Кэт Арни
Мятежная клетка. Рак, эволюция и новая наука о жизни
Более точный диагноз удается поставить на основании кости пальца стопы, найденной в южноафриканской пещере Сварткранс – «колыбели человечества», где, как предполагается, впервые появился наш вид. Хотя точная идентификация живого существа по костным элементам, которым более полутора миллионов лет, невозможна, весьма вероятно то, что они принадлежали особи, близкой к человеку. Более того, похоже, что эта особь страдала от агрессивного типа рака кости, известного как остеосаркома, который, как правило, поражает подростков и никак не связан с условиями окружающей среды или образом жизни. На сегодняшний день это наиболее старый из идентифицированных видов рака, которыми страдали предки человека. В будущем, однако, ситуация может измениться, поскольку исследователи находят все больше древних костей, совершенствуя методы их диагностики.
Существует множество других образчиков древних разновидностей опухолей, разбросанных по всему миру. Так, доброкачественная опухоль была обнаружена в челюстной кости 250-тысячелетнего взрослого представителя Homo naledi – недавно идентифицированной группы вымерших предков человека, многочисленные кости которых обнаружены в системе пещер Восходящая звезда в ЮАР в 2015 году. В другом случае археологи нашли черепную кость предка неандертальцев, Homo heidelbergensis, который скончался, предположительно из-за опухоли мозга, около 350 тысяч лет назад в регионе Европы, сегодня называющемся Германией. Наконец, нам известно о крепко сложенной и обладавшей мощной нижней челюстью женщине чуть старше двадцати, которая 18 тысяч лет назад была захоронена в индонезийской пещере Лианг Лемдубу, где и нашли ее останки. Ее кости испещрены дырочками, которые похожи на полости, оставляемые метастатическим раком. К сожалению, к древним окаменелым скелетам не прилагаются аккуратно заполненные медицинские карты, и поэтому мы, возможно, никогда не узнаем всей правды о недугах этих давно ушедших душ.
Прогресс молекулярной биологии предлагает возможные пути решения этой проблемы. Поскольку методы исследования ДНК стали более точными и дешевыми, ученые теперь способны анализировать даже небольшие фрагменты генетического материала, собранного с исторических останков. Этот подход хорошо проявил себя при изучении мумифицированного тела Ферранте I Арагонского, одного из правителей итальянского Возрождения, в тазовых костях которого была обнаружена отлично сохранившаяся опухоль. Вид раковых клеток под микроскопом указывал на то, что они могли зародиться либо в кишечнике короля, либо в его предстательной железе. Последующее генетическое тестирование обнаружило, что в опухоли имеется дефектный ген, известный под аббревиатурой KRAS, который часто встречается в опухолях кишечника, но практически отсутствует в случаях рака предстательной железы. Это позволило поставить Ферранте окончательный диагноз всего через 500 лет после его смерти.
Тем не менее генетические методы следует признать недостаточно эффективными, поскольку они основываются на извлечении образца ДНК из опухоли либо в сохранившемся органе, либо в пораженной ею кости. Сейчас, когда нам известно о том, что даже нормальные клетки могут, судя по всему, содержать раковые мутации (см. гл. 4), такой подход приносит мало пользы. Альтернативный вариант предлагает протеомика – метод, основанный на поиске дефектных белковых молекул, которые могут служить более надежными индикаторами рака. Но идентификация белков – технически более сложная и дорогостоящая процедура, чем обычное секвенирование ДНК. По этой причине протеомный анализ пока резервируется лишь для самых необычных образцов из палеопатологических коллекций. Впрочем, стоимость его проведения все время снижается, поэтому в будущем, вероятно, его начнут применять более широко.
Несмотря на все бóльшую доступность точного инструментария, сдерживающим фактором всегда останется ограниченность запасов человеческих останков, которые можно было бы исследовать с помощью новых средств. Не обращаясь к волшебству, невозможно извлечь из-под земли статистически сбалансированную подборку скелетов, поэтому работать приходится с тем, что есть под руками. Ученым хорошо известно явление, которое называют «остеологическим парадоксом»; оно было впервые описано в 1992 году антропологом Джеймсом Вудом и его коллегами, заявившими, что никакие археологические находки не способны с полной адекватностью отразить распространение патологий в той или иной популяции. Отчасти это происходит из-за того, что некоторые люди слишком быстро умирают от болезней, которые не оставляют следов в их останках, а отчасти потому, что состояние здоровья почившего индивида можно оценить лишь на момент его смерти. Например, скелет 15-летней девочки, которая умерла 2000 лет назад, ничего не скажет вам о состоянии здоровья ее друзей, которые дожили до более зрелого возраста. При этом, однако, нам достоверно известно, что по всему миру и во многих культурах, охватывающих тысячелетия, были выявлены многочисленные виды рака, среди которых есть и те, которые по современным стандартам считаются редкими.
Имеются и другие, менее выраженные факторы, которые влияют на вероятность того, удается ли исследователям обнаруживать в археологических материалах конкретные типы людей и болезней или хотя бы информацию о них. Если, скажем, у кого-то был скоротечный рак, то такой человек мог внезапно умереть еще до получения диагноза или до того, как рак оставит след на его костях. Даже если позже проводилось вскрытие, члены семьи покойного не всегда соглашались указывать причину смерти в документах, поскольку во многих культурах рак ассоциируется со стигмой греховности или заразности. Наконец, особенности культурных традиций, сопровождающих кончину и похороны, также способны влиять на состояние останков, которые археологи, возможно, обнаружат спустя многие годы. Например, одни общества хоронили младенцев в стенах или в полу жилищ, другие разделяли могилы мужчин и женщин, а третьи погребали людей с заболеваниями типа чумы или проказы в специально отведенных местах.
Наконец, есть еще и проблема количества. Три скелета, отмеченные следами рака и обнаруженные в определенном районе, могут составлять лишь 3 % от общего населения деревни из 100 человек, 0,3 % от населения города численностью в 1000 человек или 10 % от группы из 30 человек. Возможно, рак действительно редко встречался в исторических и доисторических популяциях. Или же, наоборот, он мог быть гораздо более распространенным, чем нам кажется, поскольку ученые никогда и не занимались его поисками систематически. Размышления о новых подсказках, предоставляемых методами ДНК-анализа или белкового анализа, а также о более методичном привлечении рентгенографии или компьютерной томографии способны будоражить современного исследователя, который пытается разыскать признаки рака в древних останках. Однако не стоит забывать: чем активнее мы будем искать древние следы рака, тем больше материала нам придется обобщать.
Несмотря на то что некоторые из наиболее ярких древних случаев рака зафиксированы у мумий, на костях которых сохранилось больше плоти, чем на обычных скелетах, мы по-прежнему мало знаем о том, каким образом мумификация влияла на сохранение опухоли. Просто взять скальпель и провести вскрытие мумии нельзя, поэтому исследователи, желающие заглянуть внутрь, обращаются к компьютерной томографии. Однако, по словам Кейси Киркпатрик, нам неизвестно, насколько хорошо мумифицированные опухоли видны при сканировании, и поэтому мы можем что-то упускать, даже не догадываясь об этом. Для того чтобы внести ясность в этот вопрос, Кейси и ее коллега Дженнифер Уиллоби решили провести необычный эксперимент.
Сначала они объединились с группой ученых из близлежащей больницы, которые могли постоянно обеспечивать их мышами, страдающими от различных видов рака. Затем они мумифицировали этих маленьких животных всеми возможными способами: так, некоторые особи были сброшены в местное болото, чтобы имитировать мумии, найденные в торфяных трясинах; другие замораживались в куске льда или закапывались в горячий песок; наконец, нескольких мышей подвергли полноценному ритуалу погребения по древнеегипетским правилам, аккуратно удалив, прежде чем забинтовать тельце, крошечные внутренние органы и поместив на их место соду и натуральные смолы[2]. Завершив мумификацию, исследовательницы начали пропускать мышей через компьютерный томограф, выясняя, насколько хорошо их опухоли сохранились в процессе. Обнадеживающим открытием стало то, что признаки рака были четко видны у всех мумифицированных животных; исходя из этого, можно предположить, что компьютерная томография почти всегда фиксирует крупные опухоли, когда дело доходит до изучения мумий человека. «Рак не является современным заболеванием, – подчеркивает Киркпатрик, – им болели на протяжении всей истории. В окружающей среде есть канцерогены; кроме того, имеются генетические факторы и инфекции, которых почти невозможно избежать. Я убеждена, что об этом следует информировать публику, поскольку люди страдают, подчас считая именно себя виновными в том, что их настиг рак».
Все твари, большие и малые
Рак не является исключительно человеческим заболеванием – я твердо усвоила это с тех пор, как наша первая собака и всеобщая любимица, вельш-спрингер-спаниель по кличке Шиба, умерла от лейкоза. Однако, несмотря на встречающееся порой утверждение, согласно которому искусственно созданные условия жизни провоцируют появление опухолей не только у домашних животных, но и у самих людей, – а это, понятно, делает рак «современным заболеванием» – трактовка онкологических недугов в качестве неизбежного следствия многоклеточности подсказывает, что с ними могут столкнуться представители любого животного вида. И это действительно так, несмотря на некоторые примечательные исключения.
В 2014 году хорватский генетик Томислав Домазет-Лошо и его коллеги из Кильского университета в Германии опубликовали ошеломившую многих статью, в которой описывались опухоли, встречающиеся у двух разных видов крошечного пресноводного существа, называемого Hydra, – самого простого из всех организмов, у которого на данный момент зафиксировано развитие рака. Представляя собой не более чем трубку со щупальцами, каждая гидра состоит из двух клеточных слоев, которые поддерживаются тремя отдельными группами стволовых клеток. В то время как две из них отвечают за образование слоев самой трубки, третья группа, состоящая из интерстициальных стволовых клеток, многофункциональна: она способна производить различные части тела гидры, а также ее половые клетки, которые в конечном счете становятся яйцеклетками и сперматозоидами. Именно из этих стволовых клеток, каким-то образом сбившихся с пути в процессе превращения в яйцеклетки, и растет опухоль. Трудно сказать, способна ли гидра ощущать недомогание, но наличие рака, вне всякого сомнения, оказывает на нее влияние, заметно снижая темпы роста и фертильность. Важно подчеркнуть, что Домазет-Лошо и его команда никоим образом не вмешивались в жизнь этих существ, например вызывая изменения их генома или добавляя в воду химические вещества, – опухоли возникали абсолютно спонтанно. Это открытие поднимает интересный вопрос: если рак может развиться в столь примитивном создании, как Hydra, то какова ситуация с другими животными?
Среди тех, кто пытается разобраться в этом, – Эми Бодди, доцент кафедры антропологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Руководимая ею команда собрала впечатляющий массив данных о возникновении опухолей у большого числа видов, реализуя подход, называемый сравнительной онкологией.
«Одна из самых сложных задач – решить, как именно будет определяться наличие рака, особенно в свете того, что в поле нашего внимания попадают абсолютно непохожие друг на друга организмы. Так, можно с уверенностью говорить о том, что рак у собаки или мыши будет похож на человеческую опухоль; но как насчет необычных клеток внутри мидии или своеобразного нароста на грибе? Начав рассуждать о понятии рака применительно к другим организмам, быстро понимаешь, насколько мало мы знаем об этом заболевании, – говорит Бодди. – Когда мы написали свой первый обзор о раке, охватывающий все древо жизни, разразился горячий спор по поводу того, что именно мы должны классифицировать как рак, поскольку его медицинское определение слишком уж ориентировано на человека».
Наличие инвазивного рака у людей определяется тем, преодолели ли опухолевые клетки базальную мембрану – тонкий защитный слой молекулярной пленки, оборачивающий наши ткани и органы. У многих организмов такого барьерного слоя нет, но и они тем не менее могут подвергаться воздействию клеток-«изгоев», принявшихся бесконтрольно размножаться. На растениях, скажем, образуются крупные наросты – галлы, которые обычно являются следствиями бактериальной, вирусной, грибковой инфекции или жизнедеятельности пчел. В природе встречаются и другие странные явления, подобные, например, фасциированным кактусам, о которых мы поговорим в следующей главе.
Наросты, подобные опухоли, можно встретить у красных водорослей, и даже грибковые культуры от них не свободны: неинвазивные новообразования фиксируются у грибов, а обычная плесень может разрастаться чрезвычайно интенсивно. Хотя подобные наросты и шишки являются симптомами излишне активного воспроизведения клеток, видеть в них рак не совсем правильно, поскольку жесткие клеточные стенки и прочные внутренние структуры грибов и растений блокируют распространение больных клеток по организму.
Если говорить о животных, то рак обнаруживается практически везде, куда ни обратишь взор. Недавно опубликованный список животных с подтвержденными случаями рака занимает более двадцати страниц, а перечень морских существ, у которых были обнаружены опухоли, выглядит как меню самого изощренного суши-бара: здесь упомянуты сердцевидка, двустворчатые моллюски, крабы, сом, пещерные рыбы, треска, кораллы и венусы, рыба-ласточка, рыба-ангел, хромис, золотая рыбка, корюшка, лосось, морской карась, морской конек и так далее, и так далее, и так далее.
Опухоли развиваются у лягушек, жаб и других земноводных; их отмечали у целого ряда рептилий, таких как змеи, морские и сухопутные черепахи, ящерицы. Рак встречается у многих видов птиц: от длиннохвостых попугаев до пингвинов, от какаду до казуаров и от чернобрюхих свистящих уток до обычных или садовых волнистых попугаев. Нельзя не упомянуть о любопытном случае трехногой малиновки с раковой опухолью в животике, которая в 1919 году попала к Х. К. Коулу из Чикаго. Всевозможным видам рака подвержены и наши сородичи-млекопитающие от земляных волков до зебр, в этом ряду киты, кенгуру, павианы, барсуки, бонго и вообще почти все, кто в промежутках между ними.
Подобно тому как опухоли регулярно обнаруживаются в древних человеческих останках, свидетельства, подтверждающие наличие рака, встречаются на всем протяжении палеонтологической летописи. В 2003 году группа под руководством Брюса Ротшильда из Северо-Восточного медицинского университета Огайо тщательно изучила экспонаты музеев Северной Америки с помощью портативного рентгеновского аппарата, сделав снимки более 10 тысяч костей динозавров. Несмотря на то что они нашли опухоли лишь у одного семейства динозавров – травоядных гадрозавров, живших около 70 млн лет назад, поражала сама выявленная пропорция: на 97 изученных особей приходились 29 опухолей. Опухоль нашли даже в ножной кости окаменелой проточерепахи, которая плавала по триасовым морям, омывавшим территорию современной Германии около 240 млн лет назад. Наконец, подтверждение рака было обнаружено и у других видов динозавров, включая гигантского титанозавра, хотя некоторые подобные случаи можно оспорить[3].
Исследования рака в самых разнообразных сферах жизни бросили вызов неизменно популярному, но неверному мнению, согласно которому акулы этой болезнью не страдают. Эта странная идея возникла в 1970-х годах, когда Джуда Фолкман и Генри Брем из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, заметили, что хрящ – защитный слой на концах костей – не дает новым кровеносным сосудам прорастать в опухоль. Скелет акул полностью состоит из хряща, а не из костей, и поэтому люди начали задаваться вопросом, не являются ли эти создания более устойчивыми к раку, чем другие животные.
Лабораторные эксперименты показали, что хрящи акул успешно препятствуют разрастанию кровеносных сосудов в опухоли; попытки же вызвать рак химическим путем у этих рыб не увенчались успехом. Тот факт, что никто не обнаружил рака ни у одного вида акул, обитающих в дикой природе, только подтверждал эту теорию. Отталкиваясь от подобной фактуры, легко было сделать вывод о том, что акульи хрящи способны предотвращать развитие рака или даже исцелять от него. Выход в 1992 году бестселлера Уильяма Лейна «Акулы раком не болеют» (Sharks Don't Get Cancer) подстегнул зарождение индустрии, в которой вращались огромные деньги. Акул вылавливали или выращивали, а потом забивали миллионами, чтобы изготовить таблетки из хрящей для отчаявшихся раковых больных, – и все это вопреки тому, что результаты по крайней мере трех клинических испытаний доказали неэффективность такого лечения.
Что еще более важно, сама исходная предпосылка оказалась ложной: опухоли все-таки были обнаружены у нескольких видов акул, в том числе в мощных челюстях белой акулы, выловленной у берегов Австралии в 2013 году. Как отметил морской биолог Дэвид Шиффман в статье, посвященной этому событию, «акулы определенно заболевают раком, хотя, даже если предположить, будто они с ним незнакомы, употребление в пищу акульих продуктов от рака не избавит – точно так же как поедание Майкла Джордана не сделало бы меня хорошим баскетболистом».
Хотя хрящи акул и не годятся для предотвращения или лечения болезней, сравнительный анализ случаев рака у разнообразных видов может снабдить полезной информацией о процессах, идущих в наших собственных организмах. Причем он приобретает особую значимость, когда мы, отложив вопрос о том, у всех ли видов животных удалось найти хотя бы один случай раковой опухоли – ведь понятно, что это вполне ожидаемо, если развитие рака в многоклеточных организмах есть неизбежный процесс, задумаемся над тем, с какой частотой появляются такие опухоли.
Это может показаться удивительным, но мы уверены не только в том, что рак нельзя относить к исключительно человеческим заболеваниям, но и в том, что чаще всего он встречается отнюдь не у нашего вида. Мнение, согласно которому люди чаще других многоклеточных страдают от рака, основано на далеко не полной информации. Подобно тому как невозможно получить представление о частоте раковых заболеваний в древних популяциях, не прибегая к систематизированному сбору данных, о заболеваемости раком у разных видов тоже нельзя судить, не опираясь на методологическую основу, – а вот этим пока никто и не занимался.
Одно дело составить огромный список всех видов, у которых был обнаружен тот или иной тип рака, но совсем другое дело – разобраться, насколько распространенным является каждый из них. Желая прояснить этот вопрос, Эми Бодди и ее коллеги из Санта-Барбары стали настоящими эпидемиологами животных: они просеивали данные, полученные из зоопарков, а также пытались собрать максимум информации о диких популяциях. «В зоопарках звери живут гораздо дольше, чем на воле, и поэтому по некоторым категориям наши выборки весьма скудны, – предупреждает она. – Однако предварительные данные показывают, что у небольших млекопитающих по сравнению с людьми заболеваемость раком довольно велика: мы часто встречаем опухоли у хорьков, а карликовые лемуры, похоже, тоже нередко страдают от этого недуга».
Бодди объясняет, что рак, по-видимому, наиболее распространен у животных, которые прошли через бутылочное горлышко, т. е. пережили какое-то событие, при котором численность популяции резко сокращается. В таких случаях ныне живущие особи более схожи в генетическом отношении, чем могли бы быть, если бы не тот давний кризис. Так, необычайно узким бутылочное горлышко оказалось для золотистых сирийских хомячков: большинство домашних представителей этого вида, существующих сегодня, произошли от одного помета, обнаруженного в Сирийской пустыне в 1930 году. Как следствие, опухоли у них появляются с нетипичной частотой.
Большей подверженностью раку отличаются и другие чистокровные и одомашненные виды. У собак, например, вероятность заболеть раком такая же, как и у людей, причем для разных пород характерны различные виды опухолей. А примерно у трети кур, выращиваемых на фермах, из-за необходимости постоянно нести яйца развивается рак яичников.
Интересно, что на протяжении своей истории человечество тоже попадало в столь же опасные ситуации. Например, имеются убедительные доказательства того, что около миллиона лет назад численность нашей предковой популяции резко сократилась, составив менее 20 тысяч размножающихся особей. Тот факт, что наш вид в стародавние времена оказался на грани вымирания, вполне может сказываться на нашей нынешней восприимчивости к раку.
Ученые также обнаружили, что покрытые чешуей птицы и рептилии, произошедшие от динозавров, реже заболевают раком по сравнению с более шерстистыми представителями эволюционного древа. Пока причина этого остается загадкой, хотя у Бодди все же есть кое-какие предположения.
«Я думаю, это связано с вынашиванием потомства и наличием плаценты», – говорит она. Если птицы и рептилии откладывают яйца, то млекопитающие нуждаются в воспроизводстве инвазивной ткани, заполненной кровеносными сосудами, которые проникают в стенку матки, переправляя кислород и питательные вещества из организма матери на кормление растущего плода. Клетки плаценты и плода также попадают в кровоток матери и могут даже превратиться в часть ее обычных тканей тела – этот процесс называют микрохимеризмом. За ним стоит тот же набор биологических приемов, которые необходимы раку для зарождения и распространения; многие опухоли захватывают одни и те же гены и молекулы, чтобы закрепиться в организме.
Какое-то время в ходу была теория, согласно которой млекопитающие с более глубоко прорастающей плацентой, включая людей, отличаются большей восприимчивостью к раку, чем те, у кого, включая коров и лошадей, формируется более поверхностная плацентарная система. Кошкам же и собакам в этих построениях отводилось промежуточное положение – и по строению плаценты, и по частоте раковых заболеваний. К сожалению, эта изящная концепция, похоже, опровергнута данными о других видах, собранными Бодди и ее коллегами. Исследовательнице, впрочем, до сих пор не хватает информации, касающейся заболеваемости раком у бесплацентарных сумчатых, которые рожают крошечного живого детеныша и растят его в расположенной спереди сумке, или яйценесущих однопроходных, таких как утконос. Впрочем, несмотря на этот пробел, Бодди убеждена, что существует несомненная связь между способностью вида формировать плаценту и вероятностью заболеть раком.
«Я думаю, эти факторы зависят друг от друга», – говорит она, указывая на то, что плод состоит из клеток, которые генетически похожи на материнские, но не идентичны им. Подобная ситуация, по мнению исследовательницы, чревата риском летального отторжения со стороны иммунной системы. «Мы могли бы эволюционировать, сохраняя все, что находится в матке, но у нас появилась плацента, которая проникает и встраивается во все ткани материнского тела. Поэтому, как представляется, у млекопитающих потенциально снижена чувствительность к обнаружению опухолей, которые, по сути, являются слегка мутировавшими версиями нас самих».