Формула рака
Источник
http://www.nkj.ru/archive/articles/4179/ журнал "Наука и жизнь" № 5 2002 год.
Автор Доктор биологических наук А. ЛУЧНИК
Рак - одна из самых тяжелых и загадочных болезней. Существует множество причин, казалось бы, совершенно различных, которые могут стать "спусковым крючком" болезни, началом неконтролируемого деления злокачественных клеток. Но каковы внутренние, молекулярные механизмы рака? Возможно, все дело в структуре хромосом опухолевых клеток.
Главной причиной смерти человека в ХХ веке наряду с сердечно-сосудистыми заболеваниями стал рак. Отсюда и повышенное внимание к исследованиям причин рака и нахождению способов его лечения. Однако все надежды, что будет найдена некая противоопухолевая "панацея", рушились по мере того, как расширялись знания о природе рака. Более того, к концу ХХ века ученые окончательно пришли к выводу, что опухоль каждого вида имеет свои механизмы бесконтрольного роста. А значит, нельзя найти общий принцип лечения всех видов рака.
И все же универсальный механизм роста злокачественных опухолей существует. Этот механизм, или, вернее сказать, "адская машина", есть в каждой злокачественной опухоли, и устроен он на удивление просто. Его работа не зависит от конкретных причин возникновения опухолей. Причины бывают разными, однако все они, в конечном счете, вызывают определенные изменения структуры генома, то есть хромосом, содержащих наследственную информацию.
Превращение нормальной клетки в опухолевую происходит в два этапа: трансформация и малигнизация (злокачественность). На первом этапе клетки начинают бесконтрольно делиться, причем уже в лабораторных условиях - в колбе с питательным раствором. Однако такие клетки в большинстве случаев не вызывают злокачественного роста в живом организме. Механизмы трансформации изучены достаточно хорошо - главную роль здесь играют онкогены.
Второй этап - приобретение злокачественности - позволяет таким клеткам размножаться внутри организма. При этом клетки опухоли растут не сами по себе - организм животного или человека помогает им это делать. Активно подхлестывая рост опухоли, плоть больного совершает медленное самоубийство. Организм делает все возможное для того, чтобы опухоль росла. Он бережно пронизывает ее тысячами новых кровеносных сосудов и капилляров, он приобщает окружающие здоровые клетки, а также клетки крови и лимфы к обслуживанию опухоли, позволяя ей расти вширь. В этом процессе задействованы сотни биохимических реакций.
Схема разрастания клона злокачественных клеток. Черные кружки - это клетки, погибающие из-за спонтанных летальных повреждений хромосом.
Отчего это происходит? Здесь мы подошли к самому главному. Ответ на этот вопрос звучит до смешного просто: организм воспринимает растущую опухоль как незаживающую рану, которую следует залечить путем стимуляции роста ее клеток. Эта мысль пришла в голову автору этой статьи почти 20 лет тому назад, во время беседы с покойным отцом - профессором Н.В. Лучником, лучшим специалистом своего времени по хромосомным аберрациям (видимым под микроскопом разломам хромосом). Кстати, теперь никто не сомневается, что именно эти аберрации - причина рака при радиоактивном облучении организма. Работы моего отца по малым дозам радиации были срочно востребованы после Чернобыльской катастрофы.
В то время, к которому относится моя памятная беседа с отцом, я учился в аспирантуре на кафедре генетики Московского государственного университета. Тогда я не стал публиковать свое открытие. Почему? Я решил, что понятое мной лежит прямо на поверхности, ведь механизм настолько прост и очевиден, и кто-нибудь через год-два обязательно придет к тем же выводам, а может быть, в момент, когда меня осенило, уже кто-то сидит и пишет статью на эту тему. Однако прошло более 20 лет, а публикаций все не было, и я решил представить на суд научной общественности свою концепцию.
Бросив все остальное, я залез в Интернет - слава Богу, к этому времени он уже появился. За один месяц мне удалось перелопатить такое огромное количество научных публикаций, какого я никогда не смог бы просмотреть, сидя в лучших библиотеках 10 лет подряд. Да я и не нашел бы нужных журналов - тех, которые молекулярный генетик никогда не читает, например медицинских журналов, посвященных лечению травм и ранений. К своему изумлению, я обнаружил, что никто и близко не подошел к моему давнему умозаключению. Однако за 20 лет ученые собрали столько новых фактов, подтверждающих эту концепцию, что в ее правильности у меня не оставалось более никаких сомнений.
В 2000 году я написал статью в журнал "Онтогенез", выпускаемый Институтом биологии развития Российской академии наук. В этой статье злокачественная опухоль называется незаживающей раной. Почему так? Начнем с раны заживающей: если вы случайно порезали руку, немедленно начинается процесс заживления раны. Свертывание крови и агрегация клеток крови на поверхности раны - первый и исключительно важный этап заживления. Агрегирующие клетки крови (макрофаги, гранулоциты и тромбоциты) начинают выделять цитокины - белки, регулирующие деление клеток. Наиболее известные цитокины - факторы роста клеток. Говоря упрощенно, эти факторы вызывают рост новых клеток, заполняющих рану. Почему кровь сворачивается? Сигналом служат поврежденные или мертвые клетки на поверхности раны. (В пробирке кровь сворачивается от контакта с чужеродной стеклянной поверхностью.) Более того, тысячи клеток на поверхности раны, которые вы убили кухонным ножом, не молчат. Они вопиют о своей погибели - сами выделяют факторы роста и другие цитокины, стимулирующие рост и миграцию клеток. Цитокины кровяных клеток и мертвых клеток вызывают отек ткани: межклеточное пространство заполняется лимфой, и туда ползут лимфоциты и некоторые другие клетки, участвующие в ранозаживлении. В дальнейшем изложении мы для упрощения будем говорить только о росте новых клеток, потому что это самое главное. Чтобы описать другие детали процесса заживления раны, потребуется целая книга.
Умирающая от некроза клетка подает окружающим ее клеткам множество различных сигналов.
Таким образом, главным сигналом к делению клеток являются мертвые клетки на поверхности самой раны. Эти клетки не просто мертвые - они погибли путем некроза. Существует другой тип гибели клеток - апоптоз. Это когда организм в ходе нормальной жизнедеятельности уничтожает некоторые собственные клетки - образно говоря, производит очередную замену деталей в ходе "техосмотра". (См. "Наука и жизнь" № 8, 2001 г. - Ред.) Подконтрольно гибнущие клетки не способны запустить каскад биохимических событий, заживляющих рану. Сделать это могут только некротически погибшие клетки. Так погибают клетки либо от физического повреждения, либо от случайных, не подвластных организму разломов хромосом. Некроз клеток происходит, например, при радиоактивном облучении (за исключением лимфоидных клеток). Радиация рвет молекулу ДНК в каких-то случайных местах. Разрывы ДНК (обеих нитей двойной спирали) активно залечиваются клеткой, однако 100% разрывов клетке удается залечить не всегда. Из незалеченных разрывов образуются разломы хромосом, видимые под микроскопом. Если клетка с разломанной хромосомой делится, две дочерние клетки с большой вероятностью умирают от некроза (вследствие нарушения баланса генетического материала у дочерних клеток). Такие клетки организм воспринимает как погибшие от случайного ранения, например от пореза руки кухонным ножом.
При заживлении раны деление клеток заканчивается, когда образуется рубец из полностью заполнивших рану новых клеток. Остановка деления клеток - завершающий этап заживления раны. Если рану порезать еще раз, опять начнется процесс деления клеток. Сигналом к нему послужат новые некротически погибшие клетки. В экспериментах с животными, у которых риск заболеть раком очень высок (высокораковые линии), стоит порезать одну и ту же рану несколько раз, чтобы вызвать злокачественный рост опухоли. У нормальных животных или человека этого бывает недостаточно.
Но если опухоль по тем или иным причинам уже возникла, ее клетки обязательно приобретают одно исключительно важное свойство - генетическую нестабильность, выражающуюся в том, что в каждом поколении клеток возникают случайные разломы хромосом с частотой примерно 1-30%. Потомство этих клеток, как мы уже знаем, нежизнеспособно: дочерние клетки гибнут от некроза. Если их, скажем, 10%, то этого вполне достаточно, чтобы система заживления ран набросилась на опухоль и стала стимулировать ее клетки к делению. Деление клеток опухоли автоматически приведет к появлению еще 10% мертвых клеток, а они опять подхлестнут систему заживления ран, и так до бесконечности, вернее, до физической смерти человека или животного. Заметим, что, жертвуя мертвыми клетками, опухоль растет медленнее, чем росли бы нормальные клетки, но взамен она получает возможность расти неограниченно - пусть медленно, но верно, и в конце концов она убьет организм. Это как многоголовый дракон из русской сказки: отрубишь ему одну голову - вырастут две...
На этом месте я мог бы остановиться, однако читатель спросит: а почему в раковых клетках с высокой частотой возникают разломы хромосом, вызывающие некротическую гибель клеток?
Факт высокой частоты случайных хромосомных разломов в опухолевых клетках считается общепризнанным. "Мертвую петлю" обратной связи между умирающими и делящимися клетками мы уже описали. Однако, если не понять причину высокой частоты случайных разломов хромосом в раковых клетках, нельзя целенаправленно бороться с опухолевым ростом.
Причина этих разломов, как я берусь утверждать, кроется в неспособности раковой клетки ремонтировать двойные разрывы ДНК, которые и приводят к разломам хромосом. Нормальная клетка с высокой скоростью и эффективностью ремонтирует сотни разрывов ДНК, например после облучения.
И снова вернемся на двадцать лет назад. Работая над кандидатской диссертацией, я сделал вывод о том, что для ремонта разорванной молекулы ДНК требуется вторая копия, не имеющая разлома в том же самом месте. Молекулы "прижимаются" одна к другой, и генетическая информация с неповрежденной молекулы копируется в поврежденную, восстанавливая таким образом ее первоначальную структуру. Свои опыты я проводил на различных линиях дрожжей - тех самых, которые идут на приготовление пива, хлеба или пышных пирогов. Дело в том, что молекула ДНК и облегающие ее белки - гистоны устроены совершенно одинаково у всех организмов, имеющих клеточное ядро (эукариот). В некоторых штаммах дрожжей есть интересное исключение, которое и позволило мне сделать диссертационную работу.
В здоровых клетках человека двойные разрывы ДНК залечиваются с огромной эффективностью. Откуда же берется для этого вторая копия ДНК? А она есть в составе каждой хромосомы, предположил я и вскоре опубликовал сначала теоретическую, а позднее ряд эксперименталь ных работ, подтверждающих это.
Схематическое изображение бинемной (двойной) модели хромосомы (А) и ее изменения в злокачественных клетках (Б).
Научное сообщество не сразу восприняло утверждение, замахивающееся на взгляды целого поколения ученых, которое в 60-х годах ХХ века решило, что в каждой хромосоме содержится одна длинная молекула ДНК и информация о ней нигде не дублирована. (Для специалистов: гомологичные хромосомы не повторяют одна другую полностью, а соматическая конъюгация и рекомбинация, даже после облучения, - крайне редкие события). Надо сказать, что в 60-е годы в науке боролись две школы: одна отстаивала однонитчатую хромосому (где нить - это двойная спираль ДНК), а другая - многонитчатую. Постепенно стало ясно, что многонитчатые хромосомы встречаются у некоторых организмов или в некоторых тканях как исключение, а у большинства организмов и тканей хромосомы однонитчатые. В шуме многочисленных перепалок не заметили, что вместе с водой выплеснули ребенка. На том этапе развития науки никто из сторонников однонитчатой модели не мог утверждать, что в хромосоме имеется только одна молекула ДНК, а не две, главное, стало ясно, что их не великое множество. С точки зрения этих исследователей, одна или две - было не важно. Решили, что, скорее всего, одна, иначе зачем клетке утруждать себя содержанием и обслуживанием второй копии? Это предположение осталось чисто умозрительным, потому что о проблеме надежности генома думал лишь небольшой круг генетиков, занимавшихся репарацией (ремонтом) ДНК. Однако, учитывая вышеизложенное, наличие второй копии, а значит, и репарация двойных разрывов ДНК на этой основе приобретают колоссальное биологическое значение.
Защитив диссертацию, я крепко задумался о природе вещей и решил, что иначе, как две копии в хромосоме человека, и быть не может, не то роду человеческому пришел бы конец. (Вторая копия повышает надежность генома примерно в 100 000 - 1 000 000 раз, а третья почти не повышает, поэтому-то их и две.) И я написал большую статью в "Journal of Theoretical Biology", в которой проанализировал все опубликованные доводы в пользу однонитчатой модели и не нашел ни одного убедительного. Да и сами авторы этих статей никогда не утверждали, что есть только одна копия, они лишь говорили, что не 20 и не 100. Позднее на одной конференции в США я с удивлением узнал, что американский профессор преподносит мою работу студентам как пример аналитического научного мышления. В перерыве между заседаниями он рассказал мне о российском ученом А.Н. Лучнике, которого он представлял седовласым профессором, и очень удивился, узнав, что Лучник - это я (а мне тогда не было и 30 лет).
Итак, я опубликовал статью о двух нитях ДНК в одной хромосоме, с которой никто не выразил несогласия. Как эти нити организованы в хромосоме, видно из рисунка, приведенного внизу. Вскоре открыли метод полимеразной цепной реакции - тот самый, с помощью которого теперь идентифицируют человеческую личность по одному волосу или по костям покойника, долго пролежавшим в земле (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г. - Ред.). Например, так устанавливали подлинность останков семьи Николая II. Я использовал этот метод для проверки вопроса о числе копий ДНК в хромосоме. Новый метод позволял амплифицировать (многократно приумножить) ДНК одной-единственной клетки и получить ответ на вопрос о количестве копий ДНК в хромосоме. Сначала у меня ничего не получалось, но помог мой друг Павел Иванов, вернувшийся из Англии, где он занимался идентификацией останков царской семьи. Он открыл мне небольшое ноу-хау, которое в статьях почему-то не упоминалось.
Эксперименты мы ставили вместе с моей аспиранткой Ларисой Ветровой и сотрудником другой лаборатории нашего института Михаилом Слезингером. Для работы нам нужны были человеческие сперматозоиды. Доноров спермы найти не удалось, и пришлось мне "ставить опыты на себе". Партия моих сперматозоидов хранилась в замороженном состоянии в лабораторном морозильнике. Это вызывало большое количество шуток, особенно со стороны женского персонала. Потом была разработана оригинальная методика, и мы смогли обходиться без сперматозоидов. По результатам работы была опубликована статья в международном журнале "Biochemistry and Molecular Biology International". Статью рецензировал академик В.П. Скулачев. Я получил премию на общеинститутском конкурсе научных работ, однако быстрой реакции на статью не последовало. Но это тем приятнее, если осознаешь, что ты опередил свое время хотя бы на 3-4 года, тем более что с момента моей первой статьи на эту тему прошло почти 20 лет. Только теперь, в XXI веке, появились работы других ученых, указывающие на двунитчатую (бинемную) структуру хромосом человека.
Схема постановки эксперимента с единичными сперматозоидами.
Вернемся к раку. Я обещал ответить на вопрос о генетической нестабильности раковых клеток. Если хромосома бинемна (то есть имеет две нити, вернее, две двойные спирали ДНК), то большая часть случайных разрывов ДНК залечивается полностью. Случайные разрывы ДНК у каждого человека возникают ежедневно (общая длина ДНК в одной клетке человека - около полутора метров). Если в хромосоме имеется однонитчатый (однодуплексный) участок, то разрывы дуплексов в этом месте не залечиваются, что ведет к разлому хромосомы и гибели дочерних клеток. Опираясь на уже опубликованную мной и другими авторами информацию, я сформулировал общий принцип генетической нестабильности в злокачественных клетках. Вот он: раковая клетка имеет наследуемые однонитчатые (однодуплексные) участки в одной или нескольких хромосомах или даже во всем геноме (последнее обнаружено при исследовании многих лейкозов). Теперь становится понятным, почему такая клетка с высокой вероятностью дает случайные разломы хромосом и гибель дочерних клеток. Что происходит в результате появления большого количества некротически гибнущих клеток, уже изложено в начале статьи.
Становится понятным также, почему рак лечат облучением, перегревом (гипертермией), избытком кислорода (гипероксигенацией) или некоторыми мутагенами. Все эти воздействия бьют по ДНК, а повреждения однонитчатых (однодуплексных) участков в отсутствие второй копии клетка отремонтировать не в состоянии; в результате раковые клетки, в отличие от нормальных, подвергаются массовой гибели. Все эти методы лечения не дают 100%-ной гарантии излечения многих видов рака. Но теперь мы знаем врага в лицо, и можно надеяться на успех в борьбе с ним.
Доктор биологических наук А. ЛУЧНИК.
P.S. Моими единомышленниками из числа сотрудников РАН была выделена биологически активная фракция из морских организмов-долгожителей (около 200 лет), не подверженных инфекционным и онкологическим заболеваниям и имеющим беспрецедентно совершенный механизм заживления ран. Предварительные результаты испытаний на пациентах дали положительные результаты. В настоящее время проводятся более детальные исследования.
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
Агрегация - скопление клеток на чужеродной поверхности.
Амплификация - многократное приумножение числа идентичных копий молекулы ДНК.
Ангиогенез - прорастание ткани новыми кровеносными сосудами и капиллярами.
Коагуляция - свертывание белков крови.
Мембранные рецепторы - молекулы или группы молекул на внешней либо внутренней стороне клеточной мембраны, воспринимающие сигналы от гормонов или иных молекул в крайне низкой концентрации.
Протеолиз - расщепление пептидных связей, которое происходит под действием протеолитических ферментов.
Протеолитический процессинг - разрезание макропептида до биологически активных компонентов.
Таксис - движение клеток по градиенту химического сигнала.
Фибринолиз - разрушение белковых молекул крови, образовавших сгусток на месте поверхности раны.
Хромосомные аберрации - видимые под микроскопом разломы хромосом.
Цитокины - вещества, регулирующие деление и движение клетки.
Экстрацеллюлярный матрикс - внеклеточный белково-мукополисахаридный каркас (скелет), составляющий жесткую основу для расположения клеток в ткани.
Эндотелий - слой специфических клеток, выстилающих поверхность ткани.
Читайте и смотрите подробнее 
