Еще не так давно ученые надеялись найти секрет победы над раком в изучении отдельных мутаций. Оказалось, однако, что изменения в геноме, превращающие обыкновенную клетку в раковую, многочисленны, сложны и разнообразны. Каждая опухоль — уникальная генетическая мозаика, а раковые клетки эволюционируют прямо в организме пациента. В этом материале мы поговорим о том, что новое понимание рака меняет для всех нас.
В проекте «Биодизайн» вместе с Сеченовским Университетом мы рассказываем, как медицина становится все более персонализированной, зачем нам нужны биобанки и есть ли они в России, а также сможем ли мы отказаться от исследований на мышах, собаках и обезьянах.
Часть 1. Рак — это мутации
О том, что причина рака — сбой механизмов передачи наследственной информации, ученые начали догадываться больше сотни лет назад. С середины XIX века начала формироваться мутационная теория рака. Традиционно ее историю отсчитывают с работы немецкого биолога Теодора Бовери Zur Frage der Entstehung maligner Tumoren («Об истоках злокачественных опухолей»). В ней Бовери предположил, что опухоли возникают вследствие потери ключевых клеточных характеристик. Однако Бовери не мог знать, какова природа этих потерь. Он описывал в первую очередь роль хромосомных аномалий, но предполагал, что опухоли могут возникать и в результате таких генетических изменений, которые не затрагивают целые хромосомы и которые по этой причине невозможно обнаружить, исследуя хромосомы под микроскопом.
От хромосом — к отдельным генам
Бовери не занимался исследованием рака у человека — к этому приступили его последователи и спустя полвека обнаружили подтип рака, развитие которого бывает связано с заметной деформацией хромосомы. Это была одна из разновидностей хронического миелоидного лейкоза (CML). Необычно маленькую хромосому, встретившуюся ученым Питеру Новеллу и Дэвиду Хангерфорду в лейкоцитах больных CML, назвали по городу, где проводили исследования, — филадельфийской хромосомой.
В 1973 году американская исследовательница генетики рака Джанет Роули объяснила природу деформации филадельфийской хромосомы. Используя относительно простые техники окрашивания препаратов — Роули часто подчеркивала, что для ее исследований не требовалось «космических» технологий, — она показала, что филадельфийская хромосома есть результат транслокации — мутации, при которой участок хромосомы переносится на другую, негомологичную хромосому. В случае с филадельфийской хромосомой это был перенос генетического материала с 9-й на 22-ю хромосому, и наоборот.
История исследования филадельфийской хромосомы прекрасно отражает прогресс в изучении механизмов онкогенеза. Спустя 20 лет после работы Роули были описаны конкретные гены, на активность которых влияет транслокация 9-й и 22-й хромосом. Было показано, что в результате транслокации образуются химерные гены — комбинации нуклеотидных последовательностей BCR 22-й хромосомы и протоонкогена ABL 9-й хромосомы. Продукты экспрессии этих химерных генов связаны с развитием разных подтипов лейкемии.
Гены, ответственные за рак
Исследователи, которые продемонстрировали, как химерные гены BCR/ABL влияют на развитие лейкоза, опирались на работы своих предшественников, которые показали, какие генетические изменения приводят к развитию рака и как они это делают. Пионерами в разработке той теории была группа американских исследователей Калифорнийского университета: Джон Бишоп, Харолд Вармус и Доминик Стеелин. Они исследовали известный с начала XX века вирус, вызывающий рак у кур.
Бишоп и Вармус открыли куриный ген, аналогичный гену ретровируса, после встраивания которого в ДНК у кур развивалось заболевание. Дальнейшие исследования структуры обоих генов показали, что в вирусном варианте отсутствовал ингибиторный участок, регулирующий активность гена. Ген src (от английского sarcoma — «саркома») кодирует протеинкиназу — фермент, который участвует в ответе на факторы роста в ходе нормального развития организма. Вирусный вариант этого гена стимулирует деление клеток даже в отсутствие факторов роста. Другими словами, нормальные гены, претерпевшие изменения структуры и функции, могут вызывать рак. За это открытие Бишоп и Вармус получили в 1989 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
За открытием Бишопа и Вармуса последовали открытия десятков протоонкогенов, которые в результате спонтанных изменений или изменений под действием канцерогенных веществ, радиации, вирусов могут превращаться в онкогены.
В некоторых случаях имеет место потеря функции нормального гена — например, генов, регулирующих клеточное деление или участвующих в запуске клеточной смерти. Тогда клетка ведет себя как автомобиль со сломанными тормозами — становится неуправляемой. Один из важных протоонкогенов такого типа (генов-супрессоров опухолей) называется TP53. Он кодирует фосфопротеин p53, который в норме почти не экспрессируется, но активируется в клетках, переживших разного рода стресс. TP53 активирует несколько других генов, которые вместе останавливают клеточный цикл, не давая клетке делиться, — и тогда запускаются процессы репарации поврежденной ДНК.
Иногда активация TP53 и последующая активация других генов запускают апоптоз. Мутации в TP53 приводят к тому, что клетка с поврежденной ДНК продолжает делиться, репарация ДНК оказывается затруднена — так возникает популяция генетически нестабильных клеток. Мутации в TP53 обнаруживают в 60 процентах случаев рака толстой кишки, желудка, пищевода, в 70 процентах случаев рака легких и во многих других видах рака разных тканей и органов.
В других случаях мутантный ген приобретает новую функцию или лишается последовательностей, лимитирующих экспрессию, — и это тоже приводит к неконтролируемому делению. Так происходит, например, при некоторых мутациях в гене BRAF, которые приводят к усилению клеточного сигнала, направленного на рост клеток. Известно несколько десятков мутаций в BRAF, приводящих к развитию рака кожи, легких, щитовидной железы и некоторых других тканей и органов.
Эпигенетика
В 1980-е годы появились первые исследования, показывающие, что раку сопутствуют — а может быть, даже запускают его — изменения в ДНК, не затрагивающие нуклеотидной последовательности. Такие изменения называются эпигенетическими; один из самых хорошо изученных вариантов — изменение метилирования ДНК. При метилировании метильная группа (-CH3) присоединяется к определенному участку нуклеотидной цепочки.
Присутствие или отсутствие метильной группы может делать ген более или менее доступным для молекул, участвующих в транскрипции ДНК, и тем самым менять уровень экспрессии гена.
Сейчас известно о роли сниженного метилирования в гиперэкспрессии распространенных онкогенов, таких как ген HRAS, или, наоборот, подавления экспрессии генов-супрессоров опухолей. Само по себе избыточное или сниженное метилирование не передается от материнской клетки к дочерним. Однако исследования последних лет показали, что гипо/гиперметилирование может быть причиной хромосомных аномалий, в результате которых появляются клетки, несущие уже не эпигенетические, а генетические изменения.
Рак и наследственность
В середине 1990-х годов были определены гены, ответственные за наследственные формы рака груди и яичников, — BRCA1 и BRCA2. Сейчас их относят к важной разновидности генов-супрессоров опухолей, которая называется caretaker genes (русский перевод еще не устоялся). К ним относят гены, которые кодируют белки, участвующие в процессах репарации ДНК; мутации в таких генах или их инактивация приводят к накоплению замен, разрывов, запутываний ДНК и часто к развитию опухоли.
К другой разновидности генов-супрессоров опухолей (в англоязычной литературе — gatekeeper genes) относят гены, регулирующие рост опухоли. Они кодируют белки, которые стимулируют или тормозят деление, дифференциацию клеток или апоптоз. С конца 1990-х принято считать, что одновременное изменение функции gatekeeper genes и caretaker genes почти наверняка приводит к развитию рака; особенно эта корреляция сильна для разновидностей заболевания, которые передаются по наследству.
В 2000-е годы список генетических механизмов онкогенеза пополнился ошибками в работе теломераз — концевых участков хромосом, которые в норме защищают хромосомы. С каждым делением теломеры в соматических клетках укорачиваются, пока не станут совсем короткими, и тогда клетка прекращает делиться. Ген, кодирующий фермент, ответственный за сборку теломер, а именно теломеразу, как правило, неактивен у соматических клеток, но в 2004 году было показано, что в стволовых и раковых клетках теломераза активно экспрессируется. Активность этого гена позволяет раковым клеткам делиться бесконтрольно; теломеразу находят в 85–95 процентах случаев рака у человека.
Часть 2. Рак и его геном. Новые генетические/эпигенетические механизмы онкогенеза и развития рака
Начатый в 1990-м и законченный в 2003 году проект «Геном человека» (The Human Genome Project) положил начало глубокому исследованию генетических механизмов разных заболеваний, в том числе рака. В начале 1990-х технологии секвенирования ДНК были настолько дорогими и медленными, что многие участники «Генома человека» высказывались за остановку проекта: представлялось более разумным подождать, пока технологии не станут дешевле и быстрее. Проект, тем не менее, был начат, а к его завершению через 13 лет чтение ДНК уже стало существенно менее затратным делом. Поэтому, когда в 2005 году был начат проект «Атлас генома рака» (The Cancer Genome Atlas, TCGA), он шел уже значительно быстрее.
«Атлас генома рака» завершился в 2018 году публикацией сборника статей о результатах работы. За это время ученые описали больше 20 тысяч первичных опухолей 33 разных типов. Объединенные в открытые базы данных, профили этих опухолей, а также тех, что были исследованы в других масштабных проектах, сейчас составляют основу изучения генетики рака. Этим и последующим проектам мы обязаны новым пониманием развития рака и перестроек ДНК в ходе его развития.
В 2011 году было описано явление хромотрипсиса — клеточной катастрофы, при которой клетка приобретает сразу десятки или даже сотни мутаций и хромосомных перестроек. Ранее считалось, что мутации накапливаются в течение долгого времени и в течение многих клеточных циклов. Хромотрипсис оказался спутником четверти всех костных раков.
Через год была опровергнута и гипотеза о том, что мутации, связанные с развитием рака, всегда бывают рассыпаны по всему геному. Группа исследователей, работавших в рамках Cancer Genome Project, описала относительно маленькие участки генома, в которых мутации накапливались особенно быстро. Этот феномен исследователи назвали катаэгисом — от греческого «шторм, буря». Причины его пока не ясны, но его используют как диагностический параметр: пациенты с катаэгисом обычно живут меньше, чем пациенты без него.
В 2013 году было опубликовано первое исследование с описанием хромоплексии — почти одномоментной масштабной перестройки ДНК, которая приводит к нарушению регуляции сразу многих генов.
Эти и другие открытия заложили основу нового, эволюционного понимания рака. Одним из первых такой подход изложил в 1976 году Питер Новелл — тот самый, что вместе с Дэвидом Хангерфордом открыл филадельфийскую хромосому. «Популяции опухолевых клеток, по-видимому, отличаются бóльшей генетической нестабильностью, чем популяции нормальных клеток», — написал Новелл 46 лет назад. В наши дни эту нестабильность описывают с помощью современных технологий на уровне отдельных генов.
Часть 3. Рак эволюционирует. Что это значит для теории и клиники — разбираем на примере исследования НЦМУ
Рак подвержен эволюции, как и все живое, и эта эволюция происходит в каждом пациенте и в каждой отдельной опухоли. Раковые клетки, несущие несовместимые с жизнью мутации, не делятся и не передают эти мутации следующим поколениям клеток. И наоборот, наборы генетических изменений, которые позволяют раковым клеткам избегать воздействия лекарств, уворачиваться от атак иммунной системы и продолжать делиться, выживают.
У одного и того же пациента в одной и той же опухоли или группе опухолей могут одновременно присутствовать раковые клетки с разными генетическими профилями — устойчивые и неустойчивые к терапии. Поэтому для правильного прогноза и назначения самой эффективной для конкретного пациента терапии необходим анализ ДНК клеток конкретного пациента.
Соотнесение генетических данных пациента и данных о том, как реагируют на разные виды терапии разные виды рака с разными генетическими профилями, — задача не для человеческого ума. Слишком большие объемы данных приходится учитывать для того, чтобы принимать решения. В современной онкологии все большее значение приобретает программное обеспечение, которое анализирует данные и делает выводы, помогая врачу.
Ученые из Научного центра мирового уровня (НЦМУ) «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» создали алгоритм, определяющий эффективность таргетной терапии при раке почки по данным пациента.
Мутации гена, кодирующего рецептор эпидермального фактора роста EGF, часто бывают напрямую связаны с развитием рака. Существуют препараты, которые избирательно блокируют каскад биохимических реакций, запускающийся в результате активации EGF.
Исследователи из НЦМУ показали, что эффективность этих препаратов зависит в том числе от состава сыворотки крови пациента, а именно от концентрации в ней EGF. Ученые также установили «генетическую подпись» — набор характеристик раковой ДНК, при которой терапия рака почки с помощью EGFR-ингибиторов наиболее эффективна. Алгоритм будет использовать и генетические данные пациента, и данные о концентрации EGF в крови.
Использование алгоритма позволит назначать таргетную терапию только пациентам, которые с наибольшей вероятностью ответят на нее. Ожидается, что алгоритм увеличит эффективность назначения таргетной терапии на 28 процентов.
Другие современные прогностические инструменты используют взаимоотношения между раковыми клетками и иммунной системой, выявляют случаи раков, наиболее чутко реагирующих на гормональную терапию. Точный генетический профайлинг, кроме прочего, позволяет отделять предраковые состояния, не требующие лечения, от тех, что нуждаются в терапии. Чем больше мы знаем о сложных взаимодействиях и эволюции «сломанных» генов раковых клеток, тем точнее наши диагнозы — и успешнее лечение.