В исследовании, которое явно вызовет немало споров, двое исследователей заявили, что 60−66 процентов всех раковых мутаций — это результат случайных ошибок в копировании ДНК, то есть, по сути, они неизбежны.
есятилетиями считалось, что рак — это результат наследственности или факторов окружающей среды, или же комбинация того и другого. Новое исследование университета Джона Хопкинса предполагает, что есть третий фактор, который становится причиной неконтролируемого размножения мутировавших клеток — случайные и непредсказуемые ошибки копирования, происходящие при репликации ДНК. У этого открытия есть два следствия: во-первых, около 60% случаев рака не зависят от наследственности или образа жизни, во-вторых, на основе этого открытия можно разработать новые методы для ранних стадий рака, когда тот еще подвергается лечению. Исследование опубликовано в журнале Science.
«Каждый раз, когда нормальная клетка делится, она совершает несколько ошибок, называемых мутациями», — говорит Берт Фогельштейн, один из авторов исследования. Эти мутации случайны и не всегда вредны, но иногда случаются в генах, способных вызвать рак, и по сути это не что иное как неудача, иначе такой процесс назвать сложно.
У различных типов рака такие «случайные» виды имеют разный процент. Например, у рака печени 77% случаев являются результатом ошибок при репликации, 18% случаются из-за окружающей среды, а оставшиеся пять являются результатом наследственности. Рак простаты, мозга и костей является следствием случайных ошибок в генах в 95%, а вот у рака легких 65% случаев происходят из-за факторов внешней среды, тогда как, например, наследственность практически не играет роли в его возникновении.
Причина таких различий заключается в том, говорят исследователи, что не все ткани созданы одинаково. Некоторые клетки, по причинам, которые еще предстоит выяснить, более подвержены мутациям, чем другие. Возможно, они реплицируют с большей частотой, а значит, у них есть больший шанс на мутацию. «Чем больше в тканях стволовых клеток, тем больше мутаций», — говорит Фогельштейн.
Фогельштейн и его коллега Кристиан Томазетти надеются, что их работа вдохновит других исследователей на лучшее понимание рисков опухолей, а также даст новое средство для превентивных мер. Они также говорят, что лечение рака на самых ранних стадиях крайне недооценено и мало исследовано, и их работа может послужить толчком в этом направлении.
Как известно, ткани организма постоянно обновляются благодаря резерву собственных стволовых клеток: у крови они одни, у кишечного эпителия – другие, у кожи – третьи и т. д. Скорость деления у них отличается, отличается и число делений, которые стволовая клетка претерпевает за свою жизнь.
С другой стороны, как опять же хорошо известно, разные виды рака имеют разную вероятность: опухоль лёгких по статистике в 11 раз опережает опухоли мозга. Обычно такую разницу объясняют влиянием образа жизни, экологии или же плохой наследственностью. Однако, по мнению Кристиана Томасетти (Cristian Tomasetti), Берта Вогельштейна (Bert Vogelstein) и их коллег, такая разница в онкологической статистике в больше степени объясняется именно различиями в стволовых клетках: если в какой-то ткани стволовые клетки делятся энергичнее, то и вероятность рака здесь будет больше.
Работа вызвала массу споров, не в последнюю очередь потому, что те, кто ее пересказывал, иногда упускали из виду одну тонкость. Раковые заболевания возникают из-за мутаций, но обычные, дифференцированные клетки, составляющие основу органа и выполняющие всю специальную работу, не делятся и живут не слишком долго, и даже если они накопят много потенциально онкогенных мутаций, болезнь не начнётся. Стволовые клетки, напротив, живут долго, много раз делятся и могут дать начало опухоли.
Чем больше клетка делится, тем больше вероятность того, что некогда попавшая в неё онкогенная мутация сработает – в ней и в её потомках-клонах. И тут возникает вопрос: откуда в стволовой клетке может возникнуть мутация? До сих пор считалось, что основные причины онкогенных мутаций – плохая экология и нездоровый образ жизни; кроме того, есть и наследственные причины, когда онкогенная мутация переходит из поколения в поколение.
Но в клетках есть еще один, собственный источник мутаций – это аппарат репликации (удвоения) ДНК. Делящаяся клетка делает копию собственного генетического материала, и ферменты, которые занимаются таким копированием, неизбежно допускают ошибки. Большую часть ошибок исправляют системы репарации, но некоторые из них так и остаются неисправленными – считается, что при каждом делении в клетке остается в среднем три случайные мутации, возникшие из-за ошибок копирования. Очевидно, что в стволовых клетках, которые делятся много раз, подобных репликативных мутаций должно становиться все больше.
Сначала все подумали, что авторы статьи говорят именно о репликативных мутациях, что именно они, а не «мутации образа жизни» и не «мутации экологии» преимущественно становятся поводом к раку. Такой вывод для многих выглядел довольно сомнительно. Авторы тогда уточнили, что они имели в виду просто активность стволовых клеток, которые из-за способности к делению могут дать «зеленый свет» мутациям любого происхождения, хоть «экологическим», хоть наследственным, хоть репликативным. Однако сейчас Томасетти, Вогельштейн и Лу Ли (Lu Li) выпустили новую статью, в которой уже прямо утверждают, что – да, основной причиной рака служат именно те мутации, которые случились из-за копировальных ошибок.
В современной медицине злокачественные (да и не только злокачественные) заболевания документируются очень хорошо, что позволяет выполнять с накопленными данными разные научные исследования. И если в первой работе исследователи использовали онкологическую статистику только по США, то теперь они взяли сведения по 17 видам рака в 69 странах. Для начала они проверили, выполняется ли в мировом масштабе корреляция между активностью стволовых клеток и вероятностью той или иной разновидности опухоли – и оказалось, что выполняется.
Для опухолей существует также базы данных, в которых собраны их мутационные портреты (говоря про мутационный портрет рака, следует помнить о том, что даже в пределах одной опухоли набор мутаций в разных клетках может отличаться). В ДНК можно узнать дефекты, возникающие, например, из-за ультрафиолета или табачных канцерогенов, так что исследователям оставалось только построить статистическую модель, в которой можно было бы сравнить вероятность опухоли с разными мутациями. Оказалось, что в целом разные виды рака не слишком сильно зависят от наследственных дефектов ДНК – на них приходится только 5% вероятности того, что у человека появится опухоль. На внешние факторы, вроде экологии и образа жизни, приходится 29%. А вот на 66% вероятность рака зависит именно от случайных ошибок копирования.
Но в разных видах рака мутации разного происхождения встречаются в разных пропорциях: иногда они составляют всего 10%, а иногда – все 95% от общего числа мутаций. Однако, по словам исследователей, даже если рассмотреть тот вариант, когда рак в большей степени обусловлен внешними факторами, то на ошибки копирования все равно придется довольно большая доля злокачественной вероятности – целых 40%.
Иными словами, раковые опухоли в значительной мере возникают именно из-за неизбежных мутаций, накапливающихся в стволовых клетках из-за молекулярных ошибок копирования ДНК. Правда, хотя мы и сказали, что некоторые «внешние» мутации можно легко узнать, тем не менее, у нас пока нет инструмента, который бы позволял, посмотрев на любую мутацию, точно сказать, откуда она взялась: из-за ошибки копирования, из-за какого-то экологического фактора или из-за чего-то еще. Не будем забывать и о том, что мутации в раковых клетках по-разному взаимодействуют друг с другом, и что по мере развития болезни одни мутации теряют, что называется, свою актуальность, а другие, наоборот, становятся очень нужны для выживания опухоли.
Что до неточного копирования, то это один из главных инструментов эволюции – именно благодаря ошибкам в репликации возникают варианты признаков, из которых в результате отбора остаются те, которые в смысле выживания работают лучше прочих. В таком случае рак – лишь один побочных продуктов изменчивости, без которой жизнь просто не смогла бы задержаться на Земле. Вероятно, не стоит стараться повысить точность копирования, однако для понимания природы злокачественных заболеваний и для создания более эффективных способов лечения было бы полезно знать о том, какой вклад вносят мутации разного происхождения в возникновение и развитие опухоли.
Мутации, способные вызывать рак, обычно относят к двум основным категориям: наследственные и те, что возникли в результате воздействия окружающей среды. Американские ученые показали, что не менее существенным является и третий источник появления мутаций — неизбежные ошибки, возникающие в ходе удвоения ДНК. В некоторых случаях их вклад составляет более 95 процентов.
Согласно последним данным Международной Ассоциации Изучения Рака (IARC), онкологические заболевания — самая распространенная причина смерти на нашей планете. Одной из главных причин их возникновения являются изменения в последовательности ДНК, которые называются мутациями. Мутации можно получить по наследству от родителей (Н-мутации) или в результате воздействия внешней среды (С-мутации) — например, из-за курения или воздействия радиоактивного излучения. Кроме того, случайные ошибки (Р-мутации) возникают и в ходе обычного процесса репликации ДНК, например, когда фермент полимераза, строящий новую цепочку по шаблону уже имеющейся, по ошибке вставляет туда неправильные нуклеотиды-буквы. Среди других причин Р-мутаций — квантовые эффекты, влияние эндогенных активных форм кислорода и гидролитическое дезаминирование нуклеотидов.
Подсчитано, что каждый раз, когда человеческая клетка делится, у нее появляется около трех новых мутаций. Большинство этих мутаций проходит совершенно незаметно для организма, более того, ошибки репликации — это необходимая движущая сила эволюции; однако известно, что некоторые из таких мутаций или их сочетаний могут оказаться канцерогенными. Количественный вклад Р-мутаций в возникновение опасных изменений до сих пор был, однако, не вполне ясен.
Клетки, которые уже стали раковыми, прекращают свою обычную работу и начинают быстро и неконтролируемо делиться, что приводит к возникновению опухолей. Обычные же клетки обладают совершенно разной способностью к делению. Эпителий, например, занимается этим постоянно, а сформированные нейроны — вообще никогда этого не делают, и при попытках заставить их делиться в лабораторных условиях гибнут. Риск развития рака у разных тканей тоже совершенно разный, и именно это и натолкнуло исследователей на мысль о том, что причина может крыться в процессе удвоения ДНК перед делением клетки.
В эксперименте ученые исследовали взаимосвязь между скоростью репликации стволовых клеток и вероятностью возникновения онкологических заболеваний. Для этого они оценивали количество поделившихся стволовых клеток у пациентов разных возрастов и соотносили эти числа с медицинскими данными базы IARC. Оценивая вклад разных процессов, приводящих к появлению опасных мутаций, исследователи предполагали, что Р-мутаций у индивидов одного возраста будет примерно одинаковое количество, поскольку деление стволовых клеток у всех происходит примерно с одинаковой скоростью, в то время как уровни Н-мутаций или С-мутаций у разных людей могут сильно различаться. Чтобы принять во внимание влияние внешней среды, ареал исследований, первоначально проводящихся в США, был расширен до 69 разных стран и охватил в результате самые разнообразные экологические условия, 17 типов раковых заболеваний и пациентов всех возрастов.
Выяснилось, что вероятность заболеть определенным типом рака очень сильно зависит от способности клеток соответствующей ткани к делению, и, таким образом, доля репликационных ошибок среди канцерогенных мутаций очень высока. Коэффициент зависимости риска развития заболевания от скорости деления стволовых клеток везде превысил 0,7. Медиана этой корреляции составила 0,8. Это удивительные цифры — ученые предполагали, что вклад разных экологических условий сделает такой анализ невозможным, но влияние Р-мутаций оказалось неожиданно сильным.
Чтобы количественно оценить долю Р-мутаций среди всех канцерогенных изменений ДНК человека, было проведено отдельное независимое исследование. В исследуемой модели числа Н-мутаций и С-мутаций были сначала приняты за ноль. В такой прекрасной гипотетической популяции, очищенной от наследственных раковых мутаций и живущей в идеальных экологических условиях, все равно будет возникать рак — как следствие Р-мутаций. Добавляя в такую модель разные факторы, которые увеличивают влияние С-мутаций, и учитывая уже известные Н-мутации можно при сравнении результатов понять, какие мутации откуда появились.
Для того, чтобы получить соответствующие числа, ученые вначале воспользовались результатами геномного секвенирования и эпидимеологическими данными для пациентов с аденокарциномой легких (для нее не известно наследственных мутаций, но показана очень сильная корреляция с курением и менее сильная — с ионизирующим излучением, загрязнением воздуха, «пассивным» курением и другими факторами внешней среды). Расчеты проводили следующим образом: если у пациента, который курил, число мутаций было, например, в три раза большим по сравнению с некурящим пациентом, то вклад С-мутаций для них оценивался как две трети, а Р-мутаций — как одна треть. Таким образом посчитали вклад обоих типов мутаций для выборки из 20 пациентов. Выяснилось, что число канцерогенных Р-мутаций составляет в среднем 35 процентов. Согласно данным Cancer Research UK, 89 процентов случаев заболевания аденокарциномой легких можно предотвратить, если не курить, но это не противоречит тому факту, что Р-мутации у некурящих все равно будут накапливаться с той же скоростью.
После этого ученые провели подобный же анализ с экзомными и эпидемиологическими данными, касающимися панкреатической протоковой аденокарциномы, которую тоже можно предотвратить за счет изменения условий жизни, но лишь в лишь в 37 процентах случаев. Н-мутации составили около 5 процентов драйверных (опасных) канцерогенных мутаций этого типа рака, в то время как Р-мутации — целых 77 процентов.
В ходе исследования третьей группы раковых заболеваний, для которых было известно, что факторы среды и наследственные факторы для них, обычно, несущественны (это, например, рак простаты, мозга или костей), ученые подтвердили, что предполагаемые Р-мутации составляют в этом случае 95 процентов канцерогенных драйверных мутаций.
 |
| Доля Н-мутаций (наследственных), Р-мутаций (репликационных) и С-мутаций (воздействие среды) в разных типах рака у женщин |
Всего в этой части работы было изучено 32 типа рака. Для каждого из них была посчитана доля влияния всех трех типов мутаций. Вклад Р-мутаций в развитие всех раковых заболеваний в Великобритании, например, составил 66 процентов. Стоит лишний раз отметить, что эти данные не противоречат оценкам, согласно которым многие виды рака можно предотвратить путем изменения условий среды. Например, если доля Р-мутаций составляет 50 процентов, и для развития заболевания нужны ошибки в обеих копиях соответствующего гена, то, скорее всего, только одна из них появится в результате Р-мутации, а предотвращение второй может спасти человека.
Важно понимать, что мутагенез — процесс постоянный. Ученые отмечают, что несмотря на то, что канцерогенные Р-мутации предотвратить практически невозможно, нужно стараться отслеживать их возникновение, поскольку ранний диагноз и своевременное лечение раковых заболеваний гораздо чаще приводят к полному выздоровлению пациентов, чем работа с больными на поздних стадиях.