетический контроль. Специальные гены активизируют­ся в результате неестественного деления клетки и дают ко­манду другим генам на синтез веществ, убивающих клетку изнутри. Эту роль берет на себя ген ТР_ЧГ

Ген ТР₅₃ впервые был обнаружен Дэвидом Лэйном (David Lane) в Данди (Dundee), Великобритания. Сначала его при­няли за онкоген. Лишь позже стало известно, что его роль состоит в подавлении раковых клеток. Лэйн со своим кол­легой Питером Холлом (Peter Hall) как-то раз в пабе спори­ли о назначении гена ТР₅₃, и Холл предложил на себе, как на морской свинке, доказать противораковую роль гена. Чтобы получить разрешение для проведения опытов на животных, нужно было ждать месяцы, а волонтер был ря­дом. Холл несколько раз облучил небольшой участок кожи на руке, а Лэйн в течение двух недель брал образцы ткани для биопсии. Было обнаружено существенное повышение содержания в клетках белка р53 — продукта гена TP _у после­довавшее вслед за облучением. Эксперимент показал, что ген включается в ответ на действие канцерогенного факто­ра. Лэйн продолжил исследования белка р53 как противо­ракового препарата. К моменту выхода этой книги в свет в Данди должны были начаться клинические испытания препарата на группе добровольцев под контролем врачей. Небольшой шотландский городок в устье Тэи, который до сих пор славился лишь мешковиной и мармеладом, посте­пенно превращается в мировой центр онкологических ис­следований. Белок р53 стал уже третьим перспективным противораковым препаратом, разработанным учеными Данди.

Мутация в гене ТР,₃ — одно из необходимых условий ле­тального рака. В 55% случаев рака у людей в раковых клет­ках обнаруживается дефект этого гена, а при раке легких мутация обнаруживается более чем в 90% случаев. У людей с врожденным дефектом гена ТР₅₃ хотя бы на одной хро­мосоме вероятность возникновения онкологических забо­леваний в юном возрасте достигает 95%. Возьмем, напри­мер, рак прямой кишки. Обычно эта болезнь начинается с мутации в гене-супрессоре АРС. Если в развившемся по­липе произойдет следующая мутация в онкогене RAS, то на месте полипа появляется опухоль аденома. Заболевание переходит в более опасную фазу после третьей мутации в одном пока неопределенном гене-супрессоре. Но опухоль становится летальной карциномой только после того, как произойдет четвертая мутация в гене ТР₅₃. Похожие схемы развития применимы к другим формам рака. И всегда по­следней происходит мутация в гене ТР_ЧГ

Теперь вы видите, почему ранняя диагностика рака так важна для его успешного лечения. Чем больше становится опухоль, тем большей становится вероятность очередной мутации как в силу общей теории вероятности, так и в ре­зультате все ускоряющейся частоты деления клеток, что ведет к ошибкам в геноме. У людей, предрасположенных к онкологическим заболеваниям, часто обнаруживается мутация в так называемых генах-мутаторах, что ведет к воз­растанию числа случайных мутаций в геноме. К таким ге­нам, скорее всего, относятся гены рака молочной железы, BRCA_/ и BRCA₂, о которых мы говорили при рассмотрении хромосомы 13. Раковые клетки находятся под прессом та­кого же эволюционного процесса, который довлеет над популяцией кроликов. Точно так же, как потомки быстро размножающейся пары кроликов вскоре вытесняют своих более пассивных соседей, в раковой опухоли линии быстро растущих клеток вытесняют умеренно растущие клетки. Так же, как в популяции кроликов выживают и оставляют потомство лишь те из них, кто умело прячется от сов и ли­сиц, в раковой опухоли из множества мутаций отбираются только те, которые помогают раковым клеткам успешно противостоять защитным силам организма. Развитие рако­вой опухоли происходит в точном соответствии с эволюци­онной теорией Дарвина. Несмотря на огромное разнообра­зие мутаций, течение онкологических заболеваний сходно в большинстве случаев. Мутации случайны, но направлен­ность селективного процесса и его механизмы одинаковы для всех людей.

Также становится понятным, почему вероятность возник­новения онкологических заболеваний удваивается с каждым десятилетием нашего возраста, являясь преимущественно болезнью пожилых людей. В результате случайных мутаций у части людей в популяции рано или поздно происходят му­тации в генах-супрессорах, таких как TP _г или в онкогенах, что ведет к необратимым и часто фатальным последствиям. Доля онкологии среди причин смерти людей колеблется от 10 до 50% в обратной зависимости от уровня развития медицины. Чем лучше врачи справляются с другими забо­леваниями, тем дольше становится средняя продолжитель­ность жизни и, соответственно, тем больше мутаций чело­век успевает накопить, и тем более вероятным становится возникновение онкологических заболеваний. Вероятность того, что в результате случайных мутаций будут поврежде­ны важные гены-супрессоры и активизированы опасные онкогены, чрезвычайно мала. Но если мы умножим эту ве­роятность на число клеток в организме и число делений, то к определенному времени эта вероятность перейдет в зако­номерность. «Одна фатальная мутация на 100 триллионов клеточных делений становится не такой уж редкостью», — сказал по этому поводу Роберт Вайнберг (Robert Weinberg 1998. One renegade cell. Weidenfeld and Nicolson, London).

Давайте ближе познакомимся с геном ТР_5Г Ген состоит из 1 179 «букв» и кодирует довольно простой белок р53, ко­торый достаточно быстро разрушается в клетке другими белками и «живет» в среднем не более 20 мин. Более того, все это время белок р53 находится в неактивном состоя­нии. Но как только в клетке возникают определенные сиг­налы, синтез белка стремительно возрастает, а его деграда­ция ферментами клетки прекращается. Что это за сигналы, до сих пор не ясно. Определенно, фрагменты ДНК, обра­зующиеся в результате разрушения или неправильного ко­пирования хромосом, являются одним из таких сигналов. Разорванные фрагменты ДНК также влияют на активность самого белка р53. Как бойцы спецназа, молекулы белка бросаются в схватку. Можно представить себе, что лихой белок р53 выходит на сцену и заявляет: «С этого момента управление операцией я беру на себя». Основная функция белка р53 состоит во включении в работу других генов и белков. Дальше события развиваются по одному из следую­щих сценариев: либо клетка прекращает пролиферацию и репликацию ДНК до того момента, пока ситуацию прояс­няют специальные репаративные белки, либо включается программа на самоуничтожение.

Еще одним сигналом, активизирующим белок р53, яв­ляется недостаток кислорода в клетке, что характерно для раковой опухоли. Внутри быстро растущей опухоли нару­шается кровоснабжение, и клетки начинают задыхаться. Злокачественные новообразования справляются с этой проблемой за счет выработки специальных гормонов, ко­торые заставляют организм взращивать новые артерии для питания опухоли. Именно этим артериям, напоминающим клешни рака, опухоль обязана своим названием, используе­мым еще в Древней Греции. Целое направление в разработ­ке лекарств от рака посвящено поиску веществ, которые блокируют процесс ангиогенеза—образования новых крове­носных сосудов в раковой опухоли. Но обычно белок р53 разбирается в ситуации еще до того, как опухоль приступит к ангиогенезу, и уничтожает ее на ранних стадиях разви­тия. В тканях с плохим кровоснабжением, таких, как кожа, сигнал недостатка кислорода недостаточно четок, что по­зволяет опухоли развиться и нейтрализовать белок р53. Вероятно, поэтому меланома кожи столь опасна (Levine А. J. 1997. Р₅₃, the cellular gatekeeper for growth and division. Cell 88: 323-331).