Помоги проекту - поделись книгой:
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.
Структура генома не случайна
Описание структуры человеческого генома в учебниках зачастую выглядит как набор не связанных между собой фактов. На самом деле каждый элемент в этой сложной системе подчинен решению конкретной и очень непростой биоинженерной задачи — обеспечения сохранности генетического материала организма.
Только представьте: общая длина ДНК в клетке человека составляет около двух метров при среднем размере клетки 10–100 микрометров (1 мкм = 0,000001 м). То есть каждой клетке в нашем теле необходимо упаковать, не запутав и не порвав, тончайшую молекулярную нить в крошечный объем. Попробуйте при случае проделать аналогичный эксперимент с парой метров шелковой нити, и вы поймете, насколько это непросто.
В молекуле ДНК имеется множество активных химических групп — фосфатных остатков, гидроксилов, аминогрупп, — способных вступать в разнообразные реакции, а внутриклеточная среда, в которой она находится, представляет собой весьма энергичный химический «бульон». Как в таких непростых условиях избежать повреждения полимера?
Но главное — геном не просто энциклопедия клеточной информации, чья основная повседневная функция — «стоять на полке» в ожидании редкого читателя, а скорее «техническая документация», определяющая повседневную жизнь клетки. Та или иная ее часть постоянно пускается в ход, направляя синтез различных белков. ДНК мало компактно упаковать, сохранить от нежелательных воздействий и «убрать в закрома». Необходимо, чтобы при этом она продолжала работать — эффективно взаимодействовать с клеткой и регулировать ее жизнедеятельность, «включая» и «выключая» разные гены. Ну и конечно, не будем забывать: живые клетки размножаются делением, а это значит, что для сохранения «самоподобия» всех клеток многоклеточного организма в каждом таком случае геном материнской клетки должен быть сначала скопирован, а потом равномерно распределен по двум новым — дочерним — клеткам. Для соблюдения всех этих условий в биологических системах выстроена сложная иерархическая организация генома.
Начнем с основ — с химической формулы ДНК, которая состоит из последовательности мономеров нуклеотидов. Как нам уже известно, кроме ДНК, в живых клетках встречается другая нуклеиновая кислота, рибонуклеиновая (РНК), — в эволюционном смысле, как считают ученые, «старшая сестра» ДНК, возникшая намного раньше. У РНК в клетке много разных (и очень важных) функций, но хранение биологической информации в их число не входит. Геномы всех клеточных форм жизни, от бактерий до человека, построены только из ДНК (исключение составляют лишь некоторые вирусы). Существует немало предположений, почему так получилось, но самое правдоподобное — различие в ролях ДНК и РНК связано с различиями в их молекулярном строении. Полное наименование ДНК — ДЕЗОКСИрибонуклеиновая кислота. Сахар рибоза в ее составе немного изменен по сравнению с РНК (РИБОнуклеиновой кислотой): вместо гидроксила в одной из позиций находится водород, что делает молекулу менее гибкой, но более стабильной. Именно это свойство — стабильность — позволило ДНК выиграть у РНК молекулярную конкуренцию и занять место главной хранительницы генетической информации невообразимо древнего и, вероятно, еще доклеточного мира.
Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, «комплементарных», друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.
Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).
Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А — Т, G — C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально — «боящиеся воды») нуклеотиды и выставив наружу полярные, «дружащие с водой», остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.
Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.
Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, «кодирующей» частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой — любая «неправильность» в спаривании «неподходящих остатков», например А — С или С — С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.
Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный «кислотный» заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более «нейтральное», а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными «щелочными» аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами «бусины на нитке». Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру — фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин — комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот «спящие гены» окажутся уложены более плотно.
При делении клетки хроматин ядра собирается в хромосомы. Каждая хромосома — это отдельная «нить» ДНК, максимально плотно упакованная с белками и несущая определенный набор генов. В клетке бактерии, как правило, одна кольцевая хромосома, но большинство многоклеточных организмов построено на основе геномов, содержащих несколько линейных хромосом. Если воспользоваться сравнением из мира библиофилов, то геном бактерии — это «однотомник», а вот человеческий геном представляет собой целое «собрание сочинений» в 23 томах-хромосомах.
В каждой клетке человеческого тела (за исключением сперматозоидов и яйцеклеток) это «собрание сочинений» присутствует в двух экземплярах — итого 23 пары хромосом. Одна хромосома в каждой паре происходит из материнской яйцеклетки, вторая — из отцовского сперматозоида. Такой «удвоенный», или, как говорят ученые, диплоидный, набор генов также очень важен. Для чего? Все для того же: для сохранения информации. Если в вашей домашней библиотеке есть два разных издания романа Дюма «Три мушкетера» и одно из них ненароком сгрызет кто-нибудь из домашних питомцев, вы все-таки сможете дочитать историю до конца, взяв второе издание. Точно так же и в клетке: дублирование генов увеличивает «запас прочности» и дает возможность противостоять случайностям и повреждениям.
Хотя генетическая информация сохраняется в ДНК, но качество ее хранения зависит от белков, которые занимаются контролем точности копирования (репликации) ДНК при делении и «починкой» генов, если в них случайно появляются ошибки. Эти белки формируют системы, или пути репарации (восстановления) ДНК. Таких систем в клетке около десятка. Белки систем репарации буквально «сканируют» хромосомы, а когда обнаруживают ошибку — неспаренные основания, или разрыв цепочки, или какое-то другое изменение, нарушающее структуру идеальной двойной спирали, — исправляют ее. Устранение повреждений в последовательности приводит к восстановлению структуры ДНК. Контролирующих систем в клетке несколько, и каждая наиболее чувствительна к определенному типу ошибок (неправильное спаривание оснований, одноцепочечный разрыв ДНК, двуцепочечный разрыв и т. д.). Однако частично их функции «перекрываются», что дает системам репарации возможность замещать и «подстраховывать» друг друга и повышает генетическую стабильность клетки. Повреждение таких белков-контролеров приводит к тому, что нарушения в геноме перестают своевременно устраняться и начинают накапливаться. Именно это наблюдается при некоторых разновидностях рака.
В этой книге мы будем много говорить о генах (ДНК) и белках и очень мало о РНК, ибо «нельзя объять необъятное» и пересказать все открытия молекулярной биологии, сделанные за прошедшие полвека, в одной небольшой книжке. Однако хочется хотя бы в этом «лирическом отступлении» воздать должное и второй нуклеиновой кислоте, тем более что одной из самых красивых молекулярно-биологических гипотез, сформулированных после «Основной догмы молекулярной биологии», является гипотеза РНК-мира, объясняющая происхождение трех главных типов макромолекул — белков, ДНК и РНК.
Главный «затык» в понимании возможных путей появления жизни (а точнее, еще «преджизни») на молекулярном уровне долгое время состоял в том, что функции сохранения и реализации генетической информации в современных организмах закреплены за двумя совершенно разными классами макромолекул — белками и ДНК. Однако вероятность того, что в доклеточном органическом «бульоне» могло случайно образоваться так много разных макромолекул, кажется слишком ничтожной, чтобы рассматривать ее всерьез. Гораздо более правдоподобным выглядело предположение, что у истоков «преджизни» находилась какая-то одна группа макромолекул, сочетавшая в себе способность сохранять информацию и реализовывать ее (например, в форме синтеза собственных копий). Но что же это было за вещество?
Поиски «молекулы-предшественницы» заставили ученых обратить внимание на РНК, которая некоторое время оставалась «в тени» двух других, более знаменитых макромолекул. О способности РНК сохранять генетическую информацию стало известно в ходе изучения вирусов. Эта молекула менее стабильна, чем ДНК, но на заре биологической эры быстрая изменчивость (и значит, способность к эволюции) была, вероятно, скорее достоинством, чем недостатком. В 1967 году Карл Вёзе, Фрэнсис Крик и Лесли Орджел впервые выдвинули предположение, что РНК может быть не только хранителем генетической информации, но и молекулой-катализатором, способной ускорять химические реакции. Это предположение основывалось на том, что РНК может образовывать сложную пространственную структуру, больше похожую на структуру белков (многие из которых являются катализаторами), чем на «палочку» идеальной двойной спирали — обычной структуры ДНК. Позднее это предположение было подтверждено экспериментально, и в 1989 году ученые Томас Чек и Сидни Олтмен получили Нобелевскую премию по химии «За обнаружение каталитических свойств РНК».
РНК-катализаторы получили название «рибозимы». В рамках исследований, посвященных проверке гипотез о возможном происхождении жизни, ученым удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную копию, что идеально соответствует представлениям ученых о том, как должна была вести себя молекула-предшественница.
Таким образом, согласно современным представлениям, эволюция доклеточного молекулярного бульона протекала следующим образом: каким-то (неизвестным на сегодняшний день) образом из первичного «органического бульона» образовывались нуклеотиды (мономеры — структурные единицы РНК), которые затем соединялись, образуя молекулы РНК. Некоторые из этих случайных макромолекул обладали способностью самовоспроизводиться и начинали эволюционировать, «конкурируя» друг с другом молекулами за ограниченный ресурс нуклеотидов. Постепенно образовались целые ансамбли катализирующих РНК, которые работали согласованно и стали специализироваться по функциям.
Накопление случайных мутаций привело к появлению молекул РНК, катализирующих синтез белков. Белки оказались более эффективными катализаторами, чем «родительские» РНК, и эти мутации закрепились в ходе естественного отбора. С другой стороны, часть молекул РНК утратила гидроксил в сахаре и превратилась в ДНК, оставив себе из всех функций лишь хранение генетической информации. Так, еще задолго до появления первых клеток, зарождался современный биохимический мир, базирующийся на ДНК и белках, в котором РНК утратила свою ведущую роль, но сохранилась, с одной стороны, как молекула-посредник (матричная РНК), а с другой — как регулятор целого ряда важнейших и, вероятно, древнейших процессов, таких, например, как синтез белка. Рибосомы-органеллы, синтезирующие белки, состоят из молекул РНК и белка, но каталитическую функцию, отвечающую за присоединение аминокислотных остатков к растущей белковой цепи, выполняет в них именно РНК.
Последние годы все больше и больше внимания ученые уделяют некодирующим частям генома, о которых вскользь упоминалось выше. Оказалось, что многие из них не такие уж и некодирующие, как считалось раньше. В человеческом геноме было обнаружено множество участков, с которых считывается РНК, но не транслируются белки. Эти нетранслируемые молекулы РНК играют важную роль в регуляции многих клеточных процессов, в том числе и связанных с раком.
Наследственность и изменчивость: зачем нужны мутации
Как бы сложна и эффективна ни была система защиты человеческого генома, она все-таки не способна полностью обезопасить его от повреждений, хотя значительно снижает вероятность молекулярных ошибок.
Ошибки, а точнее будет сказать, «изменения» в геноме называются мутациями. В соответствии с иерархической структурой генома они могут проявляться на всех его уровнях. Одни мутации затрагивают лишь один или несколько нуклеотидов — молекулярных «букв» генетического алфавита — и называются «точечными», другие нарушают большие фрагменты генов. Это генные мутации. Третьи повреждают целые хромосомы. Наконец, бывают мутации геномные — изменения числа хромосом в клетке. Одна из таких мутаций — причина синдрома Дауна, при котором в геноме присутствуют не две копии 21 хромосомы, как положено, а три.
Как было сказано выше, наш геном хранит информацию, с одной стороны, об аминокислотной последовательности каждого белка, с другой — об особенностях регуляции его активности. Мутация в кодирующей части гена может привести к изменению структуры белка и повлиять на его способность выполнять свои функции. Классическим примером такой мутации является повреждение белка гемоглобина при серповидноклеточной анемии в результате замены одного аминокислотного остатка. Мутация в регулирующей части генома может привести к тому, что нормальный с точки зрения аминокислотной последовательности белок начнет синтезироваться в количестве большем (или меньшем), чем это необходимо, что также нарушит нормальную жизнедеятельность клетки.
Кроме объема генетического материала, задетого мутацией (один ген или целая хромосома), имеет значение и в какой клетке — соматической или половой — произошло нарушение. Соматические клетки — это все клетки человеческого организма, кроме половых (сперматозоидов и яйцеклеток). Мутация, случившаяся в соматической клетке, затрагивает только ее саму и ее потомков (если эта клетка, несмотря на повреждения, продолжает делиться). Остальные клетки организма останутся здоровыми и могут компенсировать дефекты своей поврежденной соседки. Совсем другое дело, когда мутация важного гена или даже хромосомы присутствует в половых клетках — тогда зародыш, который образуется при участии мутировавшей яйцеклетки или мутировавшего сперматозоида, будет нести это нарушение во всех клетках своего организма (в том числе и в половых). Такие мутации называются генеративными, и именно они ответственны за проявление большинства заболеваний, которые мы называем «наследственными». Одно из таких заболеваний — гемофилия, болезнь, передающаяся по женской линии (нарушение, приводящее к ней, присутствует в Х-хромосоме). При этой болезни у человека с рождения нарушена свертываемость крови и даже небольшая рана может привести к тому, что он потеряет много крови. От гемофилии страдал сын последнего российского императора царевич Алексей. Дефектную хромосому он, по всей видимости, получил от своей матери Александры, в роду которой неоднократно отмечались случаи этого заболевания.
Накопление мутаций в половых клетках с возрастом приводит к повышенному риску развития генетических аномалий у детей родителей старшего возраста. Причем если раньше акцент делался только на возраст матери, то исследования последних десятилетий показали, что возраст отца также имеет большое значение для формирования здорового зародыша. Социально одобряемая стратегия современного человека отложить рождение детей «на потом» входит в серьезное противоречие с его биологической природой и рано или поздно может обернуться не только медицинскими, но и общественными проблемами.
Мутации соматических клеток при половом размножении не наследуются, вот если бы люди размножались почкованием — тогда другое дело! Впрочем, и соматические мутации, как мы увидим дальше, «безвредны» лишь до какого-то предела. Именно они — основная причина ракового перерождения клеток.
Поскольку в этой книге мы будем говорить, главным образом, о нарушениях генома, приводящих к появлению злокачественных опухолей, у читателя может возникнуть превратное представление, будто всякая мутация — зло. Но это не так. Совсем не так. Мутация — это изменение. А изменения возможны не только к худшему, но и к лучшему. Эволюция конструирует новые виды и совершенствует старые неэкономным, но эффективным методом — проб и ошибок. Чтобы жизнь могла развиваться, живым системам присуща не только наследственность — способность сохранять генетический материал и передавать его потомкам, но и изменчивость — не 100-процентная точность этого сохранения и этой передачи. Мерой изменчивости является частота мутаций. Благодаря ей у потомков могут появиться какие-то новые свойства, которых раньше у вида не было, — более темная кожа, чтобы лучше чувствовать себя в жарком климате, или способность переваривать молоко не только в младенчестве, но и в зрелом возрасте, которая отсутствует у животных, но имеется у большинства людей. Мутационный процесс — это рулетка, но иногда в нее можно выиграть.
Материалом для естественного отбора и эволюции вида служит, прежде всего, изменчивость сперматозоидов и яйцеклеток. Однако, поскольку механизмы защиты генома примерно одинаковы во всех клетках человеческого тела, за возможность эволюционировать нам приходится расплачиваться риском соматических мутаций, и некоторые из них приводят к раку.
В настоящее время считается, что все современное человечество происходит от небольшой группы людей, вышедшей из Африки. Разнообразие типов, которое мы наблюдаем сейчас: светлокожие и темнокожие, высокие и миниатюрные, кудрявые и с гладкими волосами, — результат неравномерного накопления мутаций в разных человеческих группах, плод эволюции. А такие неприятные вещи, как рак и наследственные заболевания, суть «эволюционная плата» позвоночных за достижения — развитие мозга и большую продолжительность жизни, которые тоже когда-то выглядели как «ошибки» относительно более ранних генетических программ наших червеобразных предков.
Клеточное деление — неизбежный источник генетических ошибок
В 2015 году в одном из самых уважаемых научных журналов мира
Молекулярным механизмам клеточного деления будет посвящена следующая глава, пока же ограничимся констатацией факта: чем чаще клетка делится, тем больше у ее потомков шансов заполучить ту или иную мутацию в геноме. Копирование «генетического текста», так же как переписывание текста литературного, не обходится без ошибок. Точность копирования в биологических системах фантастически высока. Например, ошибочное включение основания (точечная мутация) происходит с частотой всего лишь 10–8–10–10, но текст уж больно велик. И как бы ни старались белки систем репарации «вычитать» всю ДНК, подобно тому как в древности старательный переписчик сакральных книг вроде Библии или Корана проверял каждую букву, ошибки все равно с той или иной частотой вкрадываются в «священный текст» нашего генома, и некоторые из них приводят к раку.
Процессы роста и размножения — эти отличительные и наиболее очевидные свойства живого — первое, что вообще приходит в голову, когда мы сопоставляем «живое» и «неживое». Акт клеточного деления можно рассматривать как мельчайшую единицу, своего рода «квант жизни». И вот оказывается, что даже в отсутствие иных факторов этот процесс является «естественным мутагеном», способным вызвать злокачественное перерождение клетки. Раковая трансформация, таким образом, оказывается не столько нарушением, сколько неизбежным следствием самого что ни на есть естественного и нормального порядка вещей! Обескураживающее наблюдение, практический вывод из которого таков: ни один человек не может считать себя полностью гарантированным от риска появления злокачественной опухоли.
В этой во всех отношениях плохой новости есть одна хорошая сторона: находясь в плену неверных представлений о связи причины и следствия, раковые больные, бывает, мучают себя бессмысленными вопросами: «В чем моя вина? Что я сделал не так?» Увы, но часто это самоистязание поддерживается окружающими: «Опухоль просто так не возникает, ты сам виноват!» — говорят они, пытаясь укрыться под этой формулой, как под зонтиком, от собственного страха болезни и смерти. Такого рода предвзятость в психологии получила название «вера в справедливый мир». Люди, разделяющие подобную точку зрения, считают, что мир устроен справедливо, а в жизни каждый получает то, что заслуживает: хорошие люди вознаграждаются, плохие — наказываются. Это мировоззрение на первый взгляд может показаться даже оптимистичным, однако оборотной стороной подобной жажды справедливости «любой ценой» является обвинение жертвы (будь то жертва болезни или насилия) в том, что «она сама виновата».
Но нет, за исключением тех случаев, когда человек годами вопиюще пренебрегал своим здоровьем или стал жертвой чьей-то ошибки (например, подвергся радиационному облучению из-за аварии), говорить о «вине» в случае онкологического заболевания не приходится. Это просто несчастье, которое может случиться с каждым.
Такие разные мутагены
Помимо внутриклеточных механизмов, определяющих «естественный» и неизбежный уровень ошибок в нашем геноме, существует масса внешних факторов, способных значительно увеличить число мутаций. Они называются мутагенами. Подавляющее большинство известных на сегодняшний день мутагенов являются одновременно и канцерогенами — то есть способны вызывать рак.
Геном человека можно повредить множеством разных способов. Комплекс ДНК с белками — это материальный, физический объект, и его, как и любой материальный объект, можно разрушить. Кроме того, ДНК — активная молекула, способная вступать в химические реакции и изменять свои свойства под действием других веществ. И наконец, геном одного биологического объекта может быть поврежден при прямом или косвенном воздействии другого биологического объекта. Так что можно выделить по крайней мере три основные группы мутагенов — физические, химические и биологические.
Среди физических мутагенов самым опасным является радиационное (ионизирующее) облучение. Многие физики, изучавшие радиацию в первой половине ХХ века, до того как стала очевидна потенциальная опасность этого явления, умерли от рака. К счастью, в обычной жизни риск подвергнуться ионизирующему облучению крайне невелик. Зато с другим физическим фактором, нарушающим структуру ДНК, сталкивается каждый. Это ультрафиолетовое излучение солнца. В небольших дозах оно полезно для организма человека и стимулирует выработку витамина Д. Однако в погоне за загаром многие люди буквально «поджариваются» на солнце, в результате чего в клетках кожи накапливаются мутации. Ультрафиолетовое излучение приводит к появлению сшивок в молекуле ДНК, которые препятствуют ее нормальному функционированию. Наиболее часто встречающимся фотоповреждением ДНК является образование димера из двух остатков тимина, расположенных рядом в одной цепи ДНК. Именно с распространением моды на загар медики связывают участившиеся в последние десятилетия случаи заболевания раком кожи (особенно меланомой). Использование солнцезащитных средств помогает избежать этой опасности. Время от времени в социальных сетях вспыхивают «эпидемии» обсуждения других физических факторов (таких как излучения микроволновых печей и мобильных телефонов) с точки зрения их канцерогенности, но на сегодняшний день нет никаких убедительных данных о том, что электромагнитное излучение бытовых приборов оказывает сколько-нибудь значительное влияние на риск развития рака.
К химическим мутагенам относятся вещества самого разного строения. При использовании веществ, обладающих мутагенным (канцерогенным) эффектом, необходимо применять специальные меры предосторожности. В большинстве стран их широкое использование в быту запрещено или серьезно ограничено законами. Канцерогенны продукты сгорания многих органических веществ, особенно нефти и каменного угля. Именно поэтому тепловые электростанции, работающие на подобном топливе, обязательно снабжаются системами очистки выбросов. И, конечно, одним из самых распространенных «бытовых» канцерогенов является сигаретный дым: связь курения с повышенным риском заболеть раком легких, рта и гортани подтверждена многочисленными исследованиями. Бурный рост химической и фармакологической промышленности во второй половине ХХ века поставил вопрос о разработке быстрого и надежного метода первичной проверки мутагенного потенциала новых (и старых) химических соединений. В конце концов таким тестом стал и уже много лет остается тест Эймса. Суть его в том, что мутантные бактерии, не способные синтезировать жизненно важную аминокислоту — гистидин, пытаются выращивать в питательной среде, бедной гистидином. В эту же среду добавляют и исследуемое вещество. Если оно немутагенно, колонии бактерий в такой бедной среде будут расти очень медленно. Но если исследуемое вещество — мутаген, то в колонии бактерий с некоторой вероятностью произойдет новая (обратная) мутация и микроорганизмы, восстановив свою способность обходиться без гистидина, активно примутся за любимое дело — размножение. Конечно, такой простой тест не заменяет более детальных исследований, и не исключено, что вещество, не действующее на бактерии, может внезапно показать мутагенный эффект, например на мышах, но для первичного скрининга потенциально опасных веществ этот метод по-прежнему остается самым простым, дешевым и эффективным.
Говоря о нарушениях в геноме, вызванных внешними причинами, невозможно обойти стороной и «биологические мутагены» — а именно вирусы. Многие из них обладают способностью встраиваться в человеческий геном и нарушать его нормальную структуру. Другие вирусы провоцируют развитие хронического воспаления в зараженной ткани, что также повышает риск ее злокачественного перерождения. Роль вирусов в образовании целого ряда опухолей давно и убедительно доказана. Однако при этом даже рак, вызванный вирусом, не является «вирусным», или «инфекционным», заболеванием в классическом смысле этого слова. На сегодняшний день нам, к счастью, неизвестны вирусы, заражение которыми «гарантирует» заболевание раком в том смысле, в котором заражение, скажем, вирусом ВИЧ гарантирует развитие СПИДа. Вероятность заполучить рак шейки матки выше у женщин, инфицированных определенными разновидностями вируса папилломы человека (подробнее об этом ниже), но при этом многие женщины, в организме которых присутствует этот вирус, раком никогда не заболевают. То же самое можно сказать и о других раках вирусного происхождения.
«Заразиться раком» нельзя, хотя можно подхватить инфекцию, повышающую риск ракового перерождения. При этом надо понимать, что даже в самом неудачном случае между моментом заражения и развитием опухоли пройдет по меньшей мере несколько лет и к моменту появления симптомов онкологического заболевания от вирусной инфекции, которая его вызвала, скорее всего, не останется и следа. В любом случае риска заражения онкогенными вирусами легко избежать. Достаточно соблюдать элементарные требования гигиены. Большинство вирусов, канцерогенность которых на сегодняшний день доказана, передаются либо половым путем, либо через кровь. Вероятность заразиться ими при бытовых контактах равна нулю. К сожалению, недостаточное понимание механизмов возникновения раковых заболеваний приводит к ужасным ситуациям, когда здоровые люди отказывают онкологическим больным в праве находиться среди них и даже собирают подписи за выселение матери с больным ребенком из «своего» подъезда, потому что считают рак заразной болезнью. Это именно тот случай, о котором говорят: «Сон разума рождает чудовищ». Подобная дискриминация, конечно, совершенно недопустима.
Существование вирусов, способных вызывать злокачественные опухоли у птиц, впервые была продемонстрировано американским ученым Фрэнсисом Роусом еще в начале ХХ века. Эти исследования долгое время не были оценены по заслугам, настолько незыблемой в тот момент казалась догма, что причиной рака могут быть только физические и химические факторы внешней среды. Нобелевскую премию за свое открытие ученый получил только через полвека — в 1966 году. А еще через девять лет, в 1975 году, Нобелевскую премию за объяснение молекулярных механизмов, которые позволяют вирусам встраиваться в человеческий геном, получила команда американских исследователей: Дэвид Балтимор, Ренато Дульбекко и Говард Темин.
Первый вирус, способный вызывать опухоли у человека, был описан 1965 году. Это вирус Эпштейна — Барр (EBV), ответственный за возникновение редкой, но очень злокачественной лимфомы Беркитта (лимфома — злокачественное перерождение клеток врожденного иммунитета, лимфоцитов; подробнее о них будет рассказано в главе 7). В отличие от других лимфом, это заболевание локализовано в определенных географических регионах. Наиболее часто она встречается в Центральной Африке, реже — в США. В России лимфома Беркитта — большая редкость, хотя инфекционный мононуклеоз, по симптомам напоминающий затянувшуюся простуду, возбудителем которого является этот вирус, в нашей стране довольно распространен. Это показывает, что вирус является необходимым, но не единственным условием злокачественного перерождения клеток иммунной системы.
Отечественным основоположником вирусной теории рака считается советский биолог Лев Зильбер. Проводить исследования в области онкологии он начал, находясь в заключении. Ученый был обвинен в антисоветской деятельности по доносу, шел по печально знаменитой 58-й статье, чудом избежал расстрела и был отправлен в тюремный НИИ («шарашку»), где ставил первые опыты на крысах, которых ловили для него заключенные. После освобождения Льва Зильбера в 1944 году его статья о вирусной природе рака была опубликована в «Известиях» — одной из двух основных официальных газет в СССР. Догадка советского ученого о том, что вирус важен, главным образом, в инициации процесса перерождения, оказалась провидческой.
В настоящее время считается, что около 15 % злокачественных опухолей в мире так или иначе связаны с вирусами. Первое место среди них занимают рак печени у мужчин и рак шейки матки у женщин. Выяснение роли папиллома-вирусов в развитии рака шейки матки было отмечено Нобелевской премией 2008 года, которую получил немецкий ученый Харальд цур Хаузен. Изучение онковирусов оказалось, пожалуй, самой «урожайной» темой в биологии по количеству Нобелевских премий, полученных за исследования в данной области.
Лечить опухоли, вызванные онковирусами, сложно, но часть из них можно предупредить с помощью профилактики заражения, а также прививок, как предупреждают другие вирусные заболевания (корь, коклюш, оспу). Первые антираковые вакцины (против вируса папилломы человека), «Гардасил» и «Церварикс», используются по всему миру (включая Россию). Они защищают от инфицирования самыми опасными типами вируса папилломы человека — 16 и 18, и тем самым предотвращают возникновение связанных с этими вирусами онкологических заболеваний, таких как рак шейки матки, рак влагалища и вульвы у женщин, а также анальный рак и рак полового члена у мужчин. Вакцинация рекомендована девочкам и женщинам в возрасте от 9 до 26 лет и мальчикам в возрасте от 9 до 17 лет (до начала половой жизни, поскольку онкогенные папиллома-вирусы передаются почти исключительно половым путем). Во многих странах такие вакцины включены в национальный календарь прививок. В России они не входят в число обязательных, но ими можно привиться в медицинских учреждениях платно.
Зато вакцина против гепатита В есть в отечественном календаре прививок. Прививая ею ребенка, родители защищают его не только от тяжелейшей вирусной инфекции, но и от рака печени.
Ни профилактика, ни вакцинация не гарантируют 100-процентной защиты, но вместе они сводят риск заболевания к минимуму.
Всякая ли мутация приводит к раку
О существовании врожденных аномалий и дефектов, которые передаются по наследству, человечество узнало задолго до появления генетики, не говоря уже о молекулярной биологии. Однако большинство этих нарушений, хотя и имеет очевидную генетическую природу, никак не связано с раком. Еще на заре молекулярной онкологии стало ясно, что, хотя раковому перерождению всегда сопутствуют мутации (и часто не одна, а множество), далеко не всякая мутация вызывает рак. Одни части генома оказались, очевидно, более канцерогенны, чем другие.
Когда с развитием методов молекулярной биологии стало возможно говорить не о «мутациях вообще», а о нарушениях в конкретном гене, биологи немедленно кинулись изучать, какие же именно гены изменены в разных видах рака. Работа эта еще продолжается, но уже очевидно, что ключевыми мутациями, запускающими раковый процесс в подавляющем большинстве опухолей, являются нарушения функции относительно небольшого количества генов. Остальные нарушения и перестройки в геноме обычно бывают лишь следствием этих первичных мутаций.
С точки зрения функций, ключевые для развития опухоли гены отчетливо делятся на две группы — онкогены (прораковые гены) и онкосупрессоры (антираковые гены), хотя в популярной медицинской литературе их часто объединяют одним общим понятием «онкогены» — имея в виду «гены, имеющие какое-то отношение к раку». Однако такое обобщение не очень корректно.
Чтобы понять различия между онкогенами и онкосупрессорами с точки зрения развития раковой опухоли, нужно сказать несколько слов о регуляции активности генов в клетках человеческого организма. Как уже упоминалось, все клетки нашего многоклеточного организма содержат один и тот же геном (плюс-минус некоторое количество накопленных за жизнь соматических мутаций). Однако выглядят и действуют эти клетки совершенно по-разному. Нейрон не похож на клетку печени, а лимфоцит — на мышечную клетку. Эта разница связана с тем, что в разных клетках активны разные наборы генов и, соответственно, синтезируются разные наборы белков. Управление жизнью клетки, а шире — жизнедеятельностью всего многоклеточного организма можно описать через изменение активности (экспрессии) генов, что приводит к увеличению или, наоборот, уменьшению синтеза белков, которые они кодируют.
Онкогены — это гены, чья активность в опухоли усилена по сравнению с нормальной здоровой тканью. Такой результат может достигаться как точечными мутациями, изменяющими активность белка, так и генными мутациями, когда количество копий онкогена в раковой клетке возрастает (амплификация), а вместе с ним возрастает и синтез соответствующего белка. Примером такого онкогена является ген HER2, амплифицированный при некоторых разновидностях рака молочной железы.
Онкосупрессоры — гены и белки, в норме «страхующие» клетку от ракового перерождения. Их функция в опухолевой клетке, напротив, снижена по сравнению с нормой. Самым известным онкосупрессором является ген (и белок) р53, с которым мы еще не раз встретимся на страницах книги. Именно «поломка» генов-онкосупрессоров наиболее часто становится причиной возникновения рака. Мутации гена р53 обнаруживаются в опухолях самых разных органов и отвечают, по-видимому, более чем за половину случаев ракового перерождения, а ведь этот ген — далеко не единственный онкосупрессор, который может сломаться в клетке.
Регуляцию процессов в клетке можно сравнить с регуляцией уличного движения. Онкогены похожи на водителей-лихачей, а онкосупрессоры — на строгих регулировщиков. Чем больше неосторожных водителей и меньше тех, кто следит за порядком на дорогах, тем выше вероятность аварии — ракового перерождения клетки.
Однако, хотя в целом концепция онкогенов и онкосупрессоров сомнений не вызывает, к частностям по-прежнему остается много вопросов. Белок р53 — один из немногих «универсальных» онкосупрессоров — является скорее исключением, чем правилом. В большинстве случаев можно видеть, что онкологическому перерождению в разных органах сопутствуют мутации в разных онкогенах и онкосупрессорах. Почему мутация в гене APC преобладает в опухолях прямой кишки и желудка, нарушение в гене RB1 вызывает редкую опухоль глаза — ретинобластому, а слияние генов EWS и FLI1 приводит к агрессивной саркоме Юинга, поражающей трубчатые кости? Исчерпывающие ответы на эти вопросы ученым еще только предстоит найти.
С мутации в одном или нескольких онкогенах или онкосупрессорах, как правило, начинается злокачественное перерождение ткани, которое называют «предраковым состоянием», но после этого первичного толчка должно смениться еще по меньшей мере несколько клеточных поколений, прежде чем здоровая ткань окончательно трансформируется в раковую. В ходе эволюции раковая опухоль накапливает все новые и новые мутации. Часть из них постепенно усугубляет злокачественные свойства клеток, другие же идут с ними «за компанию», как следствие общей геномной нестабильности. Мутации первого типа называют «драйверными» — именно они двигают перерождение здоровой ткани в раковую. Мутации второго типа зовут «пассажирскими» — они не имеют большого значения для жизнедеятельности опухолевой клетки, но их количество позволяет ученым оценить, как далеко продвинулось развитие опухоли.
Некоторые мутации в онкогенах и онкосупрессорах могут передаваться по наследству, именно они определяют семейную предрасположенность к определенным видам рака. Наиболее хорошо изученным заболеванием такого рода является одна из форм рака груди, зависимая от мутации в генах-онкосупрессорах BRCA1 и BRCA2 (подробнее о них будет рассказано дальше).
Как бы пугающе ни выглядела перспектива оказаться носителем «ракового гена», следует помнить, что доля таких заболеваний в общей онкологической статистике невелика (около 5–10 %). Подавляющее большинство случаев клеточного перерождения связано все-таки не с унаследованными, а с приобретенными в течение жизни мутациями. Но если в вашей семье в предыдущих поколениях было несколько похожих случаев рака, причем в относительно молодом (моложе 60–70 лет) возрасте, то, возможно, вам имеет смысл проконсультироваться со специалистом в области медицинской генетики и проверить генетическую предрасположенность к болезни. Такие тесты сейчас проводятся в клинических лабораториях большинства крупных городов. Среди распространенных онкологических заболеваний под влиянием наследственного фактора чаще других находятся рак груди, рак яичников, рак толстого кишечника и рак желудка.
Желая подчеркнуть непредсказуемость возникновения и исхода онкологических заболеваний, их порою сравнивают с «русской рулеткой». В этом сравнении действительно есть какая-то мрачноватая точность. Появление мутаций в том или ином месте человеческого генома — это непредсказуемый, случайный процесс. Заядлые курильщики, случается, доживают до глубокой старости, а люди, ни в чем не согрешившие перед принципами ЗОЖ, оказываются пациентами онколога. Однако, вместо того чтобы предаваться бесполезному отчаянию, стоит осознать, что даже в «русскую рулетку» можно играть по-разному. Шансы уцелеть сильно зависят от того, сколько патронов находится в барабане револьвера. Один? Два? А может быть, целых пять?..
Хорошая новость заключается в том, что количество «пуль» в раковом револьвере во многом зависит от нас самих. Ограничив контакты с канцерогенными факторами и разумно оздоравливая организм, человек способен свести вероятность развития онкологических заболеваний к минимуму. Но полностью от «молекулярного невезения», к сожалению, не застрахован никто.
BRCA — «Гены Анджелины Джоли»
В 2013 году знаменитая голливудская актриса Анджелина Джоли сделала операцию по удалению обеих молочных желез, чтобы избежать рака груди, а позднее удалила и яичники. В США такого рода манипуляции уже давно стали довольно обычным делом. В данном случае удивляла, пожалуй, только готовность актрисы публично говорить на такую сложную и пугающую для большинства людей тему. Откровенность Анджелины послужила, вероятно, большой психологической поддержкой тем тысячам женщин во всем мире, которые каждый год оказываются перед необходимостью лечь под нож. Рак груди — самая распространенная из злокачественных опухолей. Но, как правило, операция при таком диагнозе используется для лечения, а не для предупреждения болезни. Почему же на операцию решилась совершенно здоровая молодая женщина?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется отправиться в далекие 1940-е годы, когда еще задолго до появления современных диагностических методов, используя исключительно старый добрый метод анализа генеалогических деревьев, английский врач и ученый Дэвид Смитерс опубликовал исследования семейной истории 450 пациенток с раком молочной железы и продемонстрировал, что в некоторых случаях болезнь носит очевидно наследуемый характер и встречается в женской линии той или иной семьи гораздо чаще, чем этого следовало бы ожидать исходя из средней частоты заболеваемости по стране. При этом болезнь в среднем развивалась у женщин в более раннем возрасте (до 50 лет), имела агрессивное течение и плохо поддавалась лечению.
Это наблюдение было позже подтверждено другими исследователями, но только в 1980-е годы ученым удалось идентифицировать ген, точнее, два гена — BRCA1 и BRCA2, мутации в которых были ответственны за развитие этого типа болезни. Аббревиатура этих генов BRCA буквально расшифровывается как рак груди (
Впрочем, генетика BRCA-зависимых раков оказалась еще интереснее, чем предполагалось вначале. Для того чтобы произошло перерождение здоровой клетки в опухолевую, необходимо, чтобы мутация произошла в обеих копиях гена. Однако такое сочетание мутаций, если оно случается в половых клетках, приводит к гибели зародыша еще на ранних стадиях эмбриогенеза из-за многочисленных нарушений генома. Картина наследования генетической предрасположенности к этому виду рака выглядит следующим образом. Носительница мутантного гена BRCA наследует его, как правило, от своей матери (мать Анджелины Джоли рано умерла от рака груди), то есть для нее это генеративная мутация, которая присутствует во всех клетках организма. Второй — здоровый — ген она получает от отца. (Напомним, что в человеческом геноме гены и хромосомы присутствуют парами.) Здоровый ген компенсирует наличие больного, и женщина живет многие годы, не имея никаких проблем со здоровьем. Однако с возрастом в клетках ее организма накапливаются соматические мутации. Если по несчастливой случайности одна из них затрагивает здоровую копию гена BRCA, то такая клетка уже не может защитить себя от поломок генома. Она погибает или перерождается в раковую. Клеток в организме много, и вероятность злокачественного перерождения оказывается высока.
С наследуемостью генетических поломок, возможно, связан тот факт, что заболеваемость раком зависит от этнического происхождения. Американцы азиатского происхождения имеют более низкие показатели уровня онкологических заболеваний, чем жители США, чьи предки прибыли из Европы, хотя свою роль в этом наверняка играет и разница в образе жизни (диета, уровень физической активности) разных этнических групп. Найти аналогичную статистику для России мне не удалось, но, исходя из общемирового опыта, можно с уверенностью сказать, что людям, принадлежащим к какой-то небольшой народности, которая веками избегала родниться с иноземцами, стоит пристальнее следить за своим здоровьем, чем тем, чьи предки происходили из разных регионов и этносов.
Исследования показали, что в таких замкнутых группах, члены которых часто вынуждены вступать в близкородственные браки, имеют свойство накапливаться вредные мутации, повышающие риск развития многих наследственных заболеваний, в том числе и опухолей с наследственным фактором. Классическим (и очень хорошо изученным) примером такой группы являются ашкеназы (субэтническая группа евреев, сформировавшаяся в Центральной Европе и говорящая на идише). Общность происхождения ашкеназов от относительно небольшой, замкнутой еврейской группы оказала сильное влияние на их генофонд. Для представителей этого этноса заметно повышен риск целого ряда генетических заболеваний, в том числе и онкологических, связанных с мутациями в BRCA-генах.
Новые возможности молекулярной диагностики больных и их родственников внесли уточнения в статистику Смитерса. Оказалось, что поврежденные гены BRCA1 и BRCA2 вносят свою лепту в развитие рака не только груди, но и яичников, причем риск заболеть у носительниц сломанных генов может достигать 80 %. Именно поэтому в некоторых странах (особенно в США) пациенткам, имеющим дефекты в генах BRCA и плохую раковую наследственность по материнской линии, если они уже родили желаемое количество детей, врачи советуют полностью удалить ткани яичников и молочных желез. В других странах исповедуют менее радикальный подход, ограничиваясь более частой и глубокой проверкой носительниц неисправных генов, чтобы успеть поймать болезнь на самой ранней стадии. В любом случае перед женщиной, обнаружившей у себя подобный генетический дефект, стоит нелегкий выбор.
Есть надежда, что с появлением нового класса лекарств PARP-ингибиторов именно эту форму рака удастся, хотя бы отчасти, обуздать. Хотя мутации в генах BRCA больше угрожают здоровью женщин, для мужчин подобные генетические нарушения тоже не проходят бесследно. У мужчин — носителей дефектных генов повышена вероятность возникновения рака простаты и мужского рака груди (да, и такое тоже встречается). Поэтому представителям сильного пола из семей, в которых есть случаи наследственного рака груди (по женской линии), не помешает сделать анализ на присутствие мутаций в генах BRCA.
Поделиться книгой: