Цивилизация
###1###Истоки сравнительной онкологии предшествуют открытию клетки. В 1802 году одно из научных обществ Эдинбурга впервые сформулировало вопрос: «Встречаются ли у примитивных организмов заболевания, напоминающие рак у человека?» А в 1858 году — встречаются ли такие заболевания у домашних животных. До конца ХIХ века были обнаружены опухоли у рыб и моллюсков. В 1901 опухоли были описаны у оболочников. В 1938 году нашему соотечественнику Сергею Чахотину удалось экспериментально вызвать смертельную атипическую пролиферацию мезенхимных клеток у иглокожих, погружая оплодотворенные яйца этих животных на стадии бластулы в раствор монойод- или монобромуксусной кислоты.
Опухоли были обнаружены даже у ископаемых динозавров. Эпидемиологическое исследование более чем 10 тысяч позвонков динозавров с помощью флюороскопии выявило опухоли у гадрозавров, обитавших в меловом периоде. У других семейств динозавров в этом исследовании опухоли выявлены не были, что предполагает специфичность предрасположенности к новообразованиям у различных групп динозавров.
Самые разнообразные влияния внешней среды могут вызвать в тканях растений длительную пролиферативную реакцию, приводящую к возникновению опухолеподобных наростов.
Более того, некоторые опухоли растений, в частности т. н. «корончатые галлы», возникающие под влиянием «опухолеобразующих» бактерий Agrobacterium tumefaciens, по своей природе близки к истинным опухолям животных.
Достижения сравнительной онкологии по изучению новообразований у беспозвоночных и низших позвоночных были подытожены в соответствующей монографии, изданной Национальным раковым институтом США в 1969 г. В результате систематизации и обобщения большого количества наблюдений и экспериментальных фактов сравнительная онкология сформулировала представление о широкой распространенности опухолей у многоклеточных организмов, включая беспозвоночных и растения. Была отмечена также относительно более высокая частота возникновения новообразований у высших организмов, например, у насекомых и позвоночных, и у эволюционно более успешных видов организмов, например, у костистых рыб по сравнению с хрящевыми.
Широкая распространенность опухолей среди многоклеточных организмов предполагает, что опухоли вполне могли играть какую-то роль в эволюции организмов.
Давно известно, что многие опухоли и полученные из них клеточные линии способны продуцировать белки, нехарактерные для тканей или клеточных типов, из которых произошли упомянутые опухоли. Это явление получило название «эктопических синтезов». К ним относится, например, синтез гормонов некоторыми опухолями.
В последнее время употребляют термин «пластичность опухолевых клеток», под которой понимается утрата специфической генной экспрессии с одновременной аберрантной экспрессией генов, в норме экспрессирующихся в других клеточных типах. Пластичность в особенности присуща злокачественным опухолевым клеткам. Васкулогенная мимикрия (построение опухолью псевдососудов из своих клеток), при которой опухолевые клетки экспрессируют гены, в норме экспрессирующиеся в эндотелиальных клетках, является примером такой пластичности.
Молекулярно-биологическими методами были получены данные, свидетельствующие, что в опухолях могут активироваться большое число генов, неактивных в нормальных клетках.
Активация транскрипции в опухолях связана с гипометилированием ДНК и гистонов и декомпактизацией хроматина. Эти процессы не обладают жесткой специфичностью и затрагивают обширные участки генома. Изменения в метилировании ДНК приводят к активизации транскрипции не только генов, связанных с опухолевой прогрессией, но также к неспецифической активации транскрипции последовательностей, расположенных в близких участках генома.
Другим свойством опухолевых клеток, которое могло использоваться в эволюции, является способность опухолевых клеток к дифференцировке с одновременной потерей злокачественности. Имеющиеся данные свидетельствуют, что генетическая информация, ответственная за терминальную дифференцировку опухолевых клеток, присутствует и способна к фенотипической экспрессии.
Опухоли могут принимать участие в морфогенетических процессах, как, например, в случае ороговевающих непигментированных папиллом, или «кожных рогов». Другим примером могут быть своеобразные «шапочки», образующиеся на головах некоторых рыб. Можно предположить, что своеобразные разрастания на морде у бородавочника Phacochoerus aethiopicus, являющиеся его систематическим признаком, также произошли в результате каких-то опухолеподобных процессов.
Способность опухолевых клеток дифференцироваться в различных направлениях вместе с утратой злокачественности и экспрессией в опухолях генов, не экспрессирующихся в нормальных тканях (но присутствующих в геноме), в том числе эволюционно новых генов, может, в принципе, приводить к возникновению эволюционно новых типов клеток.+++
###2###Имеются примеры патологий и патогенов, имеющих адаптивное и/или положительное эволюционное значение. Так, вирусы могут играть положительную роль в эволюции, перенося гены между различными группами организмов. Признак серповидноклеточности эритроцитов связан с некоторой устойчивостью к малярийному плазмодию Plazmodium falciparum, вызывающему малярию. Это пример молекулярной патологии, имеющей адаптивное значение.
Наиболее драматичным примером патологического процесса, играющего важную роль в эволюции, является мутационный процесс. Эволюция невозможна без мутационного процесса, хотя значительная часть мутаций (если не большинство из них) является вредной для индивидуальных организмов.
Мутационный процесс имеет две стороны. С одной стороны, он приводит к нарушениям в сбалансированных молекулярных механизмах и работает как генератор разнообразных молекулярных болезней. С другой стороны, он поставляет новый генетический материал для отбора и работает как мотор эволюции.
Аналогичный парадокс может быть справедлив для опухолей. Опухоли можно представить как мутационный процесс на многоклеточном уровне.
С одной стороны, опухолевые процессы приводят к различным злокачественным патологиям, вредным для индивидуальных организмов. С другой стороны, опухолевые процессы поставляют избыточные клеточные массы, характеризующиеся высоким уровнем биосинтезов, и это может использоваться в прогрессивной эволюции организмов для возникновения новых клеточных типов.
Можно привести примеры, когда это действительно происходило в эволюции.
Азотфиксирующие клубеньки на корнях бобовых, симбиотично ассоциированные с бактериями рода Rhizobium, являются примером ситуации, когда опухоли приобретают функцию в организме и становятся новыми органами. Существенным отличием клубеньков от опухолей, вызываемых A.tumefaciens, является то, что восстановленный в клубеньках азот используется самим растением, поэтому возникает регулируемая функция и новый орган растения — клубеньки. Напротив, в случае опухолей, индуцируемых A.tumefaciens, синтезируемые в них опины используются только бактериями, т. е. имеет место паразитизм, вредный для растения.
Следующий пример роли опухолей, реализовавшейся в эволюции, можно найти у рыб рода Xiphophorus. У этого рода рыб имеются макромеланофоры, представляющие собой гигантские меланоциты, локализованные по бокам тела. Они играют роль маскировки. В классических экспериментах Gordon и Kosswig было показано, что в потомстве, полученном методом обратного скрещивания X. maculatus и X.helleri, у некоторых рыбок возникают меланомы. Anders и соавторами была предложена генетическая модель, объясняющая эти и другие подобные эксперименты по гибридизации. Была предложена простая двухлокусная система, где X. maculatus является носителем «опухолевого локуса» Tu, расположенного на половой хромосоме, и аутосомного регуляторного локуса R, подавляющего активность опухолевого гена. У X.helleri отсутствуют как Tu, так и R. При удалении в результате скрещивания аутосом, несущих R, локус Tu выходит из-под контроля, что приводит к усилению его экспрессии и увеличению размеров темных пятен на теле у гетерозиготных особей. Отсутствие обоих копий R в потомстве F2, содержащем ген Tu, полученном обратным скрещиванием F1 гетерозигот с X.helleri, приводит к развитию злокачественных меланом.
Мы предполагаем, что в эволюции имел место обратный процесс. Сначала могла возникнуть популяция рыб с высокой предрасположенностью к развитию меланом вследствие возникновения локуса Tu. После этого мог возникнуть ген R, который блокировал развитие меланом, что в конечном итоге привело к возникновению макромеланофоров.
Оказывается, что локус Tu включает два гена: Mdl, определяющий различные фенотипы макромеланофорного (пигментного) паттерна, и онкоген Xmrk. Оба гена относительно эволюционно новы и возникли незадолго до возникновения рода Xiphophorus (5–6 миллионов лет назад).
Макромеланофоры оказались эволюционно выгодны, так как приобрели функцию, которая закрепилась естественным отбором. Таким образом, макромеланофоры у Xiphophorus maculatus являются меланомой, стабилизировавшейся в результате удачной комбинации онкогена, гена-супрессора и возникновения функции, связанной с геном Mdl.
Мы можем также привести пример искусственного отбора доброкачественной опухоли у золотых рыбок. В данном случае декоративность своеобразной «шапочки» на голове у некоторых рыбок, которая является папилломой, по данным гистологического анализа, была причиной отбора и успеха в размножении у популяции рыбок, обладающих этим признаком.
У мышей, полевок и лемингов описана мутация, следствием которой является заболевание злокачественным папилломатозом, который приводит к разрастанию роговой выстилки эпителия желудка, где появляются многочисленные ворсинки – папиллы. Такие животные в конце концов гибнут, однако обычно успевают дать несколько пометов и передать этот ген потомству. У африканского хомяка Mystromys (подсемейство Cricetinae), азиатских роющих грызунов цокоров Myospalax, африканских роющих грызунов Tachyoryctes и представителей совсем другого подотряда грызунов – африканских землекопов Cryptomys — было обнаружено существование ворсинчатого эпителия в желудке, полностью копирующего злокачественные новообразования при папилломатозе. Такие ворсинки способствуют развитию в желудке симбиотических микроорганизмов, участвующих в расщеплении клетчатки до моносахаридов.
Таким образом, мутация папилломатоза, при которой формирование ворсинок сдвинулось на ранние этапы онтогенеза, смогла зафиксироваться у неродственных видов грызунов, обеспечив морфологическую основу для симбиоза с микроорганизмами, что способствовало биологическому прогрессу данных групп.
Таким образом, мы видим, что опухоли и/или опухолеподобные процессы могли играть положительную роль в прогрессивной эволюции организмов, в частности, при возникновении новых типов клеток и новых органов.+++
###3###Начиная с 1970-х годов нас привлекала проблема эволюционной роли опухолей и взаимосвязи процессов, протекающих на разных уровнях организации – макромолекулярном, клеточном и многоклеточном уровнях. В результате была развита гипотеза об эволюционной роли опухолей в происхождении новых клеточных типов, опубликованная в серии статей. Суть гипотезы состоит в следующем.
По мере эволюции генома и увеличения числа новых генов в геномах эволюционирующих организмов должны были иметь место усиление генной конкуренции и возникновение отношений несовместимости между генами. Поэтому предшествующие клеточные типы многоклеточных организмов не обладали способностью обеспечивать экспрессию эволюционно новых генов. Под эволюционно новыми генами мы понимаем гены, возникшие относительно недавно в эволюции данного вида многоклеточных организмов. Из-за генной конкуренции они некоторое время могут не экспрессироваться в клетках данного организма, т. е. быть «молчащими», или «спящими» генами.
Для экспрессии эволюционно новых и/или спящих генов и появления новых клеточных типов организму необходимы избыточные клеточные массы. Предсуществующие клеточные типы не могут давать избыточные клеточные массы из-за регуляции и наличия достаточно жестких ограничений числа возможных делений. Именно опухоли могли быть тем процессом, который снабжал эволюционирующие многоклеточные организмы избыточными клеточными массами для экспрессии эволюционно новых и/или спящих генов.
Таким образом, мы полагаем, что опухоли могли быть полигоном (или резервуаром) экспрессии эволюционно новых и/или спящих генов, возникающих в процессе эволюции генома в клетках зародышевой плазмы (но не в клетках опухолей!).
В тех случаях, когда экспрессия эволюционно нового гена в клетках опухоли приводила к возникновению новой функции, одновременно возникали новые обратные связи и регуляция. Клетки опухоли дифференцировались, и возникал новый тип клеток для данного вида многоклеточных организмов, который наследовался благодаря эпигеномным механизмам, как и предсуществовавшие типы клеток.
Популяции организмов-опухоленосителей, у которых опухоли были генетически или эпигенетически детерминированы, могли представлять переходные формы между видами организмов, находящихся на разных ступенях прогрессивной эволюции. Примером такого рода популяций опухоленосителей могут быть гадрозавры.
В определенные периоды филогенеза дифференцировка опухолевых клеток в популяциях опухоленосителей должна была быть достаточно частым явлением, чтобы давать популяции организмов с новым типом клеток. Организмы с новым клеточным типом затем должны были подвергаться отбору на приспособленность и конкурентоспособность. Примером могут служить рыбы рода Xiphophorus.
Новые типы клеток могли принимать участие в образовании новых тканей и органов. Примером могут служить клубеньки у бобовых, которые иногда называют новыми органами. У различных видов гадрозавров встречаются необычные костные разрастания на голове, имеющие форму гребня и участвовавшие в издании различных звуков.
Образование нового типа клеток является редким эволюционным событием и связано с прогрессивной эволюцией. В частности, у млекопитающих насчитывается только от 200 до 500 специализированных клеточных типов. Таким образом, если опухоли действительно играли роль в происхождении новых клеточных типов у многоклеточных животных, это должно было быть достаточно редким эволюционным явлением.+++
###4###Гипотеза положительной эволюционной роли опухолей не только позволяет объяснить и систематизировать большое количество наблюдений и экспериментальных фактов, но и сделать неочевидные экспериментально проверяемые предсказания. Одним из таких предсказаний является утверждение об активации в опухолях эволюционно новых и/или спящих генов.
Начиная с 1980-х годов мы работали над экспериментальным доказательством этого предсказания.
Методами молекулярной гибридизации нам удалось показать, что в опухолях млекопитающих экспрессируются последовательности, не экспрессирующиеся ни в одной экспериментально доступной нормальной ткани.
К концу 1990-х годов накопилось большое количество кДНКовых библиотек из самых разнообразных нормальных и опухолевых тканей, последовательности кДНК которых были доступны через соответствующие базы данных. Мы осуществили глобальное сравнение всех опухолевых последовательностей, т. е. последовательностей кДНК из всех опухолевых кДНКовых библиотек, и всех нормальных последовательностей, т. е. последовательностей кДНК из всех доступных кДНКовых библиотек, полученных из нормальных тканей.
Как мы и предсказывали, в опухолях действительно была обнаружена экспрессия десятков и сотен последовательностей, не экспрессирующихся в нормальных тканях.
Результаты сравнения были описаны в статьях А. В. Барановой и соавторов.
Мы также предприняли эксперименты по подтверждению специфичности опухолевой экспрессии последовательностей, выявленных с помощью глобального КДД.
Всего нами было изучено экспериментально 56 последовательностей из описанных. Для 9 из них была подтверждена специфичность опухолевой экспрессии. Затем мы предприняли изучение их эволюционной новизны. С использованием молекулярно-биологических методов, методов сравнительной геномики и анализа эволюционной консервативности последовательностей нам удалось показать, что
шесть из этих девяти последовательностей являются эволюционно новыми: две из них возникают у человека, одна – у приматов,
а другие три имеют ортологов (гены филогенетически родственных организмов, разошедшихся в процессе видообразования) только у млекопитающих и эволюционируют нейтрально, о чем свидетельствуют скорость нуклеотидных замен и отсутствие консервативных фрагментов и консервативных участков вторичной структуры в их составе.
Таким образом, нетривиальное предсказание нашей гипотезы об активации экспрессии эволюционно новых и/или спящих последовательностей в опухолях получило экспериментальное подтверждение в наших работах.
Позитивный отбор большого количества ассоциированных с опухолями генов в эволюции приматов прямо подтверждает предположение об экспрессии эволюционно новых генов и отбора на новую функцию в опухолях. Если эволюционно новый ген экспрессируется в опухоли, или последовательность, которая развивается нейтрально и экспрессируется в опухолях, обретает функцию и становится эволюционно новым геном, то, как следует из гипотезы, непременно будет иметь место отбор по этой новой функции. Такой отбор называется позитивной селекцией и связан с более высокой скоростью замещения аминокислот в эволюционирующих белках в организмах потомства. Именно это явление было обнаружено в исследовании, упомянутом выше, в котором описывается эволюция организмов, а не соматическая эволюция опухолевых клеток.
Итак, мы видим, что опухоли могут играть положительную роль в эволюции, предоставляя эволюционирующим многоклеточным организмам избыточные клеточные массы для экспрессии эволюционно новых генов. Популяции организмов-опухоленосителей могли быть переходными формами между существующими видами организмов на различных ступенях прогрессивной эволюции.
Гипотеза эволюции путем дифференцировки опухолевых клеток объясняет возможные механизмы возникновения новых клеточных типов в многоклеточных организмах, что не может быть связано только с возникновением эволюционно новых генов. Эта гипотеза объясняет парадокс позитивной селекции ассоциированных с опухолями генов в поколениях приматов, что невозможно объяснить никаким другим способом. Гипотеза дает возможность сформулировать нетривиальные предположения, планировать новые эксперименты и получать оригинальные данные.
Теория возможной роли опухолей в эволюции новых типов клеток как новая научная парадигма может значительно расширить наше понимание природы опухолей и возможностей для влияния на опухолевые процессы.+++
###5###От редакции
Учитывая нетривиальность и даже парадоксальность озвученной профессором Андреем Козловым эволюционной онкотеории, мы решили задать лектору несколько вопросов. Некоторые из них, без всякого сомнения, уже пришли в голову его слушателям.
— У более простых организмов, вплоть до низших, проявление злокачественности опухолей падает и наоборот. В свете новой парадигмы, как можно объяснить положительную корреляцию злокачественности и сложности?
— Обнаружены опухоли у моллюсков и рыб, которые тоже злокачественные. Действительно, корреляция злокачественности со сложностью имеет место и может являться фундаментальным законом, как это имеет место у трансурановых элементов.
— Есть ли у эволюционной теории опухолей прикладной эффект в терапии и профилактике рака? Каким, в свете дальнейшего развития теории, он мог бы быть?
— Теория развивается 32 года, если считать с публикации в J. Theor. Biol. 1979. Благодаря теории был открыт предсказанный ею феномен опухолеспецифической экспрессии эволюционно новых генов и открыт новый класс генов, экспрессирующихся в опухолях. Были обнаружены гены/последовательности с почти 100% опухолеспецифической экспрессией, экспрессирующиеся во многих опухолях. Таким образом, можно думать об универсальных мишенях опухолевой диагностики, профилактики и лечения.
— Корректно ли утверждение, что, согласно новой парадигме, опухоль — «друг» эволюции, а не ее «враг»? Реально ли в таком случае победить рак? Не означает ли борьба с раком борьбу с одним из важных механизмов эволюции?
— Получается, что да, такой же «друг», как мутация. Вместе с тем это не пессимистический вывод — если эволюция использовала опухоли в своих целях, то мы тоже сможем сделать это.
— Какое значение понимание опухолей как эволюционных полигонов для экспрессии новых генов может иметь для понимания эволюции человеческого мозга?
— Мне вообще мозг напоминает большую опухоль. В мозгу наибольшая (по сравнению с другими тканями и органами) экспрессия генов. Точнее сказать, наибольшее число генов экспрессируется. Сейчас много занимаются генами, связанными с эволюцией мозга. Опухоли как полигон экспрессии могут отрабатывать гены, экспрессирующиеся затем в мозгу.+++