Книга: Геном человека

РАК — ПРОБЛЕМА ПРОБЛЕМ (онкогеномика)

РАК — ПРОБЛЕМА ПРОБЛЕМ (онкогеномика)

Одно из важнейших направлений в медицинской геномике — онкогеномика — направление науки, изучающее молекулярно-генетические механизмы злокачественного перерождения клеток. Раковая (злокачественная) опухоль как правило представляет собой группу клеток организма, которая приобрела способность к неограниченному делению, имеющая свою систему снабжения всеми необходимыми веществами, независимая от систем регуляции, действующих в нормальном организме, и способная распространяться в другие органы и ткани.

Проблема рака всегда чрезвычайно остро стояла перед человечеством. Признаки опухолей неоднократно обнаруживали на сохранившихся костных останках с времен палеолита. Рак был известен медицине еще в глубокой древности, однако даже в 18 веке (до открытия микроскопа) его нередко смешивали с другими заболеваниями — проказой, сифилисом и туберкулезом. В различных летописях можно найти клинические описания далеко зашедших форм этого заболевания. Так, например, неизвестный летописец очень подробно описал в 1160 году «зловонную язву» на лице князя Владимира, которая уничтожила ему нос и верхнюю губу. Поскольку часто опухоли (припухлости) имели «пальцевидные» отростки (клешни), которые проникали в окружающие ткани, они и получили образное название «рак».

В настоящее время эта проблема не только не потеряла свою актуальность, но даже приобрела еще большую остроту. Согласно официальной статистике, от онкологических заболеваний в России ежегодно умирают более трехсот тысяч человек. В США в 2002 году по оценке ученых от рака погибло около 550 тысяч человек. При этом наибольший процент смертности составят рак легких и бронхов. У женщин на втором месте — рак груди, а у мужчин — рак простаты. В цивилизованных странах каждый пятый человек умирает от рака; только сердечно-сосудистые заболевания по смертности опережают или разделяют эту трагическую «пальму первенства». В развивающихся странах частота раковых больных была всегда ниже. Но сейчас, в связи с увеличением продолжительности жизни и проникновением в эти страны «цивилизации», и здесь отмечают повышение онкологической заболеваемости.

Однако медики не виноваты в том, что они до сих пор не могут найти радикальных средств для лечения этого страшного недуга. Многое определяется биологией человека, а биология человека упирается главным образом в его геном. А рак — это прежде всего болезнь генома. Поэтому только детальное его исследование может решить проблему рака.

Еще в 1910 году выдающийся российский ученый И. И. Мечников печатает в газете «Русское слово» статью, в которой пишет буквально следующее: «Одна причина рака, безусловно, находится в самом организме, но другая попадает в него в виде экзогенного начала, скорее всего — вируса». И вскоре ветеринарный врач П. Раус представляет доказательства вирусной природы плотной (иначе, солидной) опухоли кур, теперь называемой саркомы Рауса. Это открытие было сделано в 1911 году, а Нобелевская премия за него была присуждена Раусу только через полвека. Наконец, в 40-х годах прошлого столетия советским ученым Л. Зильбером была сформулирована вирусно-генетическая гипотеза происхождения рака. В известной мере она остается в силе и сейчас.

Однако теперь мы понимаем, что большинство раковых заболеваний не связано напрямую с вирусами, не являются они и наследственными патологиями. Свыше 90 % злокачественных заболеваний возникает как результат нарушений структуры генома (мутаций, причем, как правило, множественных), происходящих в соматических клетках отдельных органов и тканей уже во время жизни человека. Такие мутации часто происходят спонтанно, в них активное участие принимают и различные факторы окружающей среды (условия проживания, радиация, диета, курение и др.). Станислав Лем пишет: «Вирусную гипотезу рака можно примирить с мутационной, поскольку биохимическое родство вирусов и генов весьма значительно. «Ген рака» может быть в известном смысле «вирусом рака». Вирусом мы называем, однако, систему, чуждую организму, врывающуюся в него извне. В этом, собственно, единственная разница».

Любая ли мутация в геноме приводит к раку? Конечно, нет. Постепенно был выявлен определенный спектр генов, мутации в которых имеют прямое отношение к злокачественному перерождению клеток. Теперь такие гены называют протоонкогенами, а мутировавшие протоонкогены — онкогенами (прошу не путать с канцерогенами). Кроме того, имеются и антионкогены, которые препятствуют развитию рака. Но если в них произойдет мутация, то они уже не способны выполнять свою функцию, что в конечном итоге также способствует злокачественному перерождению клеток.

Первой реакцией ученых на обнаружение онкогенов было удивление. Но, как писал В. Я. Александров, «удивление — лучший повод для исследования». Получалось, что в геноме человека изначально имеются гены, которые только и ждут момента, чтобы нас с вами уничтожить. По этой причине первоначалоно стали говорить о существовании «внутреннего врага», «генов смерти», которыми человека снабдила эволюция для своевременного освобождения человеческой популяции от неполноценных стареющих организмов. Но, конечно же, дело не в этом. Даже само название «онкоген» довольно условное. В норме большинство из этих «онкогенов» кодирует ключевые белки, участвующие в процессах нормального развития человеческого организма, дифференцировки и размножения его клеток. Естественно, что поломка в них приводит к аномалиям данных процессов и, как результат, вызывает неконтролируемое размножение клеток — а, следовательно, рак. Известно уже много примеров, когда в результате всего лишь единичной замены нуклеотида в гене функция белка искажается до неузнаваемости.

Сегодня, благодаря усилиям молекулярных генетиков, мы знаем уже о многих генах, ответственных за возникновение рака. «Классическими» стали онкогены, получившие название MYC, RAS, BCL. Сейчас всего их известно более сотни. Определены спектры злокачественных перерождений, связанных с каждым конкретным онкогеном. Как правило, к злокачественному перерождению клеток приводит не единичная мутация, а некий каскад событий за ней следующих. Это напоминает путешествие героя известного рассказа Борхеса по «саду расходящихся тропок» — по такому пространственно-временному континууму, где каждая причина влечет за собой не один-единственный неизбежный и предопределенный результат, а длинную цепочку событий.

Кроме классических онкогенов в настоящее время изучено уже около трех десятков генов человека, которые осуществляют торможение деления клетки на различных этапах этого процесса и в разных тканях. Эти гены называют «хранителями клеточного цикла» или антионкогенами. Повреждение каждого из таких генов также приводит к развитию определенных разновидностей рака. Так, при анализе большого числа пациентов было установлено, что ген CABLES, расположенный на хромосоме 18, часто перестает работать (почему — это другой вопрос) при болезнях кишечника, панкреатитах и некоторых формах раковых образований. Белок Cables при этом, естественно, отсутствует в раковых клетках. Так и было установлено, что ген CABLES выступает как один из «глушителей» опухоли. В его отсутствие клетки начинают неудержимо делиться, и, в конечном итоге, они становятся злокачественными, если имеют преимущество роста по сравнению с соседними клетками.

Другой пример — хорошо изученное онкологическое заболевание ретинобластома — детская опухоль, развивающаяся на глазной сетчатке. Это заболевание возникает в результате одновременной мутации двух копий антионкогена по имени RB1 (от англ. retinoblastoma). В клетках существуют белки, отвечающие за переход клетки от покоя к делению. А белок, кодируемый геном RB1, служит строгим «сторожем» над ними. Ситуация похожа на пружину механических часов, прижатую стопором — белком, кодируемым геном RB1. Как только стопор отпущен (в гене произошла мутация и он не может выполнять свою функцию), пружина начинает раскручиваться. Результат этого понятен. Ничем не сдерживаемые белки, включающие деление клеток, разгонят клетку на постоянное и быстрое размножение, масса «сумасшедших» клеток будет расти, и в результате образуется злокачественная опухоль.

Кроме перечисленных выше генов, в геноме человека обнаружены также гены, снижающие скорость появления мутаций в ДНК (их называют «генами общего контроля» или «генами-сторожами»). Свою работу они осуществляют по-разному: одни исправляют уже возникшие ошибки, ремонтируя поврежденные участки ДНК, другие участвуют в организации контрольной проверки последовательностей в ДНК перед каждым новым делением. Если ДНК клетки повреждена, эти гены выполняют функцию «санитаров леса», выбраковывая клетку, несущую мутантные гены. Когда ДНК клетки повреждена столь сильно, что надежды на качественную починку уже не осталось, белки, кодируемые специальными геном (наиболее известный из них имеет название р53), запускают внутриклеточный каскад реакций, приводящий к запрограммированной клеточной смерти (этот процесс получил название апоптоз). Термин «апоптоз» или «самоубийство» предложил еще древнеримский врач Гален, будучи заинтригован процессом массового сбрасывания листвы деревьями по осени. В наше время так стали называть запрограммированную клеточную смерть — один из механизмов, регулирующих существование всего живого на Земле. Раковые клетки по сути наделены бессмертием и в лабораторных пробирках могут жить, в отличие от нормальных клеток, много десятков лет. За счет действия антионкогенов происходит то, что мы называем апоптозом — самоубийством. Этим самым организм защищается от возможного развития опухоли, состоящей из потомков «заболевшей» клетки. Влияние на процесс апоптоза — один из путей борьбы с раковыми клетками — клеточными Кощеями Бессмертными. Работы генетиков уже сегодня позволяют искать лекарства, которые могли бы усилить в них апоптоз.

Информация о все новых и новых генах, ассоциированных с раком, появляется и дополняется постоянно. И в значительной мере в этом помогают опыты на животных. Так, выяснилось, что удаление двух генов у мышей, названных ID–1 и ID–3, предотвращает образование рака у таких генетически модифицированных животных. В норме эти гены используются лишь на эмбриональной стадии развития, а у взрослого организма находятся в «спящем» состоянии. Но беда, если они проснутся у повзрослевшей мыши! Пробудившись ото сна, эти гены запускают механизм неконтролируемого роста определенных типов клеток, то есть процесс развития раковой опухоли. Если же этот механизм вовремя выключить, перевести гены снова в спящее состояние, то опухоль тут же перестает снабжаться кислородом, перестает расти и постепенно вообще исчезает.

«Спячка» и «пробуждение» онкогенов нередко связаны с таким уже упоминавшимся процессом, как их избыточное метилирование. Причем в некоторых случаях этот механизм даже более важен, чем возникновение мутации в гене! Фармакология давно уже располагают средствами, которые блокируют специфические ферменты, осуществляющие процесс метилирования. Таков, например, препарат деситабин, который подавляет активность всех трех ферментов метилирования ДНК. Однако пока эти средства не применяются в силу их повышенной токсичности.

А что же с вирусами, с их участием в развитии у нас рака? Постепенно мы начинаем понимать и это. Х. М. Темин (лауреат Нобелевской премии) и ряд других ученых (в России это предположение выдвинул А. Д. Альтштейн) обосновали идею о том, что некоторые вирусы несут онкогены, вызывающие рак у людей, которые привнесены в вирусный геном из нашего же с вами генома (когда-то вирус «прихватил» их из генома человека и теперь это использует в своих корыстных целях). Активные онкогены, попав к нам вместе с вирусом, делают здесь свое «черное» дело. Это, конечно, не единственная причина, почему вирусная инфекция может привести к раку. Например, если вирус внедряется в наш геном (а место его «новой прописки» в молекуле ДНК обычно довольно случайно), это может привести к изменению работы окружающих его генов. Результат этого события непредсказуем, но в ряде случаев оно приводит к злокачественному перерождению клетки.

Безусловно, значительные успехи в изучении рака связаны в основном с исследованиями самих раковых больных. Но для достижения конечной цели необходим огромный клинический материал, тысячи больных с правильно поставленным диагнозом. Чтобы решить столь сложную задачу, в Америке в 1999 году был создан крупный проект по анатомии ракового генома — Cancer Genome Anatomy Project (CGAP). Цель проекта «Геном рака», пришедшего на смену проекту «Геном человека», заключается в использовании данных, полученных в результате расшифровки наследственной информации человека, для поиска причин опухолей. GCAP призван создать платформу, обеспечивающую «интерфейс» раковых исследований и геномики. Для этого участники проекта занимаются составлением каталога генов, экспрессирующихся при развитии рака, поиском полиморфизма этих генов, молекулярным анализом различных нарушений хромосом, ассоциированных со злокачественным перерождением. И вся эта огромная по объему информация доступна любому пользователю на соответствующем сайте Интернета (http://cgap.nci.nih.gov).

Хотя старые подходы к поиску раковых генов позволили найти немало участков ДНК, связанных с развитием таких злокачественных заболеваний, как лимфомы, лейкозы и саркомы, однако они не смогли помочь при поиске генов, которые «виноваты» в развитии других, даже очень распространенных раковых заболеваний. Для облегчения их поиска участники проекта решили изучать по очереди все экзоны (т. е. кодирующие участки) всех генов, обнаруженных после полного секвенирования генома человека, и сравнивать их строение в здоровых и раковых клетках. В планы ученых на первом этапе включено около 50 различных типов опухолей, которые и предстоит исследовать в ближайшие 2–3 года. Учитывая, что в каждом гене в среднем насчитывается до десяти экзонов, а каждый ген необходимо изучить в здоровой и больной ткани для 48 типов рака, предстоит выполнить до 32 миллионов исследований. Это гигантская работа, но она уже начинает приносить свои плоды. Таким путем были, например, недавно обнаружены гены, ответственные за развитие широко распространенного рака простаты. В результате обследования тысяч больных с этой патологией было установлено, что у людей с измененным геном (онкогеном) GSTP1 риск развития рака предстательной железы в молодом возрасте возрастает вдвое. Скорость роста опухоли и вероятность ее рецидива зависят также от одного из вариантов другого гена, называемого hAR

Невозможно описать здесь все эксперименты и успехи, достигнутые в последние годы онкогеномикой. Важно другое. Проблема, хотя и медленно, но постепенно решается. Выявление и систематизация генных мутаций, связанных с разными формами рака, — огромная и весьма трудная задача. Дело в первую очередь в том, что имеется большое разнообразия типов рака. Но и это еще не все. В одном типе опухоли у разных пациентов могут мутировать совершенно разные гены. Более того, даже у одного пациента при развитии опухоли могут происходить какие-то дополнительные мутации, которые и являются определяющими в конечном счете. Ученые полагают, что использование информации, получаемой с помощью крупномасштабных технологий структурной и функциональной геномики, должно привести к экспоненциальному росту числа генов, которые имеют отношение (прямое или косвенное) к раковому перерождению, и разработке новых средств экспресс-диагностики этих заболеваний. В последнем случае большие надежды связывают с такими уже упоминавшимися выше технологиями, как микрочипы и полимеразная цепная реакция (ПЦР). Но сложность заключается в том, что рак — явление чаще всего спорадическое. Семейные случаи заболевания раком составляют лишь около одного процента от всех пациентов онкологических клиник. А постоянно бегать и анализировать свой геном на возможные мутации в сотне разных генов — малореальная перспектива.

Тем не менее, поиск причин возникновения той или иной разновидности рака молекулярные генетики осуществляют вовсе не в погоне за некой интересной для них теоретической информацией. Знание особенностей работы генов опухолевого роста позволяет искать пути восстановления или подавления функции этих генов в опухолевой ткани, а значит, и создать эффективные методы лечения злокачественных заболеваний. Обнадеживающие результаты в этой области уже получены. О некоторых из них мы поговорим далее в разделе «Ремонт генов (генная терапия)». Другой важный результат проведенных исследований уже получил реальное воплощение в медицинскую практику. При хирургическом подходе к лечению рака (а он пока, к сожалению, один из главных) твердую гарантию положительного результата обеспечивает лишь полное удаление всех злокачественных клеток. Но зачастую хирургу во время операции не так-то легко определить, затронут ли опухолью данный участок органа или нет. Вероятность визуальной ошибки велика, а цена ее — жизнь человека. В то же время многие органы нельзя удалять целиком, если мы не хотим нарушить нормальное функционирование организма. И тут на выручку приходит обнаруженная ранее мутация, испортившая ген. Она служит для медиков прекрасным маркером присутствия или отсутствия опухолевых клеток в организме пациента после операции. На западе уже существует множество клиник, где проводятся операции «под молекулярным контролем». Видимая невооруженным глазом опухолевая ткань удаляется хирургом полностью, и сразу после операции вокруг неё через каждые несколько миллиметров берутся микроскопические пробы, которые анализируются с помощью молекулярно-генетических экспресс-методов. Если какие-то опухолевые отростки сохранились после хирургического вмешательства, их удаляют уже через два-три часа после проведенного анализа. Статистика показывает, что средняя продолжительность жизни пациентов после «контролируемой» операции значительно выше, чем у оперированных традиционным образом. Некоторые другие подходы, используемые сегодня для лечения рака, будут описаны далее в разделе «Ремонт генов».

Роль генов в злокачественном перерождении неоспорима. Вместе с тем, как пишет академик Е. Д. Свердлов, мы сегодня неизбежно приходим к осознанию того, что эта проблема — не только проблема генов. Ни одни мутации отдельных «плохих» генов, ни даже те или иные звенья регуляции экспрессии генома, а определенные интегральные процессы в клетках и тканях вовлечены в развитие рака. И это все еще предстоит «распутать» ученым, прежде, чем мы можем сказать: рак побежден!

На сегодняшний день неким утешением, хотя и довольно слабым, для нас может служить то обстоятельство, что рак не является какой-то фатальной неизбежностью, поскольку многие люди, достигшие весьма преклонного возраста, им не заболевают. Но трудно объяснить заболеваемость раком и одними лишь вероятностными причинами. В подавляющем большинстве случаев, для возникновения опухоли одной генетической предрасположенности недостаточно. Всегда необходим какой-то толчок, который заставит онкогены проявить себя. Считается, что 90 % всех форм рака у человека спровоцированы действием факторов окружающей среды, таких, например, как вирусы, радиация и различные канцерогены (от cancer — рак, genos — рождение), которых существует огромное множество в окружающей нас природе. Чаще всего именно последние и помогают «нехорошим» генам активизироваться или, наоборот, замолкать.

Считается, что с питанием и курением связано свыше 60 % раковых заболеваний, а вот с употреблением алкоголя всего 5 %.

Нам же пока остается только надеяться, что онкогеномика сможет решить многие из этих вопросов в ближайшее время, до того как мы с вами лично не столкнемся с этой проблемой.