5
Рак на всем древе жизни
Когда бернскому зенненхунду[11] Джошуа Шиффмана диагностировали рак, мужчина не поверил своим ушам. Он исследователь в области рака и детский онколог, который сам пережил рак. Меньше всего на свете он ожидал, что его любимый питомец станет жертвой этой болезни. Шиффман осознал, что рак поражает не только людей, но и многие другие организмы по всему древу жизни.
Этот случай побудил Шиффмана побольше узнать о восприимчивости к раку у собак и он с удивлением обнаружил многие сходства с рисками развития рака у людей. У них могут быть мутации генов BRCA1/2, повышающие риск рака молочной железы и яичников. Рак у собак также может быть связан с мутациями гена TP53, которые у людей вызывают синдром Ли-Фраумени наследственное расстройство, значительно повышающее вероятность развития рака в течение жизни. У собак с хроническими миелоидными лейкозами даже была обнаружена транслокация BCR/ABL типичная, как я уже говорила в третьей главе, при хроническом миелоидном лейкозе у людей.
Сходства между раком у собак и людей выходят за рамки генетических факторов риска, таких как изменения в генах BRCA, TP53 и BCR/ABL. У тех и других риск развития рака связан с большим размером тела. В предыдущей главе мы увидели, как быстрый рост до большого размера может привести к повышенному риску развития рака из-за компромисса между клеточной пролиферацией и контролем клеточного поведения. На натянутом канате развития организма его клеткам приходится поддерживать баланс между чрезмерной пролиферацией и чрезмерным контролем, чтобы обеспечить нормальное развитие и эволюционную приспособленность организма. Таким образом, при прочих равных условиях следует ожидать повышенную восприимчивость к раку у более крупных организмов.
Проблема в том, что не все прочие условия равны во всяком случае, когда речь идет о таких крупных животных, как слоны. В организме слона примерно в сто раз больше клеток, чем у человека, и тем не менее уровень заболеваемости раком у них гораздо ниже, чем у нас с вами. На самом деле, если посмотреть на разные виды, можно увидеть, что риск развития рака не растет с их размером такая закономерность наблюдается лишь в рамках одного вида. В предыдущей главе мы узнали, что большой размер может сопровождаться повышенным риском развития рака из-за большего количества клеточных делений, необходимых для достижения этого размера и его поддержания.
ТАК ПОЧЕМУ ЖЕ ТОГДА БОЛЬШОЙ РАЗМЕР ТЕЛА НЕ КОРРЕЛИРУЕТ С ПОВЫШЕННЫМ РИСКОМ РАЗВИТИЯ РАКА СРЕДИ ВСЕХ ВИДОВ?
В этой главе я покажу, как эту загадку, парадокс Пето, можно разрешить, используя эволюционный подход.
ТАК ПОЧЕМУ ЖЕ ТОГДА БОЛЬШОЙ РАЗМЕР ТЕЛА НЕ КОРРЕЛИРУЕТ С ПОВЫШЕННЫМ РИСКОМ РАЗВИТИЯ РАКА СРЕДИ ВСЕХ ВИДОВ?
В этой главе я покажу, как эту загадку, парадокс Пето, можно разрешить, используя эволюционный подход.
Я также более подробно рассмотрю некоторые из причин, по которым восприимчивость к раку меняется по всему древу жизни, начиная от простейших многоклеточных организмов и заканчивая более сложными формами жизни, такими как слоны.
Понимание того, как рак влияет на другие формы жизни и как жизнь в ходе эволюции научилась с ним бороться, поможет нам разобраться в причинах восприимчивости к раку у людей и направит нас к новым стратегиям лечения и профилактики онкологических заболеваний.
Различия в восприимчивости к раку среди разных форм жизни связаны с некоторыми из все тех же компромиссов, о которых мы узнали в предыдущих главах: с той ценой, которую приходится платить за крупный размер, быстрый рост, заживление ран и репродуктивный успех. Я же добавлю сюда еще эволюционные процессы, которые помогут нам понять, почему одни организмы делают упор на развитие эффективных механизмов подавления рака, а другие нет. Эта теория поможет объяснить, почему у некоторых видов наблюдается особая устойчивость к этой болезни.
Я также рассмотрю несколько любопытных случаев заразного рака от рака, передающегося половым путем у собак, и того, который передается через укусы морды у тасманских дьяволов, до нескольких редчайших случаев передачи рака от человека к человеку.
Мы увидим, как компромиссы с другими чертами, влияющими на нашу эволюционную приспособленность такими, как заживление ран и размножение формируют нашу восприимчивость к трансмиссивным видам рака и к раку в целом.
Я также покажу, что трансмиссивные виды рака сопровождают многоклеточную жизнь с самого ее зарождения судя по всему, они сыграли важнейшую роль в формировании многих важных признаков жизни: от иммунной системы до эволюции полового размножения.
Рак и вся живая природа
В самом начале этой книги я рассказывала о хохлатых кактусах и удивительном разнообразии корон, узловатых наростов и напоминающих мозг образований, которые могут появиться в результате нарушения обычного контроля пролиферации клеток. Эти наросты на кактусах представляют столь большой интерес, поскольку по сути, являются аналогом раковых опухолей клеткам удается каким-то образом обойти нормальные ограничения многоклеточного сообщества и начать бесконтрольно размножаться.
Хохлатые кактусы представляют собой один из примеров фасциации у растений. Фасциацией называют уродливую деформацию побегов и плодов растений, и она может возникнуть, когда клетки на конусе нарастания (так называемые клетки меристемы, или образовательной ткани растения) вместо одной верхушки образуют линию клеток. По мере своего деления эти клетки создают расширяющуюся полоску ткани, которая принимает форму веера и иногда даже начинает заворачиваться, формируя напоминающие мозговые извилины структуры. Фасциация свойственна не только кактусам ей подвержены и многие другие растения (рис. 5.1). У некоторых цветков фасциация выражается в формировании причудливых, удлиненных соцветий. Табак часто подвергается фасциации, которая меняет структуру его листьев и цветков. Даже большие деревья, такие как сосны, могут быть подвержены фасциации, в результате которой их стволы разрастаются, принимая веерообразную форму.
Рисунок 5.1.Растения подвержены явлению под названием фасциация, механизм которого схож с образованием рака. Мутации в конусе нарастания приводят к причудливым и зачастую красивым паттернам роста. Иллюстрации слева направо: фасциация кипариса Chamaecyparis obtusa в результате повреждения (Антон Бодуэн, Политехнический университет Виргинии и университет штата, материалы на Bugwood.org представлены по свободной лицензии CC BY 3.0); фасциация у Casuarina glauca, лишенной типичной ветвящейся структуры, которую заменяет большое веерообразное формирование с нарушенной дифференцировкой ткани (ухо мула) с нормальным цветком слева и цветком, подверженным фасциации, справа; и «двойной цветок» Anemone coronaria.
С годами мой интерес к хохлатым кактусам перерос в увлечение фасциацией, которое затем расширилось на все древо жизни, в конечном счете охватив все многоклеточные организмы.
С годами мой интерес к хохлатым кактусам перерос в увлечение фасциацией, которое затем расширилось на все древо жизни, в конечном счете охватив все многоклеточные организмы.
Напоминающие рак явления были обнаружены нами с коллегами на каждой ветви животного царства.
В жизни ученого не часто выпадает возможность провести целый год, общаясь и работая с группой людей, полностью разделяющих его научные интересы. Мне выпала честь побыть частью рабочей группы в Институте перспективных исследований в Берлине (называемом Wissenschaftskolleg, сокращенно Wiko), где нам всем представилась именно такая возможность. Майкл Хохберг, эволюционный биолог-теоретик и эколог, занимающийся изучением рака, организовал рабочую группу по изучению эволюции рака. Большую часть года мы исследовали проявления рака у разных живых организмов, штудируя научную литературу в поисках данных о раке и об опухолеподобных образованиях среди всех представителей живой природы. Мы обнаружили свидетельства наличия подобных явлений у моллюсков, насекомых, всевозможных животных, кораллов, грибов и, конечно же, растений (рис. 5.2).
Рисунок 5.2.Все ветви многоклеточного древа жизни подвержены раку. Нам удалось найти свидетельства обнаружения рака и опухолеподобных процессов (характеризующихся нарушенной дифференциацией и бесконтрольной пролиферацией клеток) на всех ветвях древа многоклеточной жизни.
Схема размещена с разрешения автора
Мы также выяснили, что у всех этих видов рак всегда был связан с нарушением основных правил многоклеточного сотрудничества: бесконтрольной пролиферацией, излишней выживаемостью клеток, неправильным разделением клеточного труда (то есть нарушением клеточной дифференцировки), монополизацией ресурсов и разрушением межклеточной среды.
Как правило, когда раку пытаются дать определение, упор делается на животном царстве и в качестве основных критериев используется инвазия опухоли и образование метастазов.
Инвазия подразумевает прорыв клетками базальной мембраны, однако не у всех живых организмов имеются покрытые базальной мембраной ткани. Не у всех организмов есть кровеносная система, которую рак мог бы использовать для распространения метастазов. Таким образом, более общим подходом будет определять рак через недобросовестное поведение клеток. Это позволит нам использовать общий набор характеристик по всему древу жизни характеристик, связанных с нарушением базовых устоев многоклеточного сотрудничества.
Многие биологи предполагали, что инвазивный рак невозможен у растений из-за наличия у их клеток стенки и более жесткой структуры тканей. Тем не менее, как мы с вами уже видели, растения также подвержены опухолеподобным образованиям (фасциации). Они не являются инвазивными, однако им свойственны все типичные для рака признаки недобросовестного клеточного поведения: чрезмерная пролиферация, неограниченная продолжительность жизни клеток, нарушение нормального распределения клеточного труда (нарушенная структура цветения), а также разрушение общей среды (например, повышенный риск гибели тканей, делающий все растение более восприимчивым к инфекциям). Более того, инвазивные образования у растений порой все-таки появляются. Одним из обнаруженных нами сюрпризов стала научная работа, в которой сообщалось об обнаружении инвазивных образований у растений фронта клеток, прорывающегося через существующие ткани растения. Это отвечает даже более строгому традиционному определению рака, говорит нам о том, что у растений по всем меркам и определениям бывает рак.