Чаще всего мы смотрим на опухоль как на жестокого, хитрого и опасного врага, и не без причины, конечно. Однако, возможно, всё не так однозначно (как часто бывает в случае с антагонистами). Сейчас учёные разрабатывают теорию, в которой новообразования, если смотреть на них в эволюционных масштабах, выступают способом поиска инноваций. Чтобы вы могли разобраться в этой теме, мы собрали тезисы из эссе студентки Политеха Анны Шевченко по книге «Эволюция путем неофункционализации опухолей. Новообразования как фактор прогрессивной эволюции» исследователя Андрея Козлова.
Наши предки эволюционировали в саваннах периода плейстоцена и адаптировались к этой среде. С тех пор жизнь человека сильно изменилась, исчезли многие факторы отбора и появились новые. С другой стороны, с точки зрения генетики, люди так и остались охотниками-собирателями каменного века.
Всего лишь 10 000 лет назад, когда человек начал выращивать растения и одомашнивать животных, в его рационе случился грандиозный сдвиг: появилась новая диета, содержащая злаки, сахара, молоко, чистые жиры и соль. Исследователи полагают, что людям требуется больше времени, чтобы полностью адаптироваться к современному типу питания. Это несоответствие провоцирует возникновение хронических дегенеративных нарушений. Многие современные болезни, включая ожирение, сахарный диабет, гипертонию, атеросклероз, зубной кариес, миопию, рак, могут быть названы «болезнями цивилизации».
Противоречивость мутаций
Парадокс эволюции заключается в двойственной роли мутаций в эволюционном и патологическом процессах. С одной стороны, большинство мутаций вызывают негативные последствия для организма. С другой же, мутации — одна из движущих сил эволюции, без которой она была бы невозможна. Опухоли широко распространены среди многоклеточных организмов. Многие из них генетически и эпигенетически обусловлены и могут наследоваться. Значительная часть опухолей никогда не убивает своих хозяев.
Рак — болезнь дифференцировки
У многоклеточных животных многие ткани постоянно обновляются, что обеспечивается делением клеток. В быстро обновляемых тканях — крови, коже, эпителии пищеварительного тракта — есть набор тканевых стволовых клеток*, способных восстановить ткань за короткое время. В норме их деление завершается дифференцировкой, а дифференцированные клетки не делятся. Нарушение этого гармонично согласованного механизма приводит к трансформации клетки и в конечном итоге к онкологической катастрофе.
* Стволовые клетки — не имеющие специализации клетки организма, которые в ходе митотического деления могут дать начало клеткам, уже заточенным на выполнение определенных функций.
Важный вопрос — что заставляет клетку выбрать один из 4 вариантов:
— включать программу запрограммированной смерти;
— оставаться стволовой клеткой, сохраняя способность к неограниченному делению;
— дифференцироваться как нормальные клетки из ее тканевого окружения, теряя способность к делению;
— малигнизироваться (превращаться в злокачественную опухоль), утратив контроль со стороны организма, но приобретя способность к неограниченному росту своих потомков.
Так какой же биологический смысл в смерти всего организма из-за трансформации одной клетки? Конкретному организму опухоль бесполезна, даже вредна, но она выгодна популяции и виду как резервуар клеток для реализации функций эволюционно новых генов и формирования новых типов клеток и, как следствие, новых тканей и органов. Опухоли играют роль «поискового локомотива» для инноваций.
Эволюционная биология развития (англ. evolutionary developmental biology, evo-devo) — область биологии, которая, сравнивая онтогенез различных организмов, устанавливает родственные связи между ними и выясняет развитие онтогенетических процессов в ходе эволюции.
Carcino-evo-devo — теория, где опухоли источник избыточных клеточных масс и могут быть использованы в эволюции многоклеточных организмов для экспрессии эволюционно новых генов, для образования новых типов дифференцированных клеток, обладающих новыми функциями, и для построения новых структур, которые становятся эволюционными морфологическими инновациями.
Органы растений и животных, повторяющие некоторые признаки опухолей
РАСТЕНИЯ. Корневые клубеньки бобовых растений, симбиотически связанные с бактериями ризобиями, — пример ситуации, в которой опухоли растений приобретают новую функцию. Нитрогеназа, фермент, восстанавливающий атмосферный азот, закодирована в бактериальном геноме. Фиксация атмосферного азота — важная функция, в которую были вовлечены многие новые для растения гены.
Существенное отличие азотфиксирующих клубеньков от корончатых галлов, опухолей, вызванных бактериями A. tumefaciens, состоит в том, что сосредоточенный в клубеньках азот потребляется растением-хозяином, в результате чего появляются регулируемая функция и новый орган. Напротив, опины, синтезируемые в опухолях, образование которых спровоцировано бактериями, используются исключительно самими бактериями, поэтому корончатые галлы — пример паразитизма, который вреден для растения-хозяина.
РЫБЫ. Более 1500 лет селекции Carassius auratus в Китае и Японии привели к появлению различных разновидностей золотых рыбок, таких как Oranda, Red cap Oranda, Lionhead, Ranchu. Некоторые из этих разновидностей развивают своеобразные шапочки на голове, иногда закрывающие всю поверхность головы и создающие трудности в дыхании и питании. У рыбок с шапочками начиная с двухмесячного возраста наблюдалась неравномерная гиперплазия эпителия, увеличивающаяся с возрастом.
Разновидность золотых рыбок, у которых развиваются шапочки, отбиралась селекционерами в течение нескольких сотен лет. Привлекательный вид шапочек был определяющим фактором селекции и привел к успешному росту популяции рыбок с этим признаком. Как показал анализ, шапочки оказались доброкачественными папилломами. Таким образом, доброкачественные опухоли подвергались искусственному отбору с образованием нового органа, шапочки. Это первый пример искусственного отбора доброкачественных опухолей, описанный в литературе. Возможность искусственного отбора опухолей предполагает, что естественный отбор опухолей также возможен.
МЛЕКОПИТАЮЩИЕ. Опухолевые признаки отмечены у четырех эволюционно новых органов млекопитающих:
— плаценты
— молочной железы
— предстательной железы
— мозга
Наибольшей частотой развития рака характеризуются молочная железа и предстательная железа. Высокая частота рака в этих органах связана с их эволюционной новизной.
Для обозначения таких органов используется термин «опухолеподобный орган».
К новообразованиям, которые могли бы играть роль в эволюции, относятся наследуемые опухоли, эмбриональные опухоли, опухоли новорожденных и детей раннего возраста, доброкачественные новообразования, карциномы in situ и псевдоболезни, опухоли на ранних и промежуточных стадиях прогрессии, опухоли, которые спонтанно регрессируют вследствие дифференцировки, а также дремлющие опухоли (dormant tumors) или опухоли в состоянии равновесия. Злокачественные опухоли на поздних стадиях прогрессии не могут играть такую роль, хотя были описаны случаи спонтанной регрессии злокачественных опухолей.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы узнавать о научных концепциях, переворачивающих наш взгляд на мир с ног на голову!
Читать ещё об исследованиях новообразований: