Афина Актипис
Клетка-предатель. Откуда взялся рак и почему его так трудно вылечить

Посвящается всем прекрасным монстрам, что жили до нас

Athena Aktipis

THE CHEATING CELL: How Evolution Helps Us Understand and Treat Cancer

© Copyright 2020 Princeton University Press All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher

© Иван Чорный, перевод на русский язык, 2021

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Благодарности

Эта книга – результат многих поздних бесед за кухонным столом, обедов в плохо освещенных переговорных, кофе-брейков в подвале, посиделок на веранде и записей в тетради, сделанных на галерке во время научных встреч под прекрасные выступления моих блестящих коллег. Я благодарна многочисленным коллегам и друзьям, которые делились со мной своими соображениями на протяжении десятилетий, внося свой вклад в идеи, которые легли в основу книги. Было бы нереально поблагодарить каждого из них: у меня состоялись буквально сотни разговоров, которые сформировали мое мышление и идеи для этой книги, и я благодарна каждому, кто поделился со мной своими размышлениями. Спасибо вам. И примите мои извинения за то, что не могу назвать здесь каждого из вас по имени.

Я особенно благодарна своим коллегам, друзьям и студентам, которые нашли время прочитать черновики этой книги и высказать свое мнение: Джессике Айерс, Дэвиду Буссу, Ли Кронку, Полин Дэвис, Марку Флинну, Рику Гросбергу, Майклу Хечтеру, Стеффи Капсетаки, Джозефу Мамоле, Пранаву Менону, Ане Плутынски, Памеле Уинфри и всем студентам весеннего курса Карло Малея по эволюции рака 2018 года. Самая особая благодарность Эндрю Риду за то, что он не только прочитал рукопись, но и дал на нее необычайно подробные, вдумчивые и ценные комментарии. Спасибо также Закари Шафферу, Бобу Гатенби, Эми Бодди и многим другим коллегам, которые переписывались со мной во время написания этой книги, отвечали на вопросы и давали полезные советы.

Спасибо сотрудникам издательства Princeton University Press, в особенности моему редактору Элисон Калетт, предоставившей в идеально мотивирующей пропорции моральную поддержку и объективные замечания. Спасибо также моему научному редактору Джейн Ху за полезные замечания, советы по редактированию и поддержку на самых сложных этапах написания книги. Я в огромном долгу перед Амандой Мун, чей наметанный редакторский глаз помог значительно улучшить окончательный вариант рукописи. Спасибо двум анонимным рецензентам и Джеймсу Дегрегори за вдумчивые и подробные комментарии к рукописи. Благодарю моего преданного ассистента Николь Хадсон, безустанно работавшую над сносками, окончательным оформлением и получением разрешений на ряд используемых в издании изображений. Особая благодарность моему старшему лаборанту Кристине Бачиу за огромную помощь на всех этапах создания книги, от первоначальных исследований до окончательного оформления, и особенно за заботу о моей лаборатории, пока все мое внимание было сосредоточено на рукописи. Кристина, спасибо тебе за преданность, поддержку и невероятную отзывчивость. Мне необыкновенно повезло, что эту книгу проиллюстрировал талантливый Алекс Каган. Спасибо, Алекс, за внимание к деталям, терпение и терпимость к моей невероятной (по общему признанию) придирчивости.

Я не смогла бы написать эту работу без поддержки многочисленных университетов, институтов и других организаций, где я работала в процессе написания этой книги. Она была задумана во время замечательного года в Wissenschaftskolleg zu Berlin (Институт перспективных исследований в Берлине) в рабочей группе по эволюции рака. Спасибо моим коллегам из этой группы, а также всем остальным научным сотрудникам 2013/2014 учебного года, сформировавшим невероятную интеллектуальную среду, особенно покойному Полу Робертсону. Спасибо тебе, Пол, за чудесные завтраки, во время которых мы обсуждали многие из идей, положенных в основу книги. Ты был мне и дорогим другом, и самым ценным коллегой. Благодарю членов Международного общества изучения эволюции, экологии и рака, создавшим превосходные условия для работы над книгой. Сердечное спасибо сотрудникам кофеен Berdena’s и Firecreek Coffe, которые поддерживали у меня в крови идеальный уровень кофеина, пока я писала черновики, а потом неоднократно их редактировала.

Большую часть этой книги я написала, работая доцентом кафедры психологии Университета штата Аризона (США). Спасибо моим коллегам по университету за поддержку. Особая благодарность бывшему заведующему моей кафедры Киту Крнику и нынешнему ее руководителю Стиву Нойбергу за помощь в создании книги и всестороннюю поддержку моей междисциплинарной исследовательской программы. Благодарю ректора УША Майкла Кроу за поддержку и формирование междисциплинарной среды, которая принесла мне больше пользы, чем я могла себе представить.

Чудо, что на протяжении жизни меня окружали многочисленные учителя и наставники, которые обучали, направляли и давали советы по развитию научной карьеры. Спасибо моим учителям из средней школы Уиллоубрука, в особенности Уиллу Нифонгу (открывшему всю красоту языка), Вики Эдвардс (обучившей писать), Джой Джойс (показавшей важность экономического анализа в любой области), Джону Мостаччи (вдохновившим меня на научные исследования) и Эду Раддацу (научившему применять теоретические знания в реальных задачах). Спасибо преподавателям в колледже Рида, особенно научным руководителям Аллену Нейрингеру (показавшему, как важно не застревать в рутине) и Ноэлю Нетусилу (мы встретились, когда я блуждала в трансе по коридорам после ужасного разговора с назначенным мне на первом курсе куратором, и он великодушно «удочерил» меня). Мне посчастливилось быть окруженной преданными своему делу преподавателями в аспирантуре Пенсильванского университета, включая моего научного руководителя Роба Курцбана, покойного Джона Сабини (давшего множество полезных советов), и Шэрон Томпсоншилл (была наставником и другом, когда я нуждалась в этом больше всего). Также спасибо преподавателям кафедры экологии и эволюционной биологии Аризонского университета, где я работала после защиты докторской, в особенности Рику Мичоду и Авроре Неделку. Особая благодарность руководителю моих исследований – а ныне другу и коллеге – Джону Пепперу – за то, что сначала разжег во мне интерес к эволюции и раку, а затем раздул из него полноценный костер. Спасибо многочисленным коллегам и друзьям, которые поддерживали меня в процессе создания книги: Марти Хейзелтон и Николь Хесс (за решительную и постоянную поддержку в любых вопросах), Саре Хилл (за готовность обсудить разные, даже самые смелые идеи) и Барбаре Наттерсон-Хоровиц (за то, что помогала мне никогда терять из вида общую картину).

Спасибо также коллеге Мэлу Гривзу за лучший совет, который я когда-либо получала во время застольной беседы: «Хорошенько подумайте, прежде чем следовать чьему-то совету». Пожалуй, это единственный совет, которому я следую всегда (тогда же он рекомендовал мне есть меньше соли. Прости, Мэл, от соли я не откажусь).

Я в неоплатном долгу перед нянями и бебиситтер, помогавшими мне присматривать за детьми, пока я писала эту книгу. Особая благодарность Веронике Мата Форд и Лизе Лессард, которые вложили в нашу семью свои сердце и душу.

Я бесконечно благодарна своим родителям Стелиосу Актипису и Хельге Фитц Актипис. Папа, спасибо, что на протяжении всей начальной школы не переставал меня уверять: нужно лишь продержаться до колледжа, и я непременно начну получать от учебы удовольствие. Мама, спасибо, что научила смотреть на мир под разными углами и никогда не бояться браться за что-то новое. Я до сих пор скучаю по тебе каждый день, хотя ты навсегда останешься в моем сердце – а также, вероятно, в груди, мозге, щитовидке и иммунной системе, благодаря микрохимерным клеткам, которые достались мне, пока ты меня вынашивала.

Самая большая благодарность за эту книгу по праву достается моему другу, коллеге и мужу Карло Малею. Спасибо тебе, Карло, за многочисленные ночные беседы, терпеливую правку текста, быстрые ответы на разнообразные вопросы и – самое главное – за то, что так хорошо заботился о наших детях в те многочисленные выходные, что я провела за письменным столом. Спасибо и моим детям, Аванне, Монти и Вону, за неиссякаемую любовь, поддержку и понимание, которые они проявляли, пока я была занята работой. Самой душевной частью процесса создания этого труда была возможность обсудить со всеми вами изложенные в нем идеи и возложенные на него надежды. Так что огромное спасибо, дорогие дети, за проявленный интерес – и терпение – к этому немного непослушному детищу, которое последние семь лет было частью нашей семьи.

1
Вступление

Эволюция во плоти

Эта книга о раке: его древнем происхождении, современных проявлениях и будущей судьбе. О том, откуда рак взялся, почему существует и почему его так трудно вылечить.

Эта книга также и о новом взгляде на рак – не как на что-то, от чего следует любой ценой избавиться, а, скорее, на то, что следует держать под контролем и превратить в спутника, с которым можно жить.

ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ СТРАДАЛИ ОТ РАКА С МОМЕНТА ПОЯВЛЕНИЯ ПЕРВЫХ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ВИДОВ ОКОЛО ДВУХ МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ НАЗАД.

Когда мы говорим о жизни на Земле, то, чаще всего представляем себе многоклеточные организмы, такие как животные и растения. Среди клеток организма, по сути, наблюдается разделение труда: они распределяют между собой все функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности. С другой стороны, простейшие формы жизни – бактерии, дрожжи и протисты – состоят из одной-единственной клетки, которая выполняет всю работу по поддержанию ее существования. Они доминировали на нашей планете на протяжении двух миллиардов лет, пока не развилась многоклеточная жизнь, и мир еще не знал, что такое рак. Он появился, когда на сцену вышла многоклеточная жизнь – она и привела с собой это новое действующее лицо.

РАК – ЭТО ЧАСТЬ НАС САМИХ, И ТАК БЫЛО С САМОГО НАЧАЛА НАШЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ.

Следы рака были обнаружены в скелетах древних людей, от египетских мумий до охотников-собирателей Центральной и Южной Америки. Он был обнаружен в «колыбели человечества» – Южной Африке – в костях наших ранних предков возрастом 1,7 миллиона лет. Ископаемые следы рака уходят своими корнями еще раньше. Они были найдены в костях млекопитающих, рыб и птиц возрастом в десятки и даже тысячи миллионов лет. Рак восходит к временам доминирования динозавров, и даже еще более далекому прошлому, когда жизнь была микроскопически мала. Он появился, когда бо́льшая часть жизни в известном нам виде еще даже не существовала.

Для эффективного противодействия этой болезни необходимо понимать ее эволюционную и экологическую динамику. Вместе с тем следует изменить и свое представление о раке, перестав видеть в нем временную и решаемую проблему и начав воспринимать его как неотъемлемую часть нашей сущности. До появления многоклеточной жизни рака не существовало, так как его клеткам попросту негде было размножаться – не было организмов, которые они могли бы захватывать. Само наше существование в виде многоклеточных организмов – образцов сотрудничества – неразрывно связано с нашей восприимчивостью к раку.

В этой книге мы рассмотрим бесчисленные способы взаимодействия клеток, которые делают нас полноценно функционирующими многоклеточными организмами, например, за счет контроля пролиферации^[1] клеток, распределения ресурсов среди нуждающихся в них клеток и построения сложных органов и тканей. Мы также увидим, как рак в ходе эволюции учится использовать в своих интересах присущее нашему организму клеточное взаимодействие: бесконтрольно размножаться, эксплуатировать ресурсы нашего тела и даже превращать его ткани в специализированные фабрики для собственного выживания. Одним словом, рак – это шулер в игре, которая лежит в самой основе многоклеточной жизни.

Чем лучше мы разберемся в природе рака, тем более эффективными будут его профилактика и лечение; мы поймем, что не только одному человечеству он доставляет столько страданий. Любые формы многоклеточного существования подвержены раку. В процессе эволюции наши взаимоотношения с раком сыграли свою роль в том, кем мы в итоге стали. И если мы хотим по-настоящему постичь, что такое рак, нам следует разобраться, как он менялся в ходе эволюции и как параллельно с ним менялись и мы.

Чтобы все это понять, мы можем обратиться к миру дикой природы. Один из самых красивых примеров – хохлатый кактус. Иногда в результате повреждения или инфекции в клетках на растущей верхушке кактуса возникают мутации, которые нарушают естественный контроль над пролиферацией клеток во время роста растения. Это зачастую приводит к появлению поразительных структур: огромным пустынным кактусам с неким подобием короны наверху, напоминающим мозги горшечным кактусам, садовым кактусам с узловатыми геометрическими поверхностями, вызывающими ассоциации с современным искусством (рис. 1.1). Хохлатые кактусы высоко ценятся профессиональными ботаниками и просто любителями этих растений за красивые и необычные мутантные формы.

Рисунок 1.1. В результате нарушения нормального роста у кактуса вероятно развитие аномальных образований. Это может привести к появлению множества красивых и уникальных структур, схожих с раковыми опухолями у животных. Это похожее на рак явление у растений, именуемое фасциацией, способно негативно сказываться на их жизнедеятельности, включая менее обильное цветение и большую предрасположенность к травмам и болезням, однако такие растения могут при должном уходе жить с этими опухолеподобными образованиями десятилетиями. Изображения слева направо: хохлатый кактус Сагуаро, Carnegiea gigantea; кактус-мозг Mammillaria elongata cristata; кактус тотемного столба, Pachycereus schottii f. Monstrosus и Cereus jamacaru f. cristatus

Впервые увидев хохлатый кактус во время поездки в Аризону многие годы назад, я была впечатлена красотой и геометрией растения. Вернувшись в гостиничный номер, я несколько часов рассматривала фотографии этих естественных биологических структур и читала о них. Я узнала, что нарушения нормального роста у этого вида кактусов были вызваны полученными во время шторма повреждениями, или воздействием бактерий и вирусов, или просто мутациями в процессе роста.

Кроме того, я выяснила, что мутации, нарушающие нормальный рост растения, встречаются не только у кактусов – им подвержены многие виды растений, от одуванчиков до сосен. В ботанике этот процесс называется фасциацией. Такие деформированные растения зачастую более чувствительны, чем обычные представители их вида, и порой у них не происходит нормального цветения, из-за чего им сложнее размножаться – к счастью для них, им в этом активно помогают садовники и ботаники. С должным уходом хохлатые кактусы и другие подверженные фасциации растения могут жить с этими похожими на опухоли образованиями десятилетиями.

Изучение хохлатых кактусов положило начало моему увлечению раком во всех формах жизни. Я тогда подумала: если мы хотим понять рак – что он собой представляет и почему может ставить под угрозу наше здоровье и жизнь, – то нам нужно выяснить его происхождение, то есть эволюционные истоки рака на древе жизни. Изучая это, я обнаружила, что рак и опухолеподобные образования свойственны для всех форм многоклеточной жизни. Оказалось, что эти образования встречаются не только у кактусов, но и у множества других организмов. Я нашла фотографии грибов, кораллов, водорослей и насекомых с напоминающими опухоли наростами. И обнаружила, что рак распространен среди всех животных – от диких до содержащихся в зоопарках и одомашненных.

Я задалась вопросом: почему рак столь распространен среди всех форм многоклеточной жизни? Он является проблемой исключительно многоклеточных организмов, состоящих из большого количества клеток, которые обычно сотрудничают и регулируют свое поведение, чтобы делать нас полностью функционирующими организмами. У одноклеточных форм жизни не бывает рака, так как они состоят из одной-единственной клетки, и для одноклеточной жизни пролиферация – это, по сути, и есть размножение. Для многоклеточных же существ чрезмерная клеточная пролиферация может нарушить нормальное развитие и структуру организма.

Вы, может, и воспринимаете себя цельным существом, однако на деле состоите из 37 триллионов клеток, каждую миллисекунду взаимодействующих между собой и координирующих свое поведение, чтобы вы могли полноценно функционировать. Количество клеток в организме человека ошеломляет – их более чем в четыре тысячи раз больше, чем людей на Земле. Все эти отдельные клетки взаимодействуют, развиваются, потребляют, обрабатывают сигналы, экспрессируют гены^[2] и вырабатывают белки. Каждая из клеток – словно крошечный гомункул, сидящий внутри нас, который берет информацию извне, обрабатывает ее посредством сложной взаимосвязи между генами и изменяет свои функции в ответ на полученные сигналы. В каждой клетке имеется набор практически одинаковых генов, однако они производят уникальное сочетания белков, а также имеют свое поведение и физиологические особенности. Масштабы взаимодействия, происходящего внутри нашего организма, поражают воображение. Как 30 триллионов отдельных клеток могут образовывать нечто, выглядящее единым существом с единым набором целей? Как я могу при всем этом ощущать себя столь цельной?

Один из вероятных ответов на этот вопрос предлагает эволюционная биология: мы действуем как единый организм и ощущаем себя таковым, потому что в ходе эволюции стали тесно сотрудничающим клеточным сообществом. Почти миллиард лет формирования многоклеточных структур привели к появлению клеток, которые своими функциями способствуют выживанию и размножению взаимодействующего клеточного сообщества как единого целого. В интересах всего организма наши клетки ограничивают свою пролиферацию, разделяют труд, регулируют использование ресурсов и даже совершают суицид. Уровень сотрудничества внутри нашего тела превосходит все, чего когда-либо удавалось добиться людям, – клетки внутри нас живут словно в утопии, разделяя ресурсы, заботясь об общей окружающей среде и регулируя свое поведение во благо всего организма.

Иногда, однако, в этом клеточном взаимодействии происходит сбой, и тогда в организме может быть запущен эволюционный и экологический процесс, кульминацией которого становится самая вопиющая форма клеточного обмана – рак. Он развивается, когда клетки перестают сотрудничать и координировать свои действия в интересах многоклеточного организма и начинают злоупотреблять ресурсами, разрушать общую среду организма и бесконтрольно размножаться. Внутри организма эти недобросовестные клетки могут обладать эволюционным преимуществом перед нормальными, несмотря на то, что могут негативно влиять на здоровье и перспективы выживания организма, частью которого являются.

Итак, эволюция сделала нас невероятно функциональными многоклеточными организмами, однако никуда не деться от того факта, что мы представляем собой скопление клеток. Поэтому она естественным образом протекает и внутри нашего организма. Клетки в теле человека эволюционируют подобно организмам в живой природе. Это совершенно новый подход к рассмотрению нас с вами, ведь традиционно человека принято считать единой и относительно неизменной «сущностью». Между тем мы не одна, а, скорее, много сущностей, и клетки, из которых мы состоим, по мере нашего старения продолжают меняться, зачастую в направлениях, подвергающих нас риску развития рака.

КЛЕТКИ, КОНЕЧНО, ЯВЛЯЮТСЯ НАШЕЙ СОСТАВНОЙ ЧАСТЬЮ, ОДНАКО ВО МНОГИХ СМЫСЛАХ ОНИ ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ ВЕСЬМА САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ.

Они экспрессируют гены, обрабатывают информацию, у них есть собственное поведение – они двигаются, потребляют ресурсы и строят внеклеточое вещество, создавая ткани и органы, например образуя ткани. Кроме того, они представляют собой популяцию внутри нашего организма, которая эволюционирует в сложной среде. Чтобы понять, что представляет собой рак и почему мы ему подвержены, необходимо рассматривать клетки с этих обеих точек зрения – как часть нашего организма и как самостоятельные развивающиеся сущности внутри нас.

С точки зрения нашего организма рак представляет собой угрозу нашему выживанию и благополучию. С точки зрения же самих клеток злокачественные клетки делают лишь то же самое, что и все остальные живые существа на планете – эволюционируют в ответ на условия окружающей среды, порой тем самым нанося вред системе, частью которой являются. Это приводит к парадоксальному на первый взгляд сценарию: эволюция благоволит организмам, эффективно справляющимся с подавлением рака, однако в то же время она симпатизирует и клеткам внутри нашего тела с типичными для раковых клеток характеристиками, такими как быстрая пролиферация и быстрый обмен веществ. Казалось бы, эти два факта противоречат друг другу: как эволюция может одновременно благоволить и раковым клеткам, и организмам с эффективными механизмами их подавления? На страницах этой книги я покажу, как, рассматривая все с точки зрения эволюции, можно разрешить этот, казалось бы, явный парадокс.

МАСШТАБЫ КЛЕТОЧНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ПОРАЖАЮТ ВООБРАЖЕНИЕ.

Вместе с тем еще более поразительно то, насколько стойкими оказываются наши тела перед недобросовестными клетками, подвергающими их угрозе рака. У многоклеточных организмов за миллиарды лет эволюции выработалось несколько механизмов подавления рака, позволяющих держать недобросовестные клетки под контролем. У разных видов находят невероятное разнообразие и эффективность этих механизмов, и наблюдение за ними в действии может помочь нам в поиске более эффективных методов лечения рака у людей. Может быть, подобно хохлатым кактусам, способным сосуществовать со своими похожими на опухоли наростами на протяжении десятилетий, мы тоже могли бы научиться жить с раком.

До того как узнала об эволюционной природе рака, я считала его довольно неинтересной болезнью. Моя работа была сосредоточена на фундаментальных вопросах эволюции жизни на Земле: почему многие организмы являются социальными? Почему особи не прекращают сотрудничество, несмотря на то, что часть из них непременно начинает им злоупотреблять? Меня всегда привлекали теоретические вопросы, так что я старалась избегать любой темы, которая, казалось, требовала запоминания бесконечного перечня фактов без какой-либо систематизации. Мне казалось, что рак является одной из таких тем – никакой теоретической базы, лишь бесконечное множество исследований одного механизма за другим без надежды на открытие каких-либо общих принципов. Эта область, безусловно, заслуживала изучения из-за своей важности для здравоохранения, однако у меня не было совершенно никакого интереса заниматься ею.

Затем, защитив докторскую, я перешла в университет Аризоны, где начала работать вместе с Джоном Пеппером, одним из первых исследователей эволюции рака – совершенно новой на тот момент области. Я поняла, что рак на клеточном уровне представляет собой пример того, что я уже изучала: проблемы поддержания сотрудничества в крупномасштабных эволюционных системах в свете наличия недобросовестных особей.

Мое представление о раке начало меняться. Я осознала, что это живая сущность, быстро эволюционирующая в экосистеме нашего организма. Она подчиняется тем же правилам, что и любая эволюционная и экологическая система. Посмотрев на рак с этой точки зрения, я положила начало пониманию всех его хитросплетений.

Великий эволюционный биолог Феодосий Добржанский – один из пионеров эволюционного мышления в XX веке – однажды сказал: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Увидев рак в этом аспекте, я поняла: биология рака прежде казалась мне полной бессмыслицей, именно потому что я не пыталась рассмотреть его через призму эволюции и экологии.

Если бы Добржанский был сейчас жив, он точно так же мог бы сказать: «Ничто в биологии рака не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Эволюция, экология и теория сотрудничества^[3] являются отправной точной для понимания того, почему рак столь сложен, сокрушителен и изменчив, и они могут помочь нам лучше понять, кто мы такие, разобраться, как рак повлиял – и продолжает влиять – на всю многоклеточную жизнь.

Эволюционная биология объясняет существование рака на двух разных уровнях. Прежде всего, она демонстрирует, как изменение клеток в нашем организме – часто называемое соматической эволюцией – приводит к этому заболеванию. Рак – сама эволюция во плоти. Клетки отличаются по уровню своей эволюционной приспособленности внутри нашего тела: одни размножаются быстрее и выживают дольше других. Клетки, которым удается больше размножиться и дольше прожить, впоследствии составляют бо́льшую часть следующего поколения, и в итоге доминируют в популяции. Это самая настоящая эволюция за счет естественного отбора – точно то же проходит и в природе.

Кроме того, эволюционная биология помогает объяснить, почему на протяжении всей жизни на Земле рак никуда не делся. Организмы в течение миллионов лет обзаводились механизмами подавления рака – поддержания соматической эволюции под контролем, – чтобы наша жизнь была долгой и успешной. Именно благодаря этим системам подавления рака многоклеточная жизнь вообще стала возможной – без них недобросовестные клетки попросту бы не давали многоклеточным организмам шансов на выживание. Проблема в том, что эти системы несовершенны. С точки зрения эволюции держать эти потенциально раковые клетки под стопроцентным контролем попросту нереально.

Причин, по которым невозможно полностью подавить рак, много, и каждая из них по-своему примечательна. Так, среди прочего организмы в ходе эволюции не научились полностью избавляться от болезни, потому что им пришлось пойти на компромисс ради других характеристик, влияющих на эволюционную приспособленность, например, репродуктивной способности. Низкому риску развития рака может сопутствовать пониженная репродуктивная функция, из-за чего способность к его подавлению в ходе эволюции ограничивается. Кроме того, организмам мешает меняющаяся внешняя среда: современные люди подвержены воздействию различных мутагенов вроде сигаретного дыма и таких негативных факторов образа жизни, как низкий уровень физической активности, которые увеличивают восприимчивость к раку. Существует и более странная причина невозможности полной победы над раком, а именно конкуренция в процессе нашего роста между генами, унаследованными от отца и от матери. Часть отцовских генов настроена эпигенетическими механизмами на стимулирование роста и пролиферации клеток, и тем самым они повышают риск развития рака. Существование рака обусловлено двумя соперничающими эволюционными процессами, протекающими на двух разных уровнях: клетки изменяются в организме путем соматической эволюции, а эволюция самих организмов не может привести к полному подавлению этого процесса.

Среда обитания во многом определяет судьбу потенциальных раковых клеток – погибнут они или же выживут и будут процветать. В биологии рака окружающая опухоль среда называется микроокружением опухоли. По сути, это экосистема, в которой опухоль функционирует, обладающая многими свойствами природных экосистем. Микроокружение опухоли обеспечивает необходимые ресурсы для выживания и процветания ее клеток, однако среда может также и поставить их выживание под угрозу в случае истощения запасов, накопления продуктов распада и охоты иммунной системы на раковые клетки. Раковые клетки способны менять свое окружение – так, например, они могут ограничить ресурсы соседним клеткам и оставлять после себя различные продукты распада, например кислоты. Между тем подобные изменения способны разрушить экосистему, в которой обитают раковые клетки, затруднив тем самым их выживание и процветание. Подобное уничтожение микроокружения может создать давление отбора, вынуждающее эти клетки прийти в движение. Клетки, которым удастся пере-меститься в новую и более благоприятную для них среду в организме, выживут и оставят после себя больше клеточного потомства, способствуя появлению агрессивных метастатических клеток. Таким образом, микроокружение играет центральную роль в появлении и развитии рака. Точно так же как мы не можем понять причину и механизмы формирования живых организмов, не зная ничего об их среде обитания, чтобы выяснить, как и почему эволюционируют раковые клетки, нам необходимо знать, что именно происходит вокруг раковой опухоли.

Когда говорят про рак, зачастую проводят аналогию с войной: пациенты «сражаются», «борются», «побеждают» или «проигрывают». Сравнение рака с войной звучит довольно громко и убедительно. Оно помогает добиваться финансирования исследований болезни и объединяет людей вокруг общей цели, однако данная аналогия способна и ввести в заблуждение. Невозможно полностью искоренить то, что является неотъемлемой частью нас самих. Подобный агрессивный подход к болезни кажется обоснованным, если рассматривать рак как врага, которого необходимо уничтожить. Проблема в том, что, если закрыть глаза на то, чем является рак на самом деле (а именно популяцией различных клеток, которые изменяются в ответ на любую терапию), мы рискуем упустить из виду куда менее агрессивные варианты лечения.

Эта популярная аналогия с войной способствует подходу, который чреват и другими последствиями. При агрессивном лечении рака мы можем дать эволюционное преимущество клеткам, нечувствительным к данному типу лечения, что сделает его менее эффективным в долгосрочной перспективе. Что касается рака в терминальной стадии, то терапия с максимальной дозировкой зачастую является не самой идеальной стратегией. Кроме того, подобный агрессивный подход может отрицательно сказаться и на профилактике рака. Люди, которым преподносят аналогию с войной, менее склонны принимать какие-либо меры по предупреждению рака, например отказ от курения. Использование подобной воинственной терминологии относительно лечения рака может привести к повышению уровня стресса у больных и их родных.

РАК НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ВРАГОМ В ПРИВЫЧНОМ ДЛЯ НАС СМЫСЛЕ ЭТОГО СЛОВА. ЭТО НЕ КАКАЯ-ТО ОРГАНИЗОВАННАЯ И ОДНОРОДНАЯ АРМИЯ, КОТОРОЙ ОТДАН ПРИКАЗ УНИЧТОЖИТЬ НАС ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ.

Нет, он представляет собой дезорганизованную и разрозненную популяцию клеток, динамически реагирующую на наше лечение. Когда мы боремся с раком, то сражаемся с неизбежным процессом эволюции. Мы можем замедлить его или перенаправить, однако остановить его нам не под силу.

Рак – это самое настоящее воплощение эволюции. Мы предрасположены к нему, потому что состоим из популяции клеток, которая изменяется на протяжении всей нашей жизни. Рак будет существовать, пока на нашей планете будет многоклеточная жизнь. Чем раньше мы это осознаем, тем раньше сможем начать применять имеющиеся знания для того, чтобы успешно держать его под контролем.

Невозможно победить в войне с процессами эволюции: экологическими изменений в нашем организме, недобросовестного злоупотребления многоклеточным сотрудничеством отдельными клетками. Тем не менее в наших силах корректировать эти процессы так, чтобы минимизировать причиняемый им вред. Можно научиться делать рак менее агрессивным, чтобы мы могли с ним мирно сосуществовать.

Итак, мы имеем на выбор два варианта: вести с раком войну на полное уничтожение или же применять обходные стратегии, используя его слабые места. Это чем-то напоминает противоположные военные стратегии двух греческих богов войны: Афины и Ареса. Я выросла в греческой семье в Афинах, а потом жила в пригороде Чикаго, и греческая мифология занимала важное место в моем детстве. Меня отчасти воспитывала бабушка Афина (в честь которой меня и назвали). Разумеется, мне было очень интересно понять свою тезку. Афина – богиня мудрости и войны, но не какой попало войны – она богиня военной стратегии и тактики. Афина побеждает не за счет грубой силы, а путем изучения целей и слабостей противника, чтобы потом, вооружившись этими знаниями, одержать победу с минимальными усилиями и без чрезмерного сопутствующего ущерба. Арес, напротив, подходит к сражению с максимальной агрессией, ставя перед собой задачу любой ценой нанести противнику максимальный урон.

Какой из этих двух подходов будет более эффективным в случае рака? Нужно ли бороться с ним грубой силой, подобно Аресу, или же лучше разработать стратегию (как это сделала бы Афина), которая бы учитывала уязвимые места неприятеля? Судя по тому, что нам известно о раке, нет никаких сомнений, что подход Афины с большей вероятностью продлит жизнь больным, а также поможет добиться ее максимального качества (и я говорю так не просто потому, что меня в честь нее назвали).

РАК – ЭТО НЕОТВРАТИМАЯ ЧАСТЬ ЖИЗНИ КАК ОТДЕЛЬНЫХ ЛЮДЕЙ, ТАК И МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ В ЦЕЛОМ.

В этой книге я попытаюсь, отталкиваясь от нашей эволюционной истории, разобраться, что именно представляет собой рак, почему он появляется, и какие можно придумать более эффективные способы его лечения. Я приведу доводы в пользу того, что рак – это не просто болезнь, а нечто, неразрывно связанное с такими вещами, как зарождение жизни, проблемы крупномасштабного сотрудничества, природа многоклеточности и сам процесс эволюции.

2
Почему рак эволюционирует?

Давайте немного поиграем. Какое из этих утверждений о раке верно?

1. Мы болеем раком, потому что он помогает контролировать численность человеческой популяции.

2. Мы болеем раком, потому что он напоминает нам о необходимости лучше заботиться о своем здоровье.

3. Мы болеем раком, потому что нашему потомству выгодно, чтобы мы умирали, не успев превратиться для них в обузу.

4. Мы болеем раком, потому что клетки нашего организма, которые выживают и быстрее размножаются, оставляют после себя больше клеток-потомков.

Все эти утверждения, может, и звучат правдоподобно, однако верно из них лишь последнее. Обратите внимание, что в каждом утверждении существование рака объясняется с разных точек зрения: в первом – что рак развивается в интересах нашего вида, во втором – в интересах отдельных людей, в третьем – в интересах наших потомков, а в четвертом – в интересах отдельных клеток.

Если клетки быстро размножаются и выживают, когда этого не должно происходить, это может иметь для организма разрушительные последствия.

Наши тела призваны быть оплотами клеточного сотрудничества, с развитыми системами совместного использования ресурсов и создания благоприятной для клеток среды, которая помогала бы им выживать, процветать и выполнять все необходимые нам функции. Раковые клетки злоупотребляют этим сотрудничеством, получая эволюционное преимущество перед своими нормальными соседями. Этот процесс, по сути, мало отличается от эволюции организмов в природе (за некоторыми исключениями, к которым я еще вернусь).

Эволюцией называется изменение частоты генов в популяции с течением времени. Внутри нашего тела частота различных генетических мутаций среди клеток меняется каждый раз, когда клетка делится или умирает. Клетки, подобно организмам, конкурируют друг с другом за возможность выжить и размножиться. Наиболее приспособленные к среде нашего тела (лучше всего справляются с задачей выживания и репродукции) со временем занимают все больше места в клеточной популяции, из которой состоят наши многоклеточные организмы. К сожалению, одним из способов получения клеткой эволюционного преимущества перед своими соседями является обход ограничений на пролиферацию и выживание, которые обычно препятствуют появлению рака.

Идея о том, что рак представляет собой эволюционный процесс, далеко не нова – она насчитывает несколько десятилетий. В 1970-х годах исследователь рака Питер Ноуэлл назвал рак эволюционным процессом, основанным на накоплении генетических мутаций. В том же десятилетии врач, а по совместительству эволюционный биолог Джон Кэрнс отметил, что в нашем организме наверняка имеются защитные механизмы, помогающие предотвращать развитие рака. Своими корнями эта концепция уходит еще дальше, а именно к мысли о том, что в процессе развития нашего организма в нем происходит конкурентная борьба (высказанной Вильгельмом Ру в конце 1800-х годов); к идее, что клеточные мутации могут привести к «эгоистичному» поведению клеток (предложенной Теодором Бовери в начале 1900-х годов), а также к предположению о поэтапном развитии рака (выдвинутом Лесли Фоулдсом в середине 1900-х годов). В конце 1990-х и начале 2000-х годов эта область стала расширяться по мере того, как исследователи, включая специалиста по биологии рака Мела Гривза, эволюционного генетика Леонарда Нанни, специалиста по вычислительной и эволюционной биологии Карло Малея и многих других, начали изучать рак, используя методы и наработки эволюционной биологии.

Мне посчастливилось прийти в область эволюции рака в середине 2000-х годов, когда она переживала колоссальный подъем. Он стал результатом появления новых инструментов и методов геномики, позволившим ученым взглянуть на эволюционную динамику опухолей и проследить линии раковых клеток (так называемые клональные экспансии) в процессе развития рака. Клональной экспансией называется группа клеток с общим предком и какой-то общей мутацией. Как нам известно, клетки, успешно размножающиеся и процветающие в среде нашего организма, оставляют после себя больше клеток-потомков, что и дает начало клональной экспансии. Некоторые клональные экспансии состоят из клеток, которые обладают преимуществом в пролиферации или выживании по сравнению со своими соседями (процесс, который эволюционные биологи называют естественным отбором). Другие клональные экспансии могут образовываться в результате случайных процессов (что эволюционные биологи называют генетическим дрейфом).

В ситуации с клетками в нашем организме мутации, позволяющие им быстро делиться и чаще выживать, будут все чаще встречаться в популяции за счет естественного отбора, создавая тем самым благодатную почву для рака. Естественный отбор – это процесс изменения характеристик популяции с течением времени в результате разного уровня размножения и выживания отдельных индивидов внутри популяции, обладающих разными чертами. Вместе с тем эволюция также может происходить и в результате случайных факторов, влияющих на успех клеток. Генетический дрейф происходит в небольших популяциях – организмов, клеток или любых живых существ, – когда случайные события приводят к тому, что некоторые индивиды чаще выживают и оставляют больше потомства. Оба этих процесса – естественный отбор и генетический дрейф – играют свою роль в развитии рака внутри нас. В рамках данной книги я сосредоточилась на естественном отборе, потому что именно он помогает понять один из главных эволюционных парадоксов рака: как эволюция может привести раковые клетки к разрушению организма, который необходим им для выживания.

Как раковые клетки эволюционируют внутри нас

Мы привыкли считать эволюцию невероятно медленным процессом: на протяжении тысяч лет появляются случайные вариации, которые порой оказываются благоприятными для обладающих ими организмов, в результате чего популяция индивидов постепенно меняется, подстраиваясь под условия окружающей среды. Поскольку мы воспринимаем эволюцию как что-то очень медленное, может быть непросто понять, как этому процессу могут быть подвержены клетки нашего тела. Как эволюция может привести к появлению и господству раковых клеток за время всего одной человеческой жизни? Ответ прост: внутри человеческого организма эволюция протекает гораздо быстрее. Время генерации раковой клетки (от ее появления до первого деления) невероятно мало – зачастую порядка одного дня, – а размер популяции измеряется миллиардами, в результате чего скорость эволюции сильно возрастает.

НА САМОМ ДЕЛЕ ЗА ВРЕМЯ ОДНОЙ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ЖИЗНИ УСПЕВАЕТ СМЕНИТЬСЯ БОЛЬШЕ ПОКОЛЕНИЙ КЛЕТОК, ЧЕМ ЛЮДЕЙ ЗА ВСЮ ИСТОРИЮ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.

Но что же происходит с эволюцией рака, когда мы погибаем? Можем ли мы действительно называть происходящее внутри нашего тела эволюцией, если раковые клетки в итоге убивают организм, в котором живут? Можно ли говорить о том, что вид эволюционировал, если он в конечном счете вымер? Разумеется, можно: никто не станет утверждать, что динозавры не эволюционировали из-за того, что они в итоге вымерли, или то, что вид, ставший тупиковой ветвью развития, не является частью этого процесса.

Подобно тому как целые виды вымирают в ходе эволюции, популяции раковых клеток эволюционируют, пока это не заведет их в тупик. На самом деле такая тупиковая эволюция раковых клеток является примером более общего явления, именуемого в эволюционной биологии эволюционным самоубийством. При этом у популяции организмов появляются черты, которые в конечном счете обрекают на вымирание всего вида: например, они могут начать настолько эффективно потреблять ресурсы, что ничего не оставят для будущих поколений, либо обзавестись чрезмерно яркими украшениями для привлечения особей противоположного пола, из-за которых вся популяция окажется катастрофически уязвимой перед хищниками. К тому же раковые клетки не всегда оказываются тупиковой ветвью клеточной эволюции. Как вы убедитесь, иногда они могут передаваться другим индивидам и распространяться в популяции. Заразный рак был обнаружен у ряда видов, включая домашних собак, тасманских дьяволов и нескольких моллюсков. У всех них раковые клетки могут покинуть организм-носитель, попасть в новый и вырасти в нем. Благодаря этому они могут пережить своего первоначального носителя, и их эволюция перестает быть ограничена продолжительностью его жизни. Между тем подобная заразность раковых клеток не является необходимым условием для эволюции: подавляющее большинство умирает внутри организма-носителя, и пока этот день не наступит, рак будет подвержен естественному отбору и генетическому дрейфу, подобно любой другой эволюционирующей популяции.

ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ РАКОВЫХ КЛЕТОК ПОСРЕДСТВОМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА НЕОБХОДИМО СОБЛЮДЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ УСЛОВИЙ: РАЗНООБРАЗИЕ, НАСЛЕДУЕМОСТЬ И РАЗЛИЧНАЯ СТЕПЕНЬ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ.

Другими словами, клетки должны отличаться по своим характеристикам, которые, в свою очередь, должны наследоваться при их делении и оказывать влияние на приспособленность клеток к условиям среды обитания (то есть на их выживание и размножение). Удовлетворяют ли раковые клетки этим условиям? Определенно да. Раковые клетки представляют собой разнообразную популяцию с наследуемыми признаками, которые влияют на их адаптируемость. Давайте подробнее рассмотрим каждое из этих условий естественного отбора, а также то, как им отвечают раковые клетки.

Разнообразие: человек начинает свой жизненный путь с одной-единственной клетки. Многих из нас учили, что при делении этой клетки ее ДНК копируется, в результате чего получаются триллионы генетически идентичных клеток, из которых состоят наши организмы. На самом деле это не совсем так. Наши тела состоят из почти идентичных клеток, в каждой из которых содержится ДНК, регулирующая нормальное клеточное поведение. Проблема в том, что с каждым делением клетки эту ДНК необходимо копировать, а процесс копирования несовершенен. С каждым повторением цикла существует вероятность ошибки, а также вероятность того, что эта ошибка не будет обнаружена и исправлена в процессе генетической «корректуры». Из-за генетических мутаций клетки в нашем организме не являются идентичными.

Насколько сильно эти клетки отличаются друг от друга? Различий больше, чем вы могли бы себе представить. Большинство клеток в нашем организме несут в себе уникальные мутации, появившиеся в результате ошибок при копировании ДНК или других причин, таких как повреждение от солнечного излучения или воздействие химических веществ. Помимо этого генетического разнообразия, имеют место и эпигенетические вариации, когда отличаются не сами гены, а их экспрессия в клетках. В каждой клетке часть ДНК «свернута», благодаря чему ее можно считывать и производить в соответствии с приведенной в ней инструкцией белков, в то время как остальная ДНК «связана» и не производит белков. Эти эпигенетические различия сказываются на вариациях в поведении клеток, например на том, будут ли они двигаться, потреблять ресурсы или обмениваться сигналами с соседями. Генетические и эпигенетические различия служат топливом для соматической эволюции^[4].

Наследуемость: под наследуемостью подразумевается корреляция между чертами родителей и потомства. При отсутствии наследуемости невозможна передача потомству каких-либо качеств, которые помогли биологическим родителям выжить и размножиться. Наследуемы ли генетические и эпигенетические различия между клетками? Конечно, да. С каждым делением клетки мутации в ее ДНК копируются и передаются потомкам. Различия в экспрессии ДНК также могут быть унаследованы, поскольку эпигенетические изменения в ДНК тоже копируются в процессе деления клетки. Таким образом, мы можем представить свой организм как огромное генеалогическое древо клеток, и его ствол соответствует самой первой клетке, из которой развился весь организм, – оплодотворенной яйцеклетке. А каждая ветвь олицетворяет клеточное деление, в ходе которого были унаследованы характеристики клетки (см. рисунок 2.1). Мутации могут передаваться по этому клеточному генеалогическому древу точно так же, как они передаются от родителей своим детям.

Различная степень приспособленности: имеется в виду, что индивиды с одними чертами оставляют после себя больше потомства, чем с другими. Отличаются ли клетки нашего организма по количеству производимого ими клеточного потомства? Да. С самого нашего зарождения в материнской утробе одни клетки размножаются быстрее и интенсивнее, чем другие. В одних тканях пролиферация клеток протекает активнее, чем в других, и даже клетки одной ткани делятся с разной скоростью. Многие из этих расхождений в пролиферации обусловлены естественными эпигенетическими различиями между клетками (то есть различиями в экспрессии генов), которые позволяют нам должным образом развиваться в полноценно функционирующие многоклеточные организмы с пальцами на ногах, ушами, внутренними органами. Эпигенетические различия между клетками необходимы для нормального формирования, однако они также могут способствовать восприимчивости к раку.

Рисунок 2.1. На рисунке изображено эволюционное дерево клеток нашего тела с момента зачатия до полного развития. Рак показан слева в виде «густой» ветки. Наш организм развивается из одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), которая многократно делится, сначала образуя полый шарик из клеток (бластулу), который затем выворачивается в особую форму (гаструлу), где появляются разные типы клеток, из которых в итоге возникнут все клетки тела. Рак развивается из мутировавших клеток, которые размножаются слишком быстро, стремительно распространяясь по популяции соматических клеток, составляющих ткани, – здесь показано на примере рака печени, сформировавшегося из ее структуры

Другие различия в скорости размножения клеток связаны с мутациями в последовательностях ДНК, отвечающих за то, когда клетка «решает», что ей пора делиться. При наличии мутаций, которые позволяют клеткам активнее делиться, их доля в клеточной популяции возрастает с каждым поколением. Ветви клеточного эволюционного дерева, соответствующие более «плодовитым» клеткам, выглядят особенно разветвленными, так как оставляют после себя огромное количество потомков, которые, в свою очередь, сами оставляют еще больше (см. рисунок 2.1). Выживание также является важным фактором репродуктивных различий. Клетки, обладающие чертами, которые увеличивают вероятность их выживания, оставляют после себя больше потомков, чем клетки, которые вероятнее всего погибнут.

Таким образом, при соблюдении необходимых условий естественного отбора могут появляться различные адаптации (другими словами, черты или характеристики, помогающие индивидам выживать или размножаться). Особенно ценными адаптациями для человека являются те, что помогают ему оставаться невредимым, добывать пищу и находить партнеров. В мире же раковых клеток важны те, что связаны с высоким уровнем потребления ресурсов, защитой от атак иммунной системы, а также быстрым размножением в организме. Часть этих адаптаций на клеточном уровне работает против наших адаптаций на уровне всего организма – например, когда раковые клетки выживают и распространяются, их победа может напрямую конфликтовать с выживаемостью самого организма.

Вернемся к вопросу, с которого мы начали главу: можно ли сказать, что у рака вообще есть какая-то функция? Как мы видели, единственная реальная функция раковых клеток – это эгоистичное самовоспроизведение и выживание в организме-носителе, для которого рак не приносит совершенно никакой пользы.

Единственное назначение организма, связанное с раком, – это его подавление. Все наши адаптации, касающиеся рака, связаны с тем, чтобы держать его под контролем, не позволяя навредить нашей эволюционной приспособленности.

С точки зрения рака

Давайте теперь рассмотрим мир рака с точки зрения его самого. В конце концов, попытка взглянуть на ситуацию глазами врага – одна из самых древних и эффективных военных стратегий. В «Искусстве войны», классическом труде по военной стратегии, Сунь-цзы предостерегает от того, чтобы вступать в бой, не зная своего врага. На самом деле если изучить нашего врага, то запросто могут обнаружиться возможности для мирного сосуществования. Поняв обе стороны конфликта, мы можем спасти себя от затяжной битвы, из которой попросту невозможно выйти победителем.

В предыдущей главе я утверждала, что аналогия с войной в лечении рака чревата проблемами: она заставляет нас мыслить в направлении полного уничтожения противника, что зачастую в случае рака невозможно, поскольку у популяций раковых клеток в результате их эволюции вырабатывается устойчивость к применяемым нами методам лечения.

Идея о том, что полное уничтожение является единственным способом одержать победу – это просто плохая стратегия. Гораздо эффективней – попытаться поставить себя на место врага, чтобы лучше понять его слабые стороны, избежать разорительной эскалации конфликта, а также найти способы смягчения угрозы.

ЕСЛИ МЫ ВЗГЛЯНЕМ НА СИТУАЦИЮ ГЛАЗАМИ РАКА, ТО СМОЖЕМ ПРИДУМАТЬ НОВЫЕ И БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ СТРАТЕГИИ ПО ЕГО СДЕРЖИВАНИЮ.

Так каким же выглядит мир с точки зрения раковой клетки? Для нее наше тело – это сырье, которое можно использовать для создания новых своих копий. С позиции раковой клетки иммунные клетки – это хищники, которых следует избегать, а ткани и органы – потенциальные территории для колонизации. Мы для нее просто расходный материал.

У раковых клеток отсутствуют механизмы контроля поведения, которые могли бы помешать им уничтожить нас, своих носителей. Раковые клетки постоянно эволюционируют внутри каждого человека методом проб и ошибок, благодаря чему у них появляются адаптации (такие как быстрая пролиферация и быстрый обмен веществ), которые могут поставить под угрозу жизнь организма-носителя.

Как я уже упоминала, эволюция может завести рак в тупик: в ходе нее раковые клетки все более активно используют ресурсы организма-носителя, что в итоге может привести к их собственной гибели.

У всех организмов в процессе естественного отбора появляются новые способы выживания (а точнее, они просто закрепляются в популяции). Чтобы разобраться, что из этого считать адаптацией, достаточно ответить на следующий вопрос: «Как черта, характеристика или поведение могут способствовать выживанию или размножению данной сущности?» Подобный взгляд является частью так называемого адаптационистического подхода в эволюционной биологии. Адаптационизм – мощный инструмент для выдвижения новых гипотез, объясняющих, как и почему организмы эволюционировали именно так. Можно применить данный подход и для того, чтобы понять, как раковые клетки изменяются в нашем организме.

МНОГОКЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНИЗМЫ ВЕДУТ СЕБЯ ТАК, СЛОВНО ХОТЯТ ПЕРЕДАТЬ СВОИ ГЕНЫ СЛЕДУЮЩЕМУ ПОКОЛЕНИЮ, В ТО ВРЕМЯ КАК НА САМОМ ДЕЛЕ ЭТО ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР ОТДАЕТ ПРЕДПОЧТЕНИЕ ТЕМ ИЗ НИХ, КОТОРЫЕ УСПЕШНО ДОСТИГАЮТ ЭТОЙ ЦЕЛИ.

Аналогично, при рассмотрении раковых клеток можно в качестве условности принять, что их целью является передача генов потомству. Однако нельзя забывать, что это лишь мысленный прием, помогающий понять, как рак развивается внутри тела.

Подобное мышление называют телеологическим (от древнегреческого «телео» – «после» и «логос» – «причина»). Когда мы интерпретируем причину какого-либо события с точки зрения его последствий, применяем именно этот подход. Для нас довольно естественно воспринимать вещи с позиции какой-то всеобъемлющей цели, и зачастую оказывается полезно искать причины события постфактум. Тем не менее телеологическое мышление может привести нас и к ошибочному заключению. Помните игру, в которую мы играли в начале этой главы? Возможно, у вас появился соблазн выбрать один из неверных вариантов именно из-за телеологического мышления – вы могли прийти к выводу, что причина развития рака связана с его последствиями для нас, наших потомков или для всей человеческой популяции. Когда кто-то приходит к выводу о наличии цели, которой на самом деле нет, – это яркий пример телеологического мышления.

Вместе с тем телеологическое мышление не всегда приводит к ошибке. У некоторых событий действительно может быть какая-то цель (необязательно высшая). Так, например, у раковых клеток высокий уровень потребления ресурсов и пролиферации, потому что эти черты способствуют приспособленности на клеточном уровне. В этом смысле целью рака является банальное размножение.

Таким образом, телеологическое мышление, являющееся важной частью адаптационистского подхода в эволюционной биологии, может быть полезным инструментом для разработки эволюционными биологами гипотез об организмах. Эволюционный биолог может взглянуть на последствия какой-нибудь особенности организма и прийти к выводу, что те могли появиться в ходе эволюции для решения какой-то адаптационной проблемы. Например, почему у зебр есть полоски? Возможно, чтобы сбивать с толку хищников. Почему у деревьев есть листья? Чтобы улавливать энергию солнца в результате фотосинтеза. Если мы поймем, какую функцию несет черта организма, будет проще разобраться, какое эволюционное давление привело к ее появлению. Между тем следует иметь в виду, что, когда в результате эволюции развивается какое-то качество, которое повышает приспособленность организма, это вовсе не означает наличие какого-либо осознанного намерения.

ПРЕДКИ ЗЕБР НЕ СТРЕМИЛИСЬ ОБЗАВЕСТИСЬ ПОЛОСКАМИ – ПРОСТО ТЕ, ЧЕЙ РИСУНОК НА ШКУРЕ БЫЛ БОЛЕЕ ПОЛОСАТЫМ, ВЫЖИВАЛИ ЧАЩЕ.

В контексте адаптационизма телеологическое мышление может быть полезной отправной точкой для разработки гипотез с целью их дальнейшей проверки, однако это может привести к тому, что мы будем слишком усердно пытаться присвоить какую-то эволюционную функцию признакам, не имеющим никакой адаптационной цели. Мы не должны исходить из предположения, что каждая черта и характеристика, которыми обладает раковая клетка, является ее адаптацией – некоторые особенности раковых клеток попросту результат случайного генетического дрейфа и никак не связаны с естественным отбором или приспособлением.

Чрезмерное усердие в применении телеологического подхода также может привести к тому, что мы начнем приписывать эволюционные функции на уровне, на котором их просто нет. Рак живет не для того, чтобы приносить пользу отдельным организмам или человеческой популяции в целом. Он эволюционирует не для увеличения приспособленности людей или чтобы помочь нашему виду выжить – раковые клетки существуют, чтобы самим выживать и размножаться. Рассмотрение рака на клеточном уровне поможет избежать соблазна приписывать ему несуществующие функции.

Разобравшись с раком на клеточном уровне, мы сможем перейти на более глубокий и рассмотреть эволюцию через естественный отбор с точки зрения отдельных генов. Данный подход играет фундаментальную роль в эволюционной биологии и был популяризован Ричардом Докинзом в его книге «Эгоистичный ген», в которой он рассматривает организм как носитель, созданный естественным отбором для передачи генов следующему поколению. Его основной аргумент состоит в следующем: гены, увеличивающие выживаемость носителя, в котором они находятся, увеличат свою численность в следующем поколении. Но это еще не все: естественный отбор также благоволит «альтруистичным» генам, которые помогают выживать и другим носителям этих альтруистичных генов. В случае с людьми естественный отбор может благоволить как эгоистичным индивидам, так и тем, которые заботятся о своих сородичах. В случае с раковыми клетками естественный отбор может симпатизировать и эгоистичным клеткам, и приносящим пользу своим соседям.

Обе составляющие этого подхода с рассмотрением эгоистичного гена – то, как он может оказывать влияние и на эгоистичные, и на сотрудничающие носители: – помогают разобраться с эволюцией рака внутри нашего организма. Этот подход занимает центральное место в главном утверждении данной книги: рак по своей сути – это объединение недобросовестных клеток, функционирующих в многоклеточном обществе, где процветает сотрудничество и взаимопомощь. Вместе с тем эволюция сотрудничества среди раковых клеток не менее важна для понимания того, что происходит по мере развития рака. В следующих главах мы увидим, как естественный отбор может отдавать предпочтение раковым клеткам, сотрудничающим друг с другом для более эффективного использования организма, в котором они живут. Однако прежде давайте более внимательно рассмотрим, как именно эволюционирует рак, чтобы научиться злоупотреблять всеобщим сотрудничеством клеток, без которого само существование многоклеточной жизни было бы попросту невозможно.

3
Злоупотребление сотрудничеством между клетками

Нет ничего хуже, чем делить пространство с людьми, которые не выполняют свою часть работы, не убирают за собой и отказываются слушать, когда пытаешься с ними об этом поговорить. Если у вас когда-либо был такой сосед, вы прекрасно знаете, насколько тяжело жить с человеком, который не вносит свой вклад в поддержание чистоты и порядка и злоупотребляет вашим терпением. Если раковые клетки в нашем организме подобны плохим соседям, то развитие рака можно сравнить с второсортным фильмом про кошмарного соседа по квартире. Он начинается с того, что сосед съедает всю вашу еду и оставляет после себя грязную посуду, не выносит мусор и копит свою грязную одежду. Затем все становится еще хуже – намного хуже. Однажды, придя домой, вы обнаруживаете, что ужасный сосед пригласил к вам пожить на неопределенный срок своего такого же ленивого дружка; на следующий день каждый из них пригласил еще по одному лентяю, в результате чего с каждым днем таких соседей будет становиться в два раза больше. Они будут занимать одну комнату за другой, пожирая все на своем пути, и в конце концов место закончится – однако эта орава продолжит разрастаться и топтаться по вам, пока вы будете тщетно пытаться сохранить хоть какое-то подобие контроля над этим бардаком.

Для нормальных клеток, составляющих часть сложного и слаженного многоклеточного организма, раковые сродни толпам плохих соседей, сеющим хаос в идеально устроенной цивилизации. Раковые клетки превращают многоклеточный организм из трудолюбивого коллектива в разоренную землю, где царят эксплуатация, вымогательство и конфликты. Раковые клетки делятся, растут и занимают все большую часть тела, и из клеточного аналога недобросовестного соседа они могут перерасти в угрозу самому́ клеточному общественному строю, без которого попросту невозможно наше существование.

Между тем не все плохие соседи приводят к нашему уничтожению. Среди них есть и просто безалаберные дармоеды, которые пользуются нами из-за свой лени или незнания о негативных последствиях своего поведения. Когда писателю Джейкобу Брогану диагностировали рак щитовидной железы, он сравнил свою болезнь с тихим соседом, который жил с ним все это время, иногда оставляя после себя в раковине грязную посуду, однако на глаза почти не попадался. «Рак у нас не гостит, а, скорее, снимает жилплощадь, причем без нашего ведома», – написал Броган. Придуманная Броганом аналогия четко перекликается с биологией: рак зачастую живет в нас, подобно тихому соседу, порой десятилетиями, прежде чем в итоге даст о себе знать.

Данное сравнение с соседом – будь то ленивым, вредоносным или по большей части незаметным – является альтернативой аналогии с войной, и для многих видов рака оно гораздо более уместно. Сосед, не выполняющий свою часть обязанностей, во многих смыслах подобен раковой клетке, которая перестала выполнять работу, отведенную ей в многоклеточном организме. Сосед, поедающий ваши продукты сродни раковой клетке, потребляющей все доступные ей ресурсы. А сосед, приводящий домой таких же ленивых друзей, – это аналогия бесконтрольной пролиферации раковой клетки, обременяющей организм.

Подобно соседу-нахлебнику, раковые клетки бессовестно пользуются преимуществами межклеточного сотрудничества. Причем вместо полного уничтожения во многих случаях можно попробовать мирное, пускай и непростое, сожительство. Мы можем научиться более эффективно уживаться с раком и даже превратить его в болезнь, с которой будет достаточно легко жить.

В данной главе я рассмотрю рак как плохого соседа в нашем теле – недобросовестного и нагло злоупотребляющего альтруизмом нормальных клеток. Нечестные люди нарушают правила – как писаные, так и неписаные – совместной жизни с другими людьми. Аналогично раковые клетки ведут себя нечистоплотно, так как нарушают правила клеточного общества, без которого невозможно существование многоклеточных организмов. В рамках данной главы и книги в целом под недобросовестностью я буду подразумевать нарушение индивидом – будь то человеком в обществе или клеткой в нашем организме – общих правил исключительно ради собственной выгоды.

Говоря о недобросовестности рака, я вовсе не имею в виду, что его клетки осознанно нарушают правила, – я лишь хочу сказать, что эволюция приводит их к нарушению правил, поскольку это дает им преимущество. Как я уже говорила в предыдущей главе, в процессе изменения популяции – организмов или раковых клеток в нашем теле – в результате естественного отбора отдельные индивиды ведут себя так, как если бы они преследовали какие-то конкретные цели. Таким образом, называя раковые клетки обманщицами, я на самом деле подразумеваю, что в ходе развития они начинают нарушать правила многоклеточного сотрудничества, извлекая для себя выгоду в ущерб всему организму.

Учитывая указанные особенности нашей аналогии, я расскажу о нахлебничестве рака в многоклеточном сообществе, а также объясню, почему эволюция внутри тела отдает предпочтение недобросовестным клеткам. Первым делом давайте рассмотрим, как описывали рак в прошлом, а также как концепция недобросовестных клеток вписывается в различные определения рака.

Что такое рак?

Дать определение раку не менее сложно, чем его вылечить. Одни врачи определяют его как инвазивное новообразование, однако другие используют термин «рак» и для неинвазивных образований. Одни считают определяющей характеристикой рака нарушение естественной структуры ткани, в то время как другие делают упор на определенные ключевые генетические мутации. В основе моего взгляда на рак лежит эволюция многоклеточной жизни и появление у рака в ходе его нее «недобросовестности» в рамках многоклеточного сотрудничества. Такое определение рака дает фундамент для рассмотрения ряда разнообразных подходов к раку, позволяя охватить концепции, основанные на генетике, клеточной биологии и сравнительной биологии.

Дать определение раку можно очень разными способами: специалист по биологии рака, патолог, лечащий врач и специалист по сравнительной онкологии – каждый объяснят его по-своему, сделав упор на различные составляющие болезни. Так, изучающий рак биолог может сосредоточиться на характеристиках раковых клеток, а именно на том, появилась ли у клеток способность неограниченно делиться, вырабатывать собственные факторы роста и избегать апоптоза (контролируемая гибель клеток). Такие признаки были выбраны, потому что раз за разом наблюдались во всевозможных разновидностях рака (см. вставку 3.1). Я объясняю, как эти характерные признаки соотносятся с недобросовестным поведением раковых клеток в различных элементах многоклеточного сотрудничества (рис. 3.1).

ЕСЛИ ВЫ ПОПРОСИТЕ ПАТОЛОГА ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАКА, ТО ОН, СКОРЕЕ ВСЕГО, СКАЖЕТ ВАМ, ЧТО РАК ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ВНЕШНИМ ВИДОМ КЛЕТОК ПОД МИКРОСКОПОМ – В ЧАСТНОСТИ, АНОРМАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ТКАНИ И НЕДОСТАТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКОЙ КЛЕТОК.

Лечащий врач, непосредственно имеющий дело с больными раком пациентами, скорее всего, скажет, что определяющей особенностью рака является его инвазивная природа, а также способность к образованию метастазов, поскольку это самые важные факторы для прогноза. Если вы спросите специалиста по сравнительной онкологии – науке, исследующей рак у разных видов животных, – то он может первым делом посетовать на то, как сложно дать общее для всех видов определение рака из-за существенных различий в строении и биологии тканей, в которых он развивается у разных организмов. Учитывая это, он может добавить, что нет никакого смысла использовать инвазивность и метастазы в качестве критерия рака, так как у многих видов, подверженных похожим на рак заболеваниям, из-за особенности структуры тканей распространение опухоли и образование метастазов маловероятны, а то и вовсе невозможны.

Эти различающиеся определения и подходы мало что говорят нам о фундаментальной природе рака или о первоначальных причинах его появления. Они позволяют понять, как рак выглядит, как ведут себя раковые клетки, однако совершенно не раскрывают его реальную сущность. Тут-то в дело и вступает концепция недобросовестных клеток.

Характерные признаки рака и недобросовестное поведение клеток

Характерные признаки рака были изложены в ключевой работе специалистов по биологии рака Дугласа Ханахана и Роберта Вайнберга в 2000 году. Они выделили шесть отличительных признаков рака, к которым 10 лет спустя добавили два новых признака и две характеристики, способствующие его развитию. Эти признаки включают такие характеристики, как избегание клеточной смерти, бесконечное деление, неконтролируемое потребление энергии и образование метастазов за счет разрушения нормальной структуры тканей. Отличительные признаки рака идеально соотносятся с недобросовестным поведением клеток в рамках многоклеточного сотрудничества (рисунок 3.1), которые нарушают правила клеточного сообщества.

Рисунок 3.1. Характерные признаки рака вписываются в пять категорий недобросовестного клеточного поведения в рамках основ многоклеточного сотрудничества. Эти признаки перечислены на внешней окружности, а основы многоклеточного сотрудничества – во внутреннем пятиугольнике. Типы недобросовестного поведения в многоклеточном сообществе – нарушение выживания клеток, разрушение межклеточной среды, нарушенная дифференцировка, монополизация ресурсов и неконтролируемая пролиферация – показаны во внешнем пятиугольнике. Каждая категория недобросовестного поведения клеток соответствует определенным характеристикам рака. Признак «инвазия» показан со звездочкой, так как обычно затрагивает нарушение сразу нескольких основ многоклеточного сотрудничества. Нарушенная дифференцировка клеток показана с двойной звездочкой: она на данный момент не считается характерным признаком рака. Однако концепция недобросовестных клеток указывает на то, что, вероятно, ее следует включить в этот список (нарушение нормальной дифференцировки клеток считается важной характеристикой рака у патологов – еще один довод в пользу признания этого фактора отличительной характеристикой рака)^[5].

Рассматривая рак с точки зрения недобросовестных клеток, мы можем объединить различные взгляды на эту болезнь, а также понять, как природа рака связана с фундаментальным конфликтом интересов между эволюцией сотрудничества и эволюцией многоклеточной жизни. Концепция недобросовестной клетки позволяет объединить различные взгляды на рак в единую теорию. Как мы уже знаем, специалисты по биологии рака характеризуют его по его типичным особенностям, перечню известных фенотипов раковых клеток (их признаков и характеристик). Эти характерные признаки представляют собой проявления недобросовестного поведения клеток в рамках многоклеточного сотрудничества, лежащего в основе жизни.

В клинических условиях рак зачастую определяется наличием инвазии и метастазов (хотя имеются и исключения, такие как инкапсулированная карцинома молочного протока). То, что врачи делают упор именно на этих признаках, вполне логично, ведь это важнейшие индикаторы наличия угрозы жизни пациенту. Между тем, если рассматривать рак по всему древу жизни, инвазия и метастазы порой перестают быть определяющими факторами – более того, они могут и вовсе потерять какой-либо смысл. Так, например, у хохлатых кактусов отсутствуют многие характеристика рака, по которым его обычно определяют в больнице: у них нет ни органов, окруженных оболочками, которые могут быть разорваны инвазивными раковыми клетками, ни кровеносной системы, по которой они могли бы перемещаться к другим тканям и образовывать метастазы. В случае кактусов нет никакого смысла определять рак наличием инвазии и метастазов. Если мы хотим сравнивать между собой рак у различных форм жизни, то нам необходимо определение и подход, применимые для любой формы многоклеточной жизни, например концепция недобросовестных клеток.

Патологи, как правило, выискивают разрушения нормальной структуры тканей, а также клетки с нарушенной дифференцировкой, которые больше не выполняют отведенную им в многоклеточном организме работу. Нарушение нормальной структуры тканей и дифференцировки клеток соответствует несоблюдению двух важнейших элементов многоклеточного сотрудничества: ухода за межклеточной средой и разделения труда. Нарушенная дифференцировка может оказывать особое влияние на соматическую эволюцию, потому что такие клетки способны продолжать делиться, – клетки с нормальной дифференцировкой, как правило, делятся всего несколько раз, после чего становятся частью какой-нибудь обычной ткани (до момента своей гибели).

Сосредоточившись на различных способах нарушения основ межклеточного сотрудничества, мы можем составить концепцию, которая объединит между собой различные научные сферы и позволит сравнивать восприимчивость к раку по всему древу жизни.

Эволюционная загадка сотрудничества

Как в результате естественного отбора могло вообще зародиться сотрудничество, если недобросовестное поведение приносит больше выгоды? Чтобы понять, почему в результате своей эволюции раковые клетки начинают недобросовестно вести себя, сначала нам будет полезно рассмотреть более широкий вопрос: как вообще в ходе эволюции может появляться и сохраняться сотрудничество.

Теоретиками были предложены различные возможные объяснения – от взаимной выгоды и наказаний до разделения рисков и сотрудничества только с ближайшими родственниками, – которые были проверены на сотнях математических моделей. Несмотря на разнообразие решений и стратегий по поддержанию сотрудничества, их все можно разделить на две категории: решения, основанные на повторяющихся взаимодействиях индивидов друг с другом, и решения, основанные на генетическом родстве.

Многократные взаимодействия между индивидами могут способствовать сотрудничеству, так как теперь они могут пожинать плоды прошлого опыта или испытывать негативные последствия прежнего недобросовестного поведения. Из-за того, что взаимодействие повторяется, выгода от сотрудничества увеличивается, а от недобросовестного поведения – падает, в результате чего сотрудничество зачастую становится более предпочтительным вариантом. При возможности покидать партнеров и группы с недостаточным уровнем сотрудничества – либо если они могут выбирать себе партнера – сотрудничество оказывается более выгодным. Группы, где оно процветает, более стабильны и долговечны, так как получают коллективную пользу. Повторяющиеся взаимодействия сотрудничающих клеток могли играть свою роль на ранних этапах эволюции многоклеточной жизни, однако традиционно в качестве основного объяснения развития клеточного взаимодействия при переходе к многоклеточности ученые рассматривают генетическое родство.

Генетическое родство помогает решить проблему недобросовестного поведения и делает сотрудничество возможным, возвращая получаемую от него пользу генам, которые за него отвечают. Представьте себе суп из отдельных клеток (не являющихся частью какого-то многоклеточного организма). Часть этих клеток – «производители», то есть создают нечто, повышающее приспособленность соседних клеток к внешней среде (например, ферменты, помогающие им перерабатывать ресурсы). Другие клетки – «нахлебники», так как сами ничего не дают, однако пользуются тем, что вырабатывают производители. Если взаимодействие между индивидами в популяции происходит случайным образом, то нахлебники получают больше ресурсов, избегая затрат на выработку фермента. Их шансы на размножение увеличиваются (так как у них больше резервов), и они начинают доминировать в популяции. В конечном счете клетки-нахлебники возьмут верх, и все взаимодействующие клетки попросту вымрут. Это яркий пример классической проблемы недобросовестного поведения, ограничивающего эволюционную устойчивость сотрудничества.

Теперь давайте рассмотрим альтернативу случайному взаимодействию между клетками в этом супе: что, если производители будут держаться вместе и сотрудничать друг с другом, держась подальше от нахлебников? Каждый раз, когда производитель что-то вырабатывает, это приносит пользу остальным производителям: вместо того чтобы кормить нахлебников, производители приносят пользу друг другу, благодаря чему гены, кодирующие способность к производству, распространяются в популяции клеток.

Аналогично, когда все клетки в группе являются генетическими клонами, гены, отвечающие за сотрудничество между клетками, могут распространяться в результате процесса под названием «родственный отбор». Одна из причин невероятного уровня взаимопомощи между клетками, появившаяся в ходе эволюции многоклеточных организмов, – то, что клетки нашего тела (в первом приближении) являются генетическими копиями. Генетическое родство не объясняет все полностью – как мы увидим в следующем разделе, – однако оно помогает создать условия, делающие возможным развитие сотрудничества между клетками. Высокий уровень родства внутри группы клеток также позволяет появляться механизмам обнаружения клеток-нахлебников и противодействия им.

Генетическое родство клеточных кластеров повышает вероятность развития сотрудничества между клетками, тем самым подготавливая почву для формирования многоклеточной жизни. Но что же такого хорошего в многоклеточных организмах? С какой стати клеткам вообще отказываться от возможности размножаться самостоятельно, как отдельным индивидам, ставя эволюционную приспособленность клеточного коллектива выше своей собственной?

Многоклеточность – сотрудничество во плоти

Вы когда-нибудь задумывались о том, насколько проще была бы жизнь, будь у вас возможность клонировать себя? Один из вас ходил бы на работу, другой – мыл посуду и убирался дома, а третий разобрал бы, например, вашу электронную почту. И раз уж на то пошло, зачем останавливаться на трех? Почему бы не создать целую армию клонов, чтобы все успевать?

Именно поэтому жизнь на Земле и совершила скачок от одноклеточного образа жизни к многоклеточному: так было намного проще. В начале истории этой планеты доминировали одноклеточные организмы, такие как водоросли и бактерии, которые размножались и использовали ресурсы вроде углерода и азота. Затем появились клетки, которые опробовали новую стратегию: после деления они не становились двумя отдельными клетками, а оставались вместе, и в итоге у этих скоплений клеток появилась способность к разделению труда посредством регулирования геномов клеток: одни клетки теперь специализировались на перемещении всего организма, другие – на переваривании пищи, третьи – на размножении. Это сделало многоклеточные формы жизни гораздо эффективнее одноклеточных.

Конечно, это очень упрощенное описание эволюции многоклеточной жизни. У первых скоплений клеток были и многие другие преимущества перед отдельными клетками (например, способность защищаться от поглощения другими организмами и управлять рисками за счет совместного использования и хранения ресурсов). Группы клеток с такой коллективной организацией чаще выживали и процветали. Это было эффективной стратегией, и многоклеточная жизнь распространилась, заняв многие экологические ниши на нашей планете – от глубочайших океанических впадин до высочайших гор.

ЭВОЛЮЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОЙ ЖИЗНИ НЕ СТОЯЛА НА МЕСТЕ И В ИТОГЕ ПРИВЕЛА К ПОЯВЛЕНИЮ БОЛЬШИХ И СЛОЖНЫХ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ, ТАКИХ КАК ЧЕЛОВЕК.

Огромное сообщество клеток-клонов, работающих над единой целью по поддержанию жизни и здоровья (а также репродуктивного успеха) многоклеточного организма позволило добиться массового разделения клеточного труда, передвижения в беспрецедентных масштабах и эволюции сложнейших нервных систем, способных быстро обрабатывать информацию и реагировать на нее – прямо как вы делаете это сейчас, читая книгу.

Между тем, наряду со всеми этими преимуществами, многоклеточная жизнь связана и со своими проблемами. Большими проблемами. Чем больше клеточное сообщество, тем более привлекательной мишенью оно становится для потенциального злоупотребления – в частности, недобросовестными клетками, которые могут извлекать из него выгоду. Недобросовестное поведение – настоящий бич любой основанной на сотрудничестве системы, однако у данной проблемы есть несколько путей решения. Один из них – это генетическое родство. Если у индивидов, состоящих в биологическом родстве, имеются общие гены, отвечающие за взаимодействие (например, гены производства общественных благ), то их сотрудничество между собой приносит им пользу, в результате чего распространенность генов сотрудничества в следующих поколениях увеличивается. Многоклеточные организмы решают проблему недобросовестных клеток отчасти за счет генетического родства. В первом приближении наши многоклеточные тела состоят из генетически идентичных клеток, которые происходят от одной оплодотворенной яйцеклетки, что позволяет сохраняться генам, отвечающим за сотрудничество клеток и борьбу с их недобросовестным поведением.

Между тем одного только генетического родства недостаточно для обеспечения эффективного участия и координации. Представьте себе на секунду армию своих клонов: кто из вас будет главным? Будут ли остальные клоны вам подчиняться? Как вы будете координировать и распределять задачи или осуществлять обмен информацией для эффективного достижения поставленных целей? Что, если один из клонов окажется недобросовестным, злым или просто ленивым? Даже если у вас и всех ваших клонов будут общие цели и интересы – как у клеток нашего тела, – их наличие вовсе не обязательно решит задачу организации и координации вашей деятельности. Кроме того, если ваши клоны будут отличаться по степени развития различных навыков и мотивации, будет очень сложно понять, является ли кто-то из них (и если является, то кто именно) нахлебником (и что в таком случае с этим делать). Эти проблемы координации, регулирования и мониторинга сообщества клонов полностью аналогичны тем, которые приходится решать крупным, долгоживущим и сложным многоклеточным организмам.

Клетки многоклеточного организма регулируют и контролируют свое поведение с помощью сложных систем сигналов и генных сетей^[6], которые удерживают их от причинения вреда коллективу. Так как у всех клеток в организме одна и та же (по большей части) ДНК, то системы регулирования и координирования клеточного поведения у них тоже общие. Эти системы можно рассматривать как свод правил многоклеточной жизни. Правила не указывают, что каждой клетке делать в каждый момент времени, однако дают им понять, как вести себя в различных ситуациях.

В основе многоклеточного взаимодействия лежат несколько фундаментальных черт поведения клеток, которые позволяют организму развиваться и функционировать (рис. 3.1). Мы с коллегами называли их в своих предыдущих публикациях «основами многоклеточного сотрудничества», однако в рамках этой книги я предпочитаю аналогию со сводом правил, поскольку она подчеркивает, что эти характеристики сотрудничества на самом деле являются моделями поведения, без которых невозможна многоклеточная жизнь.

Так какие же правила содержатся в этом своде?

1. Контролируй свое деление. Для гармоничного развития функционального многоклеточного организма клеткам необходимо подавлять собственную пролиферацию/деление. Без подобного контроля были бы нарушены структура и функциональность многоклеточных организмов, потому что они продолжали бы неограниченно расти.

2. Самоуничтожайся, если начнешь представлять угрозу. Некоторые клетки, например бесконтрольно делящиеся, могут ставить под угрозу жизнеспособность многоклеточного организма. Другие клетки, вроде тех, из которых в процессе нашего внутриутробного развития поначалу между пальцами рук и ног образуются перепонки, могут стать также помехой.

3. Делись ресурсами и транспортируй их. В многоклеточных организмах размером более нескольких миллиметров кислород и другие питательные вещества не могут добраться до внутренних клеток только за счет диффузии – для этого требуется активная транспортировка ресурсов по организму в том или ином виде. К примеру, наша пищеварительная и кровеносная система представляют собой сложные системы транспортировки ресурсов, обеспечивающие клеткам тела доступ к питательным веществам, необходимым им для выживания и выполнения всех своих функций, делающих нас жизнеспособными многоклеточными организмами.

4. Делай свою работу. Разделение труда является одной из основ многоклеточного сотрудничества. В нашем организме сотни различных типов клеток, и каждые из них выполняют свою работу: клетки печени выводят из крови токсины, клетки сердца перекачивают по телу кровь, нейроны передают электрические сигналы. Иногда клетки перестают работать или перестают делать свою работу правильно. Тогда они становятся угрозой многоклеточному организму, так как могут в один момент экспрессировать не те гены, посеяв хаос в более масштабных системах регуляции, без которых невозможна многоклеточная жизнь.

5. Заботься об окружающей среде. Наш организм – это целый отдельный мир. Клетки создают структуру тканей, в которых они живут, у них есть системы для сбора и удаления отходов, которые иначе бы накапливались в организме. Клетки тела создают этот мир в процессе нашего развития, а затем поддерживают его на протяжении всей нашей жизни. Структура тканей помогает удерживать клетки на своем месте (не допуская их вторжения в соседние ткани), а также поддерживает правильную экспрессию генов, чтобы в клетке присутствовали необходимые для ее работы белки.

Эти пять базовых правил составляют основу жизни и здоровья многоклеточных организмов. Когда они нарушаются, создается благоприятная почва для развития рака. Так как же именно происходит распад этого многоклеточного сотрудничества?

Иногда генетический механизм, лежащий в основе этого свода правил многоклеточной жизни, дает сбой. Он происходит в результате генетических изменений, таких как мутации ДНК, либо эпигенетических изменений (таких как аномальная экспрессия генов). Поврежденные клетки, нарушающие правила многоклеточного сотрудничества, порой получают эволюционное преимущество за счет использования клеток, которые продолжают их соблюдать. Важно отметить, что наличие у поврежденных клеток эволюционного преимущества – огромная редкость. Обычно мутации делают клетки менее жизнеспособными, и, даже если они и приносят пользу (скажем, в виде более быстрой пролиферации), эти мутации зачастую обрекают их на смерть. В нашем организме есть системы обнаружения и уничтожения клеток, которые имеют потенциал стать раковыми, тем самым обычно лишая мутировавшие клетки какого-либо преимущества. Тем не менее иногда поврежденным клеткам все же удается добиться эволюционного доминирования над здоровыми клетками. Давайте рассмотрим несколько примеров.

Контроль клеточной пролиферации – важнейшая составляющая многоклеточного сотрудничества. Она обеспечивает организму стабильность и защиту от рака. Быстрая пролиферация клеток – один из ключевых отличительных признаков рака. Хроническому миелоидному лейкозу зачастую сопутствует мутация под названием «транслокация», которая «переписывает» свод правил поведения клеток, перенося участок одной хромосомы на другую. В результате образуется гибридный ген BCR-ABL, в котором промотор (участок гена, ответственный за его «включение») гена BCR соединяется с геном ABL (отвечающим за пролиферацию клеток иммунной системы). В результате этого слияния клетка считывает с полученной генетической последовательности инструкцию к продолжению пролиферации. Клетки, несущие данное изменение, продолжают делиться, когда обычные клетки этого не делают, и из-за мутации они не подчиняются тем же правилам, что и нормальные клетки. Как результат, они оставляют после себя больше клеток-потомков.

Рак также может развиваться и в результате мутаций, которые повреждают гены, регулирующие клеточную смерть, как TP53 – ген-супрессор опухолей, который я буду использовать в качестве примера на протяжении всей этой книги. Он помогает защищать многоклеточные организмы от поврежденных клеток, провоцируя их гибель, если поврежденная ДНК не может быть восстановлена. Если мутации затрагивают сам ген TP53, клетки продолжают жить и делиться, как бы сильно их ДНК ни была повреждена. Таким образом, повреждение TP53 и других регулирующих клеточную гибель генов может дать клеткам эволюционное преимущество: клетки, которым удается избежать смерти, оставляют после себя больше потомков, чем те, что строго соблюдают установленные правила и погибают, если начинают представлять угрозу жизнеспособности всего организма.

СБОИ МЕХАНИЗМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ПРОЛИФЕРАЦИИ КЛЕТОК И КОНТРОЛИРУЕМОЙ КЛЕТОЧНОЙ СМЕРТИ – ЭТО ВСЕГО ЛИШЬ ДВА ПРИМЕРА ПОВРЕЖДЕНИЯ СВОДА ПРАВИЛ МНОГОКЛЕТОЧНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА, КОТОРОЕ МОЖЕТ ПРИВЕСТИ К РАКУ.

Повреждения других элементов этого свода правил – например, генов, регулирующих использование ресурсов, разделение труда и уход за внеклеточной средой, – также могут способствовать развитию рака. Как правило, у раковых клеток имеются мутации в генах, регулирующих использование ресурсов, – а именно мутации метаболических путей^[7], – что позволяет им потреблять гораздо больше запасов, чем это делают обычные клетки, соблюдающие установленные правила. Нарушение обычного разделения труда между клетками также может быть благоприятным фактором развития рака: отсутствие нормальной дифференцировки клеток либо их дедифференцировка (другими словами, возвращение к состоянию как у стволовых клеток, которые могут стать клеткой любого типа) может привести к изменению нормальной структуры тканей и нарушению работы целых органов и систем. Кроме того, клетки, не выполняющие свои функции, тратят меньше энергии, благодаря чему могут расходовать больше ресурсов на свою пролиферацию и другие задачи, угрожающие жизнеспособности многоклеточного организма. Наконец, раковые клетки могут никак не заботиться о внутренней среде организма и даже активно ее разрушать, например выделяя молочную кислоту. Молочная кислота способна разрушать внеклеточную матрикс^[8], а вместе с ней и структуру тканей, тем самым позволяя раковым клеткам проникать в соседние ткани.

Одной из причин такой сложной эволюции рака является то, что естественный отбор протекает сразу на двух пространственно-временных уровнях: среди клеток внутри организма в течение его относительно непродолжительной жизни и среди всех организмов на протяжении очень длительного периода их эволюции. Раковые клетки эволюционируют внутри организма, однако организмы, лучше справляющиеся с подавлением рака – с помощью систем эффективного обнаружения и ликвидации недобросовестных клеток, – чаще выживают и оставляют больше потомства. Таким образом, для понимания загадочной природы рака необходимо иметь четкое представление о многоуровневом отборе.

Чтобы понять, как такой многоуровневый отбор отражается на сотрудничестве и недобросовестном поведении, давайте рассмотрим классический пример социальной дилеммы. Социальной дилеммой называют ситуацию, в которой стратегия, оптимальная для индивида, отличается от стратегии, оптимальной для всей группы в целом. Аналогичное явление наблюдается и в случае рака: то, что оптимально для отдельных клеток (недобросовестное поведение в многоклеточном сообществе), отличается от оптимальной стратегии с точки зрения всего организма в целом (соблюдения правил многоклеточного сотрудничества).

Представьте себе популяцию индивидов, среди которых есть как добросовестные члены группы, так и нахлебники. Скажем, у нас есть сто индивидов, поделенные на 10 групп по 10 в каждой. Подобную структуру принято называть метапопуляцией. Изначально популяция состоит из примерно равного количества нахлебников и добросовестных индивидов, распределенных по этим 10 группам (рис. 3.2). Из-за случайных вариаций в одних группах будут преобладать добросовестные индивиды, а в других – нахлебники. Будут также и группы с более-менее равным соотношением. У каждого индивида в любой группе есть выбор – вносить свой вклад во благо всей группы и в ущерб собственным интересам (как поступают добросовестные индивиды) или не вносить (как поступают нахлебники). Независимо от того, какой вклад каждый вносит в группу, все получают равную часть группового блага. Таким образом, добросовестные индивиды вкладываются в общественную пользу, в то время как нахлебники лишь пользуются внесенным ими вкладом.

Теперь давайте добавим в этот сценарий механизм естественного отбора: чем больше благ получает каждый индивид, тем с большей вероятностью он выживает и оставляет потомство – собственные копии в следующем поколении (рис. 3.2). Таким образом, внутри каждой группы нахлебникам будет доставаться больше, чем добросовестным индивидам, и они будут активно размножаться. Этот процесс чрезвычайно схож с тем, что происходит при развитии рака.

Если же сравнить группы между собой, то обнаружится интересная и парадоксальная закономерность. Внутри каждой группы у нахлебников имеется явное преимущество над добросовестными участниками, и постепенно их процентное соотношение в группе увеличивается. Между тем, если взглянуть на всю популяцию целиком, окажется, что объединения, в которых больше добросовестных индивидов, разрастаются, в то время как численность тех, где преобладают нахлебники, сокращается. Таким образом, в масштабах всей популяции добросовестные индивиды могут одержать победу, пускай в любой отдельно взятой группе у нахлебников и будет перед ними преимущество. Если эти группы могут делиться и копировать себя, то те, в которых меньше нахлебников, в итоге оставят после себя больше потомков.

Рисунок 3.2. Добросовестные индивиды способны превзойти нахлебников, если популяция подразделяется на несколько групп. Первоначальный состав групп показан вверху, и по мере продвижения вниз их размер и состав меняются. Объединения, в которых изначально преобладали нахлебники (слева), со временем уменьшаются в размере, в то время как те, в которых было больше добросовестных участников (справа) со временем разрастаются. Если рассматривать всю популяцию целиком, то со временем уровень сотрудничества возрастает, хотя в каждой отдельной группе относительное количество нахлебников и увеличивается. Этот кажущийся парадокс объясняется тем фактом, что группы, в которых больше добросовестных индивидов, растут быстрее тех, в которых преобладают нахлебники.

Любая популяция многоклеточных организмов, по сути, представляет собой метапопуляцию клеток, разделенных на группы примерно по 30 триллионов клеток (если это человек). Внутри каждого отдельного многоклеточного организма естественный отбор благоволит клеткам-нахлебникам, однако в рамках популяции многоклеточных организмов побеждают те, в которых больше клеток, добросовестно сотрудничающих друг с другом: такие организмы дольше живут и оставляют после себя больше потомства. В итоге поучается, что естественный отбор симпатизирует организмам, состоящим из более добросовестных клеток, которые лучше борются с клеточным нахлебничеством. Естественный отбор на уровне организмов отдает предпочтение клеточному сотрудничеству, а также способности к обнаружению и подавлению недобросовестного поведения клеток. Другими словами, отбор благоволит организмам с более эффективными системами подавления рака.

Естественный отбор происходит не только на двух очень разных уровнях, но и в двух очень разных временных масштабах. На протяжении сотен миллионов лет в ходе естественного отбора организмы становились все более эффективными в многоклеточном сотрудничестве и подавлении рака. С другой стороны, клетки подвержены естественному отбору на протяжении всей нашей жизни, и нахлебники имеют эволюционное преимущество перед добросовестными клетками внутри нашего тела.

Этот процесс многоуровневого отбора (также называемого групповым отбором) является общепринятым фактом применительно к раковым клеткам и многоклеточным организмам. Вместе с тем следует упомянуть, что до сих пор нет единого мнения по поводу того, оказывали ли подобные процессы какое-либо влияние на формирование человеческих популяций, в частности отдавала ли эволюция предпочтение сотрудничающим группам людей по сравнению с группами нахлебников. Самое прямое отношение к изложенным здесь идеям имеет тот факт, что нет никаких споров относительно важной роли многоуровневого отбора в понимании эволюции раковых клеток и эволюции механизмов подавления и контроля рака у многоклеточных организмов.

Поиск недобросовестных клеток

У раковых клеток всегда будет эволюционное превосходство перед многоклеточными организмами, поскольку они размножаются очень быстро, делятся каждые несколько дней, в то время как многоклеточные организмы, подобные нам, дают потомство лишь каждую пару десятков лет. За счет этого эволюционные изменения в клетках происходят гораздо быстрее. С другой стороны, у нас есть преимущество – сложные стратегии контроля рака: еще до начала развития раковых клеток внутри организма он сам успел претерпеть миллионы лет эволюции, так что у него в рукаве есть несколько козырей для удержания потенциальных раковых клеток под контролем. Чтобы держать в узде клетки, нарушающие законы многоклеточного сообщества, наш организм в ходе эволюции обзавелся многоуровневыми механизмами обеспечения порядка, от восстановления поврежденных ДНК до систем контроля клеточного деления и иммунного надзора.

Клеточная совесть

Клетки наделены внутренними механизмами, контролирующими их поведение, – своего рода клеточным аналогом совести. Они отслеживают внутреннее состояние клетки на предмет любого ненормального поведения, которое может указывать на то, что эта клетка стала угрозой целостности или жизнеспособности многоклеточного организма, частью которого она является. Они позволяют клетке непрерывно проверять, должным ли образом она выполняет отведенные ей, как члену многоклеточного сообщества, функции. Разумеется, этот мониторинг происходит неосознанно: клетки просто отслеживают информацию с помощью своей генетических сетей. сети. Генная сеть представляет собой сложную систему обработки информации, благодаря которой клетка берет на входе различные проявления ненормального поведения, а на выходе получает сигналы тревоги, которые направляются другим элементам сети в случае обнаружения проблем.

Эта информация передается по различным генетическим сетям, например сетям гена подавления рака TP53. Подобные гены подавления рака и генетические сети, передающие им информацию, призваны обнаруживать повреждения ДНК, белки с нарушеной структурой или функцией и другие сигналы, которые могут указывать на то, что клетка вышла из строя и перестала служить интересам многоклеточного организма. Ген TP53 – это центральный узел в обширной сети передачи клеточной информации. Его роль – своего рода центральное разведывательное управление, которое отслеживает поведение клеток организма (рис. 3.3). Анализируя сигналы, полученные от клетки и ее соседей, он «решает» судьбу каждой из них. Исследователи рака прозвали ген TP53 хранителем генома, однако я предпочитаю называть его геномным детектором нахлебников. В случае своей активации ген TP53 может воспрепятствовать делению клетки, запустить процесс восстановления ДНК либо, если клетка слишком сильно повреждена, инициировать апоптоз (запрограммированную клеточную смерть).

Я еще вернусь к гену TP53, когда речь зайдет о раке у разных обитателей древа жизни. Различия в генах подавления рака, таких как ген TP53, играют важную роль в восприимчивости к раку у разных видов. Так, например, у слонов имеется сразу несколько копий гена TP53, что, скорее всего, является одной из причин их невероятной устойчивости к раку. К сожалению, внутренние противораковые системы клетки, такие как ген TP53, могут не сработать – во всех организмах, от слонов до мышей, – в результате чего клетки с поврежденной ДНК могут продолжить жить и размножаться. Если это случается, наш организм переходит на следующую линию обороны: соседский дозор.

Рисунок 3.3. Ген подавления рака TP53 выступает в роли центрального узла генной сети, где в результате анализа поступающей информации принимается решение о том, угрожает ли клетка жизнеспособности организма. По сути, ген TP53 играет роль системы обнаружения недобросовестности, действующей внутри каждой клетки. Производство белка p53 позволяет ему собирать информацию по различным аспектам клеточной функции, которые могут указывать на нечестное поведение клетки (включая аномальный метаболизм, поврежденную ДНК и неуместную миграцию). В ответ на эту информацию ген TP53 может прервать клеточный цикл, восстановить ДНК и даже при необходимости инициировать апоптоз (клеточное самоубийство).

Соседский дозор

Подобно тому как жители квартала следят за порядком у себя в районе, клетки наблюдают за тем, как ведут себя их соседи. Это помогает им на корню пресекать возникающие угрозы, а также обеспечивает надлежащее поведение соседних клеток в многоклеточной структуре. Механизмы клеточного дозора позволяют клеткам контролировать своих соседей: какие и в каком количестве гены они экспрессируют и не указывает ли это на какую-то проблему, например на недобросовестное поведение.

ОБЫЧНО КЛЕТКИ ВНУТРИ ОРГАНИЗМА ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВОСПРИИМЧИВЫ К СИГНАЛАМ, ПОСТУПАЮЩИМ ОТ ИХ СОСЕДЕЙ.

Крейг Томпсон, президент Мемориального онкологического центра Слоана—Кеттеринга, описывает эту повышенную чувствительность следующим образом: каждая клетка нашего организма словно просыпается каждое утро с мыслями о самоубийстве, от которого ее приходится отговаривать соседям. И действительно, клетки постоянно посылают друг другу сигналы о поддержании жизнедеятельности, и они могут запустить процесс клеточного самоубийства при малейшем намеке на «неодобрение» со стороны кого-то из своих соседей. «Заметив», что одна из соседних клеток начала стремительно размножаться, другая клетка перестает посылать ей сигналы о поддержании жизнедеятельности и может даже отправить команду к апоптозу, призывая ее самоуничтожиться. Такая система соседского надзора помогает защитить организм от раковых клеток.

Внутренняя полиция

На случай, если сама клетка и соседский дозор не смогли предотвратить недобросовестное поведение, имеется еще одна линия защиты: иммунная система. Она контролирует весь организм, косвенно отслеживая сигналы неуместного поведения клеток, включая чрезмерную пролиферацию и потребление ресурсов, а также обход механизмов самоуничтожения путем патрулирования организма на предмет анормального уровня экспрессии генов. Иммунные клетки могут зафиксировать недобросовестное поведение клетки, обнаружив опухолевые антигены – белки, которые производят раковые клетки. Опухолевые антигены также могут образовываться в результате нарушения клеточного цикла, клеточной адгезии и в ходе стрессовой реакции клетки. Иммунная система собирает информацию о поведении клеток по всем тканям и системам органов, выискивая потенциальные признаки каких-либо нарушений – вроде присутствия этих опухолевых антигенов, – и направляет иммунные клетки в место обнаружения возможной угрозы. Иммунным клеткам поручено выискивать и уничтожать все, что причиняет вред многоклеточному организму, и раковые клетки не являются исключением. Если иммунной системе удается обнаружить и идентифицировать раковые клетки, то она отдает приказ об их ликвидации, тем самым помогая защищать организм.

В идеале эти три системы подавления рака – внутренняя, соседская и системная – занимаются совместным обнаружением и контролем потенциальных раковых клеток. Эти механизмы, как правило, справляются со своими задачами, однако они не застрахованы от сбоев. За эти механизмы отвечают гены, которые сами могут оказаться повреждены в процессе развития рака. Более того, многие из генов подавления рака могут быть подвержены мутациям даже в «нормальной» ткани без каких-либо признаков опухолеподобных образований.

В результате мутаций популяции раковых клеток могут научиться обходить все эти защитные системы.

Так, например, изменения гена TP53 могут вывести из строя внутриклеточные системы подавления рака. Мутациям подвержены и гены, отвечающие за взаимодействие между клетками, в результате чего клетки перестают обращать внимание на получаемые от своих соседей сигналы. Способность иммунной системы находить раковые клетки также постоянно подрывается в процессе эволюции рака. Раковые клетки учатся избегать уничтожения иммунной системой, меняя белки на своей поверхности или мешая передаче иммунных сигналов. Подобно популяциям животных, которые в результате эволюции учатся все лучше спасаться от хищников, популяции раковых клеток подвержены постоянному давлению отбора, под действием которого у них вырабатываются механизмы обхода защитных систем.

Клеточное разведывательное управление

Системы обнаружения недобросовестных клеток совместными усилиями разыскивают, подавляют и ликвидируют потенциальные раковые клетки, поддерживая здоровье организма. Внутри нас имеются обширные сети обработки информации в виде систем передачи сигналов от клеток, с помощью которых осуществляется контроль за соблюдением порядка в многоклеточной организации. Информация обрабатывается и передается не только между клетками, но и внутри клеток посредством генетических сетей вроде сети гена TP53, о которой мы уже говорили. Крупные организмы, такие как человек, научились использовать клеточные и генетические сигналы для обнаружения недобросовестного поведения на клеточном уровне и своевременного на него реагирования.

Принцип обработки информации помогает нам понять некоторые эволюционные загадки гена TP53 – в частности, почему, несмотря на огромную важность для подавления рака, его так легко можно вывести из строя. Ген TP53 вызывает недоумение: он играет невероятно важную роль в защите организма от рака, и тем не менее нам от каждого из родителей достается всего по одной его копии – в случае отсутствия или повреждения одной из них организм становится крайне уязвим перед раком, как это происходит при синдроме Ли—Фраумени (к которому я еще вернусь в другой главе). Ген TP53 также выступает центральным узлом генетической сети клетки, так что его повреждение чревато катастрофическими последствиями для контроля клеточного деления и апоптоза. Разве не было бы логично сделать систему обнаружения недобросовестного клеточного поведения более надежной и распределенной? Зачем направлять всю информацию через TP53?

Потенциальный ответ на этот вопрос нам дает теория обнаружения сигнала, а также принцип детектора дыма, как его называет исследователь в области эволюционной медицины Рэндольф Несс: датчик должен быть достаточно чувствительным для обнаружения пожара, даже если для этого и придется мириться с периодическими ложными срабатываниями. В случае с подавлением рака ложное срабатывание, способное привести к потере одной «хорошей» клетки на миллион, – это небольшая цена за общую защиту от рака.

Конечно, в случае ложной пожарной тревоги мы просыпаемся от рева сирен, теряя драгоценные часы сна, либо впустую тратим время на эвакуацию из здания. Нечто подобное происходит и при ложных сигналах тревоги от гена TP53: за них тоже приходится расплачиваться. Если ген TP53 бьет тревогу, когда на самом деле клетка не представляет никакой угрозы организму, это может привести к преждевременному старению. Кроме того, может вызвать воспаление там, где происходит апоптоз, и даже способствовать появлению новых, потенциально способствующих раку мутаций по мере пролиферации клеток для замены погибших в результате апоптоза.

КАК ЖЕ БЫТЬ ОРГАНИЗМУ? ЧТО ЕМУ ВЫБИРАТЬ: ПОЗВОЛЯТЬ ВЫЖИВАТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ РАКОВЫМ КЛЕТКАМ ИЛИ УБИВАТЬ ЧАСТЬ ЗДОРОВЫХ КЛЕТОК, НАНОСЯ ТЕМ САМЫМ СЕБЕ ВРЕД?

В теории обнаружения сигнала утверждается, что существует фундаментальный компромисс между этими двумя типами ошибок – пропуском (раковая клетка продолжает жить) и ложным срабатыванием (погибает здоровая клетка). С другой стороны, этот компромисс можно обойти, повысив точность за счет более эффективного использования данных (другими словами, принятие решений на основе анализа более качественной информации в большем количестве). Согласно теории обнаружения сигнала, изучающей проблему принятия решений в ситуациях с неоднозначными данными, повышения точности можно добиться, по отдельности рассматривая различные фрагменты данных, называемых сигнальными метками. Решения, принятые по совокупности таких меток, будут более взвешенными, чем полученные на основе одного-единственного фрагмента данных. В случае с раком и геном TP53 для принятия «более взвешенных решений» можно собирать данные со многих элементов генетической сети, которые помогут определить, может ли клетка представлять угрозу развития рака.

Сбор информации из разных источников повышает точность системы обнаружения сигнала, так как одновременно снижается вероятность и пропуска, и ложного срабатывания. Проще всего это сделать, объединяя информацию из двух источников, вместо того чтобы просто использовать порог обнаружения по одному критерию. Так, например, системы пожарной сигнализации, одновременно анализирующие данные о дыме и температуре, спасают жизни, упрощая обнаружение пожара (уменьшается вероятность пропуска), причем ложная пожарная тревога при этом также случается реже (уменьшается вероятность ложного срабатывания). Одновременное использование нескольких критериев упрощает обнаружение сигнала (в данном случае пожара), не вызывая при этом каскад ложных срабатываний. Подобное обнаружение с использованием множества критериев может повысить точность любой системы принятия решений. Когда ложные сигналы дорого обходятся, использование дополнительной информации для принятия решений помогает избегать ненужных затрат. В случае с пожарной сигнализацией ложное срабатывание приводит к ненужной эвакуации людей из здания и вызову пожарной бригады. В случае с системами подавления рака ложные срабатывания приводят к гибели клеток, не представляющих угрозы развития рака, и возможному преждевременному старению организма. С помощью дополнительной информации клетки (и весь организм в целом) могут принимать более взвешенные решения по поводу того, представляет ли та или иная клетка опасность.

Чтобы использовать данные из нескольких источников, необходимо наличие эффективного способа объединения и определения значимости каждого критерия. В случае пожарного датчика дыма и тепла в системе должны быть четко прописаны правила обработки данных по этим двум параметрам. Когда должна сработать пожарная тревога? При превышении определенного порогового значения по обоим критериям? Может ли срабатывание быть вызвано только дымом или теплом, если их уровень достигнет достаточно высокого уровня? Даже для системы принятия решений по двум критериям вроде этой продвинутой пожарной сигнализации правила срабатывания становятся гораздо более сложными, и для принятия максимально точного решения информация должна обрабатываться в едином центральном узле.

Принятие точного решения требует увеличения вычислительной мощности. Система объединяет информацию в одном контуре из проводов, нейронов или генов в сети, где критерии могут быть должным образом взвешены, суммированы и проанализированы. В генных сетях наших клеток, которые обнаруживают и ликвидируют недобросовестных соседей, объединяются различные условия, чтобы более точно различать нормальные клетки в необычных условиях и потенциальные раковые клетки.

Давайте рассмотрим пример, в котором использование нескольких фрагментов данных позволяет гену подавления рака принять более точное решение, чем по одной-единственной части информации. Если у гена, участвующего в подавлении рака, имелся бы доступ только к сведениям о скорости деления клеток и пороговое значение было бы установлено достаточно низким, чтобы не упустить ни одной потенциально раковой клетки, то каждый раз, когда клетки начинали быстро делиться, участвуя в процессе заживления раны, он бы бил тревогу. При увеличении порога срабатывания подобных ложных реакций удалось бы избежать, однако были бы пропущены быстро делящиеся клетки, которые действительно представляют угрозу для организма. Генной сети, которая использует всего один критерий, приходится делать выбор между ложными срабатываниями и пропусками.

Теперь рассмотрим сеть, которая решает, представляет ли клетка угрозу развития рака, уже по двум критериям: скорости пролиферации клетки и уровню факторов роста, выделяемых соседними клетками. Если клетка быстро делится, а уровень факторов роста в окружающей ее среде низок, то эти два фрагмента данных вместе являются весьма надежным индикатором того, что эта клетка несет в себе риск развития рака. Если клетка быстро делится, однако делает это в ответ на присутствие в своем окружении факторов роста, можно с большой вероятностью утверждать, что ее активная пролиферация несет какую-то полезную для организма функцию, например заживление раны или рост в процессе развития. Анализируя скорость пролиферации и уровень факторов роста по соседству, генетический контур может сделать более точную оценку риска, который клетка представляет для организма, нацелившись строго на те, которые могут стать раковыми.

Использование двух критериев позволяет генным сетям подавления рака принимать более взвешенные решения, а если критериев будет больше, то точность станет еще выше – при условии рационального анализа этих фрагментов данных с целью отличия недобросовестных клеток от нормальных. Например, если генная сеть подавления рака будет использовать не только информацию о скорости пролиферации и уровне факторов роста, но и такие дополнительные критерии, как степень повреждения ДНК, скорость обмена веществ в клетке и наличие причин выживания, то точность различия между нормальной клеткой в необычных условиях и раковой клеткой с недобросовестным поведением, увеличится.

Возможно, именно повышенная точность, которую дает совместный анализ нескольких источников информации, и объясняет сложность генетических сетей вокруг генов-супрессоров опухоли, таких как ген TP53, и их связь с генетическими сетями, управляющими клеткой. Эти взаимосвязи позволяют генам-супрессорам следить за всей системой и анализировать информацию по всем аспектам функционирования клетки и ее физиологии. Для увеличения точности принимаемых решений информацию приходится собирать воедино в центральном узле (например, гене TP53) для ее совместного анализа. Если бы данные обрабатывались в отдельных контурах, у клетки были бы установлены отдельные, никак не связанные между собой пороговые значения для скорости пролиферации, поврежденных белков и других критериев определения степени угрозы клетки организму, при превышении которых срабатывал бы «сигнал тревоги». Это бы приносило определенную пользу, однако система обнаружения и подавления рака будет куда более точной при одновременном анализе нескольких факторов, когда, скажем, тревога срабатывает лишь при условии чрезмерно быстрой пролиферации клетки и производства ею поврежденных белков.

Чем сложнее организм, тем больше решений приходится принимать системам регуляции, таким как генная сеть TP53, для его нормальной жизнедеятельности. Чем сложнее структуры регулирования, тем проще найти лазейки и способы обхода установленных правил (наглядным примером тому является налоговый кодекс). Чем больше установлено правил поведения и взаимодействия клеток, тем сложнее должна быть система обнаружения недобросовестных клеток для их максимально точной идентификации. Таким образом, естественный отбор вынуждает многоклеточные организмы максимально эффективно использовать вычислительную мощность генетических сетей для поиска и ликвидации потенциальных раковых клеток, потому что они в ходе своей эволюции постоянно находят новые лазейки в системах подавления рака нашего организма.

И мы снова возвращаемся к загадке гена TP53: почему наша структура обработки данных для обнаружения недобросовестных клеток настолько централизована? Дело в том, что в распределенной системе недобросовестным клеткам было бы намного проще оставаться незамеченными, так как «компрометирующие» их фрагменты информации могли бы оказаться разбросаны по нескольким сетям. В централизованной системе это невозможно, поскольку вся информация проходит через один и тот же узел – в нашем случае ген TP53, – что помогает отличить безобидную ошибку от явного признака того, что клетка перерождается в раковую. А за счет того, что это решение принимается на основе сразу нескольких критериев, централизованным системам подавления рака не приходится выбирать между ложными срабатываниями и пропусками.

Столь сложный анализ данных в генных сетях говорит о том, что нам следует пересмотреть некоторые фундаментальные предположения об устройстве клеток. Клетки – это не тривиальные машины ввода-вывода, а сложные устройства обработки информации, которые собирают множество разных сигналов, по результату анализа которых принимают решение о том, что делать дальше: делиться, чинить ДНК, самоуничтожаться или делать что-то совершенно другое. Эти клетки также умудряются слаженно работать вместе, делясь информацией с соседями и иммунной системой, – и все ради того, чтобы держать в узде потенциальные раковые клетки.

НАШ ОРГАНИЗМ СТРОИТСЯ НЕ ТОЛЬКО НА СОТРУДНИЧЕСТВЕ, НО И НА РАЗВЕДКЕ. КАЖДУЮ МИЛЛИСЕКУНДУ КЛЕТКИ ОБРАБАТЫВАЮТ ДАННЫЕ И РЕАГИРУЮТ НА НИХ, ПОДДЕРЖИВАЯ НАШУ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И ОБЕРЕГАЯ ОТ РАКА.

Наш организм и составляющие его клетки умнее, чем мы могли бы себе представить – они используют целую разведывательную сеть (о существовании которой мы даже не догадываемся) для обнаружения и ликвидации недобросовестных клеток. Эта система начинает работать с момента нашего зачатия и не останавливается на протяжении всей жизни. Без постоянного отслеживания недобросовестных клеток и принятия необходимых мер в случае их обнаружения мы не могли бы нормально развиваться, не говоря уже о том, чтобы дожить до репродуктивного возраста. Многоклеточным организмам необходимы системы обнаружения недобросовестного поведения клеток, чтобы не стать тупиковой ветвью эволюции. Без них наше существование было бы попросту невозможно.

КЛЕТКИ – ВЕСЬ НАШ ОРГАНИЗМ – ОБРАБАТЫВАЮТ ОГРОМНОЕ КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ, ЧТОБЫ УБЕРЕЧЬ НАС ОТ РАКА.

Не только мозг анализирует данные, чтобы помочь нам выживать и размножаться. Этим занимается каждая клетка нашего тела, без остановки контролируя себя и своих соседей, чтобы не допускать недобросовестного поведения и поддерживать порядок в построенном на сотрудничестве многоклеточном сообществе.

Людям остается только завидовать масштабам такого взаимодействия. Конечно, наша цивилизация тоже построена на сотрудничестве – без совместной работы в больших группах технический прогресс был бы попросту невозможен. И тем не менее все, чего нам удалось добиться, меркнет на фоне достижений биоинженерии и информационных технологий клеток, которые они демонстрируют ежеминутно на протяжении всей нашей жизни, поддерживая сложнейшее многоклеточное сотрудничество, необходимое для нашего существования. Клетки выстраивают (и постоянно перестраивают) организм путем пролиферации, экспрессии генов и производства белков, из которых состоит как наша физическая инфраструктура – клетки и внеклеточный матрикс между ними, так и информационная, обеспечивающая жизнедеятельность.

Можно сказать, что клетки обладают своего рода коллективным интеллектом. Подобно колонии муравьев, регулирующей свою температуру или сбор ресурсов путем взаимодействия между отдельными особями, в то время как ни один из них не понимает целей, преследуемых колонией, клетки нашего тела регулируют его температуру и пищевое поведение, не зная о том, какие цели стоят перед всем организмом. Коллективный разум позволяет клеткам добиваться сотрудничества умопомрачительных масштабов. Он лежит и в основе системы обнаружения недобросовестных клеток, и именно ему мы обязаны своим существованием с момента зачатия и на протяжении всей нашей жизни.

4
Рак от утробы до гроба

Мы с раком рождаемся. Мы с раком умираем. Мы с раком живем. Рак является неотъемлемой частью нашей жизни, от утробы до гроба. Даже если нас в конечном счете и убивает другая болезнь, на смертном одре мы практически наверняка оказываемся с микроскопическими раковыми опухолями. Причем многие из нас проживают с раком долгую и счастливую жизнь, даже не догадываясь обо всех присутствующих внутри образованиях.

ТЕ НЕМНОГИЕ СЧАСТЛИВЧИКИ, КОТОРЫХ ОПУХОЛИ ОБОШЛИ СТОРОНОЙ, ВСЕ РАВНО ЯВЛЯЮТСЯ НОСИТЕЛЯМИ РАКОВЫХ МУТАЦИЙ И ПРЕДРАКОВЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ.

Взгляните на кожу на тыльной стороне вашей ладони. Что вы видите? Насколько равномерно она окрашена? Покрыта ли веснушками? Если вы достаточно взрослый, чтобы читать эти строки, то на тыльной стороне вашей ладони наверняка имеются предраковые мутации. Любые веснушки, родинки, бородавки и даже шрамы несут в себе какие-нибудь предраковые мутации (например, мутации в гене-супрессоре рака TP53). Многие клетки с предраковыми мутациями толком даже не выделяются на фоне остальной кожи. При исследовании здоровой кожи, подверженной воздействию солнца (анализировались образцы кожи век, взятые у четырех разных людей), ученые обнаружили, что в этих здоровых на первый взгляд клетках было от двух до шести мутаций на миллион оснований – похожая мутационная нагрузка была обнаружена у многих видов рака. Более четверти «нормальных» на вид клеток в этом исследовании несли в себе мутации, способные приводить к развитию рака. И тем не менее все эти клетки продолжали нормально себя вести, добросовестно выполняя функции эпидермиса (внешнего слоя кожи). Единственное, что делало клетки похожими на раковые, – наличие мутаций и то, что их популяция увеличивалась в размере. В ходе другого исследования нормальной кожи, подверженной воздействию солнца (были изучены образцы кожи с предплечий семи человек), было обнаружено множество мутаций гена TP53 – по оценкам ученых, ежегодно такие мутации появлялись примерно у 0,24 % всех подверженных воздействию солнечных лучей клеток. Это означает, что не хватит пальцев обеих рук, чтобы посчитать, сколько у вас появляется мутаций гена TP53 за те несколько секунд, что вы идете от машины до входа в дом.

Как мы уже видели в предыдущей главе, за подавление рака порой приходится расплачиваться, например, преждевременным старением. Это одна из причин, по которым организм в ходе эволюции не научился полностью подавлять развитие рака. На самом деле наша восприимчивость к раку связана со многими функциями, которые позволяют выживать, процветать и размножаться: репродуктивной функции, заживлением ран, а также противодействием инфекциям. Это дает возможность некоторым мутациям зародышевой линии, способствующей наследуемому риску развития рака (таким как мутации BRCA) сохраняться в человеческих популяциях, несмотря на вред для здоровья и сокращение продолжительности жизни.

В этой главе я рассмотрю, как на протяжении жизни наша восприимчивость к раку меняется в результате пересечения эволюции на уровне всего организма и эволюции на клеточном уровне. Естественный отбор на уровне организмов не привел к полному устранению восприимчивости к раку из-за различных ограничивающих факторов, а также компромиссов, на которые приходится идти ради сохранения других черт. В дополнение к этому, пока мы развиваемся, внутри нас происходит естественный отбор клеток, который меняет нас и нашу восприимчивость к раку. Даже пока мы еще находимся в материнской утробе, клетки организма конкурируют между собой и эволюционируют, что вносит свой вклад в восприимчивость к детским формам рака. И хотя способность организма подавлять конкуренцию и эволюцию клеток внутри нас по мере приближения жизни к концу ослабевает, она не пропадает полностью.

Котлован Хаоса и Болото Безвременья

Представьте, что собираетесь пройти по натянутому канату. Под вами слева огромный котлован хаоса – раскаленное месиво, которое, если упадете, тут же превратит вас в бесконтрольно разрастающуюся массу. Справа от вас ледяное стоячее болото, готовое парализовать и поглотить заживо, как только вы в него плюхнетесь. Осознаете вы это или нет, но вы уже успешно перешли по этому натянутому канату на другую сторону. Этого требовало ваше внутриутробное развитие, от зиготы до полноценного организма, состоящего из триллионов отдельных клеток.

Если развивающийся эмбрион на канате начнет слишком сильно клонить влево – то есть клетки получат слишком много свободы, – он свалится в котлован хаоса и превратится в бесформенную массу беспорядочно делящихся клеток. Если его потянет вправо – клетки развивающегося эмбриона будут подвержены чрезмерному контролю, – он упадет в болото безвременья. Если клетки в процессе внутриутробного развития будут лишены возможности делиться и перемещаться, организм так и останется крошечным комочком без нервной, репродуктивной и других систем.

Клеточная свобода – корень рака. Если дать клеткам слишком большую свободу, это развяжет руки недобросовестным клеткам. И тогда они будут оставлять после себя все больше потомков, и со временем их количество будет расти. Как я уже говорила раньше, естественный отбор благоволит таким клетками. Механизмы подавления рака помогают держать поведение клеток под контролем, пресекая соматическую эволюцию. Но чем выше контроль, тем таких возможностей меньше, – однако за это приходится платить.

МНОГИЕ ВАЖНЕЙШИЕ СИСТЕМЫ, ПОМОГАЮЩИЕ НАМ ВЫЖИВАТЬ И ПРОЦВЕТАТЬ, ТРЕБУЮТ ОТ КЛЕТОК ВЕСТИ СЕБЯ ПОДОБНО РАКОВЫМ, А ИМЕННО БЫСТРО ДЕЛИТЬСЯ, ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ПО ОРГАНИЗМУ И ВТОРГАТЬСЯ В СОСЕДНИЕ ТКАНИ.

Так, например, процесс заживления раны включает быструю пролиферацию клеток и их перемещение, необходимое, чтобы полностью ее покрыть. В случае чрезмерного контроля клеточного поведения заживление ран было бы попросту невозможно. Он подорвал бы нашу репродуктивную функцию, сделал бы невозможным обновление тканей с возрастом и даже лишил бы нас защиты от инфекций.

Издержки чрезмерного клеточного контроля очевидны даже в процессе внутриутробного развития – без пролиферации и передвижения клеток нам попросту не стать жизнеспособным организмом. Организму приходится подавлять рак достаточно эффективно, чтобы не допустить бесконтрольного деления клеток в утробе, однако одновременно с этим он вынужден давать клеткам достаточно свободы, чтобы они могли перемещаться, обеспечивая нормальное развитие тела. Удивительно, что нам вообще удается выйти из утробы живыми.

С каждым делением клеток, начиная с самого первого – оплодотворенной яйцеклетки, существует вероятность мутаций ДНК. А на самых ранних стадиях внутриутробного развития клетки делятся безостановочно, перемещаясь по развивающемуся организму и вторгаясь в уже существующие ткани. Эти вторжения формируют все системы органов и тканей, необходимые нам для жизни. Как же так получается, что мы проходим через всю эту стремительную клеточную пролиферацию и инвазию, не став жертвой рака еще до своего рождения? И как большинству из нас удается избегать рака в зрелости, а зачастую даже и в старости?

Развивающийся эмбрион удовлетворяет всем критериям эволюции путем естественного отбора. Он представляет собой популяцию клеток с генетическими и эпигенетическими различиями, которые наследуются и вносят свой вклад в вариации скорости клеточного деления. Эволюция клеток начинается с момента первого деления зиготы, которая дает начало популяции клеток нашего формирующегося организма. Эта популяция меняется со временем, так как одни клетки погибают, а другие выживают и одни оставляют после себя больше потомков, чем другие. Своим нормальным развитием мы обязаны механизмам подавления рака, которые начинают свою работу еще в утробе, удерживая под контролем эволюцию клеток на этих важнейших этапах нашего развития и направляя ее таким образом, чтобы все ткани и системы органов могли беспрепятственно сформироваться.

В идеале внутриутробное развитие – управляемый эволюционный процесс, который в конечном счете приводит к образованию построенного на сотрудничестве многоклеточного сообщества. Инструкции по созданию, поддержанию и управлению таким сообществом находятся в геноме каждого из нас. По мере роста и развития это клеточное сообщество сталкивается с проблемой недобросовестного поведения среди своих членов. Как я уже отмечала, недобросовестные клетки могут находить способы злоупотребления многоклеточным взаимодействием и увеличивать свою популяцию в организме, в некоторых случаях приводя к развитию рака.

Если бы мы могли заглянуть внутрь матки и посмотреть на только что оплодотворенную зиготу, то увидели бы, как она стремительно делится, направляясь к слизистой оболочке матки, куда вскоре внедрится и подключится к системе кровоснабжения матери. Этот микроскопический комок клеток, продолжающих деление и дифференцировку для формирования жизнеспособного организма, чрезвычайно уязвим. Механизмы подавления рака должны быть достаточно эффективными, чтобы обеспечить развивающемуся организму защиту, но при этом и достаточно щадящими, чтобы мог сформироваться жизнеспособный плод. Возвращаясь к нашей аналогии с натянутым канатом, этот комочек должен поддерживать шаткое равновесие, давая клеткам достаточно свободы, чтобы не угодить в болото безвременья, но при этом все же ограничивая ее так, чтобы не рухнуть в котлован хаоса. Если баланс будет нарушен, рост может остановиться или слишком ускориться, либо ткани могут сформироваться не на своих местах, поставив под угрозу развитие и дальнейшее выживание. Слишком интенсивная эволюция клеток обречет нас на гибель от рака еще до появления на свет, в то время как чрезмерное ограничение пролиферации и миграции клеток чревато не менее печальными последствиями: остановкой роста и развития.

НА РАННИХ ЭТАПАХ ВНУТРИУТРОБНОГО РАЗВИТИЯ НАРУШЕНИЕ КОНТРОЛЯ ПРОЛИФЕРАЦИИ КЛЕТОК МОЖЕТ ПОМЕШАТЬ ФОРМИРОВАНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА.

Например, клетка с мутациями в обеих копиях гена контроля клеточного цикла TP53 может начать беспорядочно делиться, тем самым лишив эмбрион малейшей возможности нормального развития. По современным оценкам почти половина всех зачатий оканчивается неудачей, причем 80 % из них – еще до того, как беременность можно обнаружить стандартными клиническими способами. Известно, что многие из этих неудачных зачатий связаны с хромосомными аномалиями, возникающими в процессе образования половых клеток и оплодотворения, однако некоторые из них, по всей видимости, являются результатом связанных с раком мутаций во время эмбрионального развития.

Развитию плода также может помешать и чрезмерное подавление рака, когда поведение клеток слишком строго контролируется, в результате чего они не могут обеспечить нормальное формирование организма. На самых ранних этапах развития механизмы подавления рака должны быть крайне бдительными, чтобы не допустить бесконтрольной пролиферации и миграции клеток, которые могут привести к раку. Подавление рака в процессе внутриутробного развития представляет собой куда более сложную задачу, чем в зрелом возрасте: если организм взрослого человека нужно лишь поддерживать в относительно стабильном состоянии подавления рака, то эмбриональное развитие требует постоянного уничтожения опухолеподобных процессов во время быстрого роста организма. С другой стороны, чрезмерный контроль пролиферации и миграции может остановить развитие и сделать эмбрион нежизнеспособным. Учитывая все трудности, остается только удивляться, что нам всем вообще удалось пережить рискованные месяцы внутриутробного развития.

Снова представьте себя идущим по натянутому канату внутриутробного развития. В руках вы держите длинный шест, на каждом конце которого висит по ведру. Эти ведра чем-то наполнены – чем именно, вам неизвестно. Вы знаете лишь то, что, если ведро слева окажется тяжелее ведра справа, вас начнет клонить в котлован хаоса. Если же перевесит правое ведро, вас ждет падение в болото безвременья. Лишь идеальное равновесие позволит вам перебраться на другую сторону живым и здоровым (рис. 4.1).

Если бы вы могли опустошить эти ведра и внимательно изучить их содержимое, то увидели бы, что они наполнены генными продуктами – РНК и белками, которые выполняют различные функции в организме и клетках (напомню, что все гены оказывают на наш организм влияние, так как в них записана инструкция по созданию белков. Процесс образования преобразования этой информации из ДНК в белок называют экспрессией генов. Ведро слева наполнено факторами роста, выживания и другими белками, помогающими клеткам размножаться и перемещаться по организму – они могут способствовать развитию рака, нарушив баланс в пользу хаоса. Ведро справа наполнено белками, помогающими удерживать клетку под контролем, такими как белок p53 (записанный в гене TP53), про который я уже говорила в предыдущей главе. Генные продукты вроде белка p53 помогают подавлять рак, отслеживая признаки выхода клеток из-под контроля, с их последующим перевоспитанием или ликвидацией путем самоуничтожения, если они зашли слишком далеко. Баланс этих генных продуктов – ключевой фактор выживания и нормального развития организма, а также его защиты от рака в процессе жизни.

Рисунок 4.1. Для успешного развития необходимо найти баланс между чрезмерным контролем клеточного поведения (которое может привести к остановке развития) и переизбытком клеточной свободы (которая может привести к раку). Внутриутробное развитие можно сравнить с хождением по натянутому канату с длинным шестом в руках, на каждом конце которого висит по ведру с генными продуктами. Слишком строгий контроль клеточного поведения чреват падением в болото безвременья (справа), в то время как чрезмерная вседозволенность может обернуться падением в котлован ракового хаоса (слева).

Аналогия с канатоходцем, несущим ведра с генными продуктами, демонстрирует нам, что правильное развитие возможно лишь при соблюдении баланса между экспрессией генов, сдерживающих рак, и экспрессией генов, способствующих росту и миграции клеток. Кроме того, она помогает понять, какие компромиссы лежат в основе нашей восприимчивости к раку. Клеткам необходимо делиться и перемещаться по организму для его развития и жизнедеятельности. Проблема в том, что генные продукты, которые делают это возможным, также подвергают нас и риску развития рака (если, конечно, не уравновесить их эффективными системами его подавления). На деле генные продукты взаимодействуют друг с другом и с окружающими их клетками в рамках сложной сети с бесчисленным количеством контуров положительной и отрицательной обратной связи, которые помогают поддерживать все в равновесии. В данной же аналогии с канатоходцем упор делается на компромиссы в вопросах восприимчивости к раку и его подавлению, на которые приходится идти организму, чтобы продемонстрировать, как само наше развитие влияет на риск формирования рака.

Ваши мама и папа сражаются внутри вас

По мере развития организма до взрослого состояния из зиготы гены биологических отца и матери ведут тихую войну между собой внутри каждой клетки вашего тела. Гены, унаследованные от матери, вырабатывают факторы, помогающие контролировать рост, наполняя ими ведро справа и склоняя равновесие в сторону контроля клеточного поведения. Гены, унаследованные от отца, вырабатывают факторы, стимулирующие рост, наполняя ими ведро слева и склоняя равновесие в сторону хаоса.

С какой стати генам, унаследованным от отца и матери, работать против друг друга? И как вообще такое возможно?

Внутри клеток вашего тела расположены по две копии каждой из 23 хромосом – по одной копии от каждого биологического родителя.

Удивительно, но многие из этих генов словно помнят, достались они вам от отца или матери: у них может наблюдаться материнский или отцовский импринтинг. Импринтинг происходит в результате эпигенетических процессов – появления или исчезновения химических модификаций участка ДНК, в котором записан ген, или белков которые связаны с этим участком ДНК. Эти процессы делают более или менее вероятной его экспрессию. Таким образом, экспрессия генов (то есть будут ли они производить белки) может зависеть от того, достались ли они вам от отца или матери. В процессе развития гены хромосом, перешедших от матери, производят белки, контролирующие рост, а гены отцовских хромосом вырабатывают белки, которые рост стимулируют, – и все это регулируется посредством импринтинга родительских хромосом.

Мало того что развивающемуся организму приходится постоянно поддерживать баланс в производстве факторов, которые стимулируют рост и ограничивают его, так еще и отцовские и материнские гены вырабатывают факторы, способные в любой момент пошатнуть равновесие, погрузив развивающийся организм в котлован ракового хаоса или стоячее болото недоразвитости. По мере того как эмбрион проходит по нашему натянутому канату, поддерживать равновесие ему могут помешать материнские или отцовские гены.

Но с какой стати родительским генам вести себя по-разному? Разве они не должны действовать сообща, чтобы оставить максимально здоровое потомство? Из-за чего вообще генные продукты от отца и матери ведут эту войну?

Чтобы понять это, нам следует обратиться к одной базовой эволюционной концепции – теории родительского вклада. С генетической точки зрения ваши биологические отец и мать – совершенно разные существа. Это означает, что их эволюционные интересы не могут полностью совпадать. Этот конфликт матерей и отцов связан с тем фактом, что люди не являются (с эволюционной точки зрения) моногамным видом. У абсолютно моногамного вида интересы матерей и отцов полностью совпадали бы, так как у них не было бы других потенциальных партнеров, с которыми они могли бы оставить потомство. Между тем у людей существуют различные модели спаривания и брака, включая одновременное наличие нескольких партнеров (полигиния и полиандрия), последовательную смену партнеров (последовательная моногамия, распространенная в современном западном обществе), а в некоторых случаях и пожизненную моногамию. Таким образом, на протяжении нашей эволюционной истории у родителей часто имелись дети от других партнеров, либо они могли родиться в будущем. Эти разнообразные системы спаривания оказали большое влияние на нашу биологию, начиная от физиологии беременности и заканчивая восприимчивостью к раку. Давайте подробнее рассмотрим, как именно наша эволюционная история – история плацентарных, не полностью моногамных млекопитающих привела к конфликту экспрессии генов в процессе внутриутробного развития, который отражается на восприимчивости к раку.

Молочные коктейли и моногамия

Чтобы понять природу этого конфликта из-за материнских ресурсов, рассмотрим классический молочный коктейль. В 1990-х годах теоретик эволюционной биологии Дэвид Хэйг предложил так называемую «модель молочного коктейля», рассматривающую ситуацию покупки матерью своим детям одного молочного коктейля, который им нужно разделить между собой. Я разберу здесь один вариант данной модели и продемонстрирую, как она разыгрывается в рамках эволюционной логики, лежащей в основе внутриутробного конфликта. (Я понимаю, что в этой модели мать сравнивается с молочным коктейлем. Само собой разумеется, что мать – это нечто гораздо большее. Между тем она может напрямую кормить своих детей, что постоянно и делает, и данная аналогия позволяет поразмышлять о механизмах возникновения конфликта по поводу распределения этих материнских ресурсов.)

Давайте представим себе мать, купившую голодным детям довольно большой стакан молочного коктейля (в рамках данного примера мы будем исходить из того, что не у всех из них один и тот же отец). Сначала она дает молочный коктейль старшему ребенку, который немного отпивает из стакана. Затем передает его следующему по старшинству, который тоже делает глоток, и так далее, пока не попьют все дети. Сколько, как вы думаете, коктейля останется самому младшему ребенку? Или самой матери, когда стакан снова вернется к ней? Разумеется, это будет зависеть от того, насколько большим будет глоток каждого из детей. Обычно дети не особо заботятся о других, так что в стакане вряд ли много останется. Но если дети будут сдержаннее, если они будут отпивать немного, прежде чем передать стакан другому, то молочного коктейля наверняка хватит каждому – может, даже и маме останется глоток-другой.

Мать предпочитает, чтобы дети были более скромными и делились друг с другом поровну. Что касается самих детей, то в их интересах получить больше положенной им доли, оставив при этом своим братьям и сестрам лишь достаточное для выживания количество. В предложенной Хэйгом модели этого конфликта за более прожорливыми детьми стоят эволюционные интересы отца (независимо от пола этих детей), в то время как за сдержанность отвечают эволюционные интересы матери.

Эта дилемма с молочным коктейлем отражает происходящее в материнской утробе на протяжении нескольких беременностей. Молочный коктейль в данном случае является аналогом запаса материнских ресурсов, а поочередный глоток каждого ребенка соответствует его внутриутробному развитию, когда он получает доступ к материнским запасам через плаценту. Размер глотка – это интенсивность потребления ресурсов и скорость роста плода в утробе.

У полностью моногамного вида интересы матери и отца совпадают: у них один коктейль на все потомство, и в их интересах, чтобы он поровну достался всем детям. Если же вид не моногамен, тогда отцу не обязательно полагаться на ресурсы одной матери – другими словами, его дети могут отхлебнуть из разных стаканов с молочным коктейлем. При наличии нескольких партнеров для размножения цена опустошения стакана с молочным коктейлем для отца уже не так высока, как для матери.

У видов без полной моногамии эволюционные интересы отца и матери отличаются и могут приводить к конфликту по поводу того, как именно вкладываться в потомство. Это и оборачивается перетягиванием каната: с эволюционной точки зрения мать «предпочитает», чтобы отец делал в вас больший вклад, тем самым позволив ей приберечь ресурсы для будущих детей, в то время как ваш отец «предпочитает», чтобы больше вкладывала мать и у него оставалось больше ресурсов для потомства в будущем. Это не означает, что ваша мать или отец сознательно пытаются извлечь друг из друга как можно больше ресурсов. Я лишь использую адаптационисткий подход, чтобы показать, какую роль играют интересы отца и матери в данной сложной ситуации.

Экспрессия генов у каждого отдельно взятого ребенка определяет, насколько быстро и интенсивно он будет извлекать ресурсы из своей матери. Так как всем детям, вынашиваемым одной матерью, приходится пить из одного и того же условного стакана с молочным коктейлем, то чем больше выпьет один из детей, тем меньше останется его будущим братьям и сестрам. Таким образом, эволюционный интерес матери заключается в том, чтобы вырастить в своей утробе здорового, но не слишком жадного ребенка. Эволюционный же интерес отца прямо противоположный: ему выгодно, чтобы ребенок потреблял в утробе матери как можно больше ресурсов, так как не ему придется иметь дело с негативными последствиями вынашивания такого жадного до ресурсов ребенка. Поразительно, но этот конфликт разыгрывается внутри каждой клетки каждого плода по мере его внутриутробного развития.

Этот конфликт зародился с развитием внутриутробного развития примерно 100 миллионов лет назад и продолжался на протяжении всей эволюции плацентарных млекопитающих. У млекопитающих, например человека, имеется временный орган, предназначенный исключительно для извлечения ресурса из матери в процессе внутриутробного развития. Речь идет о плаценте. Она сродни огромной соломинке, которая вгрызается в слизистую оболочку матки матери, чтобы растущий плод мог всасывать через нее необходимые для своего развития вещества. С генетической точки зрения плацента – часть плода и так же образуется из оплодотворенной яйцеклетки. Она формируется из тех же продуктов зачатия (клетки, образующиеся из зиготы, включая эмбрион и окружающие его структуры), что и плод. Вместе с тем клетки, образующие плаценту, отличаются от остальных клеток продуктов зачатия. Они не участвуют в тщательно срежиссированном спектакле развития плода и идут по другому пути. Они первыми дифференцируются, превращаясь в трофобласты, которые специализируются на проникновении в слизистую оболочку матки и организации станции транспортировки ресурсов для доставки питательных веществ из крови матери к развивающемуся плоду. Неудивительно, что отцовские гены экспрессируют факторы, делающие плаценту более крупной и инвазивной, в то время как материнские гены подавляют инвазию плаценты.

Плацента может помочь ребенку отхватить побольше материнских ресурсов, обделив тем самым своих будущих братьев и сестер. Это вовсе не обязательно означает, что у будущих детей плацента будет меньшего размера, чем у рожденных до них. На самом деле, если материнская система окажется более истощенной, плацента у будущих детей, наоборот, должна быть больше по размеру и более инвазивной, чтобы они могли получить все необходимое.

И ДЕЙСТВИТЕЛЬНО, ПРОВЕДЕННОЕ В 1950-Х ГОДАХ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАЛО, ЧТО С КАЖДЫМ ПОСЛЕДУЮЩИМ РЕБЕНКОМ РАЗМЕР ПЛАЦЕНТЫ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ.

После того как станция транспортировки ресурсов, коей является плацента, приступает к своей работе, отцовские и материнские интересы расходятся в вопросе количества передаваемых веществ. Это проявляется в различной экспрессии отцовских и материнских генов, за которыми стоит механизм материнского и отцовского импринтинга генов, о котором я говорила в предыдущем разделе. Отцовские гены экспрессируют факторы, которые ускоряют передачу плоду всего необходимого через плаценту, в то время как материнские гены этот процесс замедляют. Каким-то образом, даже несмотря на такое перетягивание каната генами, преследующими противоположные цели, плоду все равно удается развиться в здорового маленького ребенка.

Исследования других видов демонстрируют нам грандиозные масштабы последствий конкурентной экспрессии родительских генов. Например, ученые обнаружили, что, если включить экспрессию «материнских» генных продуктов, которые подавляют рост, в обеих копиях соответствующих генов мышиного эмбриона, в результате родится крошечная мышь. Если обе копии будут экспрессировать «отцовские» генные продукты, которые, наоборот, стимулируют рост, это приведет к формированию огромной плаценты. На самом деле многое из того, что нам известно о генетическом импринтинге и росте плода, было открыто в результате исследования плаценты у мышей.

Учитывая то, что нам известно о конфликте между родительскими генами, следовало бы ожидать, что экспрессия отцовских генов будет доминировать в плаценте. Рассмотрим то, как это работает у животных. При скрещивании осла и кобылы рождается мул, в то время как скрещивание жеребца и ослицы дает лошака. Ученые изучили экспрессию генов в плаценте у этих гибридов, чтобы понять, действительно ли экспрессия отцовских генов (то есть генов осла у мула и генов лошади у лошака) происходит чаще, чем материнских. Как и предполагалось, в плаценте (но не в плоде) доминировала экспрессия отцовских генов. Это указывает на то, что инвазивная природа плаценты и стимуляция роста определяются экспрессией отцовских генов.

Стимуляция роста в результате экспрессии отцовских генов помогает нам понять, как экспрессия генов определяет восприимчивость к раку не только во время внутриутробного развития, но и на протяжении всей жизни. Зачастую гены плаценты, способствующие росту и инвазии, которые должны быть неактивными после рождения, снова включаются при развитии рака. Противоречивая природа экспрессии отцовских и материнских генов может снова дать о себе знать в более позднем возрасте, что может привести к повышенному риску онкологических заболеваний спустя долгое время после завершения развития организма.

Быстрый рост и инвазивность – два клеточных фенотипа, которые определяют рак. Оба они являются частью нашего клеточного репертуара и результатом проявления отцовских эволюционных интересов. И дело тут не в том, что развитие рака в интересах отца – хотя его эволюционные потребности и могут благоволить клеточным фенотипам, типичным для рака: более обильной пролиферации, более активной инвазии, а также более эффективному извлечению ресурсов.

Конфликт родительских генов привел к тому, что обе стороны, вынужденные реагировать друг на друга, эволюционировали, в результате чего стали прикладывать больше «усилий» для достижения желаемого результата. Эту ситуацию часто сравнивают с гонкой вооружений, так как обе стороны реагируют на действия друг друга, наращивая свой вклад для победы в конфликте. Гонка приводит к пустым затратам в виде генных продуктов, выполняющих противоположные функции. Так, при экспрессии материнских генов вырабатываются антитела, способные связываться с белками – факторами роста, которые считываются с включенных генов отца, – и инактивировать их. Теоретически обе стороны могли бы в равной степени уменьшить экспрессию своих генов и добиться такого же результата с меньшими затратами, однако этого не происходит. Самому плоду от этого нет совершенно никакой выгоды – это лишь следствие противоречащих друг другу отцовских и материнских интересов, которые проявляются в каждой клетке развивающегося организма.

Другим следствием эскалации конфликта между ростом и сдерживанием является то, что каждое ведро на концах шеста заполняется, исходя из «предположения», что другое тоже будет наполнено. Как результат, когда что-то идет не по плану, последствия могут быть катастрофическими. В случае мутации гена, у которого обычно происходит экспрессия материнской копии, в правом ведре может оказаться недостаточно полноценных материнских генных продуктов, чтобы уравновесить то, что помещается в левое ведро в результате экспрессии отцовских копий генов. Несмотря на формальную победу отцовских генов, в такой ситуации все оказываются проигравшими. С подобными мутациями и повреждениями генов связан целый ряд синдромов. Доминирующая экспрессия отцовских генов (в результате мутаций, нарушающих нормальное эпигенетическую регуляцию) может привести к таким заболеваниям, как синдром Беквита – Видемана, характеризующийся быстрым ростом в утробе, крупным размером в детстве и повышенным риском развития рака.

НЕСМОТРЯ НА ТОТ ФАКТ, ЧТО ЭВОЛЮЦИЯ СДЕЛАЛА НАС ДОСТАТОЧНО ЭФФЕКТИВНО ФУНКЦИОНИРУЮЩИМИ МНОГОКЛЕТОЧНЫМИ ОРГАНИЗМАМИ, СОТРУДНИЧЕСТВО НАШИХ КЛЕТОК ДАЛЕКО ОТ ИДЕАЛА.

Между клетками и внутри них все равно случаются конфликты, как это происходит в противостоянии экспрессии материнских и отцовских генов. В процессе внутриутробного развития организм расходует энергию, получаемую в результате обмена веществ, как на производство факторов роста, так и на их подавление, что приводит к потере большого количества ресурсов в результате этого конфликта, а также опасной уязвимости в случае сбоя в этих процессах и нарушениях равновесия системы. Рост и развитие в материнской утробе не являются оптимальными с точки зрения наших эволюционных интересов – они представляют собой динамический компромисс между эволюционными приоритетами наших родителей.

К счастью, по мере взросления эти противоречия между родительскими интересами сходят на нет. План тела (расположение его тканей и органов) по большей части завершен, и по мере роста поддерживать баланс между клеточным контролем и клеточной свободой становится все проще. Тем не менее организму приходится постоянно идти на компромисс, подвергая себя риску развития рака, чтобы рост продолжался до достижения репродуктивного возраста, ткани обновлялись, раны заживали, а тело боролось с инфекциями. Даже репродуктивная способность и привлекательность для противоположного пола может влиять на восприимчивость к раку. Эти способности необходимы для нашего выживания, процветания и успешного размножения. Они, может, и связаны с повышенным риском развития рака, однако с эволюционной точки зрения их плюсы перевешивают минусы.

После своего рождения вы встаете на другой натянутый канат, на котором придется удерживать равновесие до достижения репродуктивного возраста. Природа риска чрезмерного контроля клеточного поведения при этом меняется. В утробе избыточный контроль над поведением клеток может привести к остановке или задержке развития, после рождения он чреват повышенной уязвимостью перед инфекциями, бесплодием или ускоренным старением. Таким образом, пока вы идете по натянутому канату жизни, организму приходится продолжать поддерживать баланс между клеточным контролем и клеточной свободой, одновременно сдерживая рак и предоставляя клеткам возможность делать все необходимое для передачи генов следующему поколению. В некоторых случаях чрезмерное подавление рака может негативно отразиться на характеристиках, повышающих нашу приспособленность.

Процесс роста и развития по своей сути связан с повышенным риском рака. Но если так, разве нашему организму не стоит расти как можно более медленно? Однако большой размер связан со многими преимуществами.

С эволюционной точки зрения одним из главных преимуществ крупных организмов является способность к размножению. Но для достижения половой зрелости требуется рост, чреватый рисками. Для быстрого роста приходится закрывать глаза на многие повреждения ДНК, которые обычно подлежат исправлению. И это повышает риск развития рака.

Процесс восстановления ДНК требует времени, в результате чего неизбежно приходится идти на компромисс между ее восстановлением и быстрым делением клеток. Гены-супрессоры опухолей, такие как TP53 и BRCA, кодируют белки, которые помогают контролировать клеточный цикл, заставляя клетки исправлять все повреждения ДНК перед своим делением. Такое замедление клеточного цикла (а вместе с ним и скорости роста организма) является одним из механизмов защиты растущего организма от рака, реализуемых генами-супрессорами опухоли. При отсутствии надлежащего контроля пролиферации, роста и восстановления ДНК клеток полученные повреждения ДНК могут остаться неисправленными, что влечет за собой распространение клеточных мутаций. Конечно, могут уйти десятилетия, прежде чем популяции клеток со связанными с раком мутациями разрастутся и приведут к онкологическим заболеваниям, но все же эти мутации на ранних стадиях развития организма могут дать о себе знать в любой момент на протяжении жизни.

После того как развитие заканчивается и мы достигаем своего зрелого размера, наши ткани переходят в режим поддержки.

Они больше не обеспечивают организму рост, а лишь поддерживают его в текущем состоянии. Как результат, часть рисков, связанных с быстрым ростом, исчезает. Между тем, не все связанные с пролиферацией риски сходят на нет – для поддержания тканей требуется непрерывное размножение клеток, так как они постоянно умирают и нуждаются в замене, не говоря уже о необходимости пролиферации для заживления ран. Эта постоянная «текучка» продолжает увеличивать риск развития рака даже после того, как мы достигнем зрелого размера.

Источник молодости клеток

На протяжении всей нашей жизни клетки постоянно делятся, заменяя умерших собратьев. Одни органы и ткани, такие как кожа и слизистая желудка, обновляются быстро, а другие, такие как сердце и нейроны, по завершении развития особо не изменяются – если их клетки размножаются вообще. Большинство же тканей тела непрерывно заменяют умирающие клетки на новые. Эта способность к самообновлению не дает нам слишком быстро стареть и позволяет заживлять повреждения.

Этим мы обязаны главным образом стволовым клеткам. Клеточные биологи называют их недифференцированными клетками – это значит, что они более или менее универсальны. Они несут в себе тот же геном, что и все остальные клетки нашего организма. Отличает же их набор экспрессирующихся генов: стволовые клетки находятся в так называемом плюрипотентном состоянии, то есть они могут стать клетками любого из большого количества разных типов. Стволовые клетки могут либо продолжить делиться, образуя себе подобные, либо дифференцироваться в специализированные клетки отдельных органов. Стволовые клетки есть во всех тканях нашего организма, и они обновляют и исцеляют организм, поддерживая здоровье и относительную молодость. Стволовые клетки необходимы, потому что позволяют тканям регенерировать и замедляют старение.

ВМЕСТЕ С ТЕМ НАЛИЧИЕ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК ТАКЖЕ ДЕЛАЕТ НАС БОЛЕЕ УЯЗВИМЫМИ ПЕРЕД РАКОМ, ПОСКОЛЬКУ ОНИ МОГУТ ДЕЛИТЬСЯ БОЛЬШЕЕ КОЛИЧЕСТВО РАЗ, ЧЕМ ОБЫЧНЫЕ.

Один из примеров того, как эти стволовые клетки могут способствовать риску развития рака, – повышенный риск рака молочной железы у женщин, у которых первая беременность происходит в более позднем возрасте. В ходе первой беременности стволовые клетки молочной железы дифференцируются в ответ на выделяющиеся гормоны, создавая разветвленную сеть протоков и долек, где вырабатывается грудное молоко (сеть остается на месте для будущих беременностей). До первой беременности эти клетки остаются в своем недифференцированном состоянии, ожидая гормональных сигналов, которые направят их на необходимый путь дифференцировки. Чем раньше у женщины наступит первая беременность, тем меньше она проживет с недифференцированными стволовыми клетками молочной железы. Дифференцировка стволовых клеток молочной железы – одна из причин (наряду с изменениями гормональной чувствительности этих клеток), по которой риск гормон-рецептор положительного рака^[9] молочной железы существенно ниже у женщин, впервые забеременевших в более молодом возрасте.

После того как бывшая стволовая клетка начинает дифференцироваться, она может осуществить лишь ограниченное количество делений, и по исчерпании этого лимита должна прекратить делиться. Это ограничение количества делений клетки является важнейшим механизмом подавления рака.

Одним из механизмов реализации этого ограничения количества клеточных делений является укорачивание теломер – участков ДНК на концах хромосом, выступающих в роли своеобразных защитных колпачков – с каждым делением клетки. Помимо защиты теломеры, также ведут счет делениям клетки. С каждым ее делением они становятся все короче, когда оказываются слишком короткими, клетка больше не может делиться – такое состояние специалисты по биологии рака называют репликативным старением. Между тем теломеры могут и удлиняться за счет производства клеткой теломеразы – фермента, удлиняющего последовательность нуклеотидов на концах хромосомы, – в результате чего клетка может делиться больше положенного ей числа раз. Укорачивание теломер – это механизм, который помогает защищать нас от рака, ограничивая возможное количество делений клетки. Как правило, производство теломеразы в нормальных клетках находится под строгим контролем – раковые же клетки, что неудивительно, в результате своей эволюции могут научиться обходить это ограничение, превысив оптимальное для нашего организма количество допустимых делений.

С учетом того, какую роль теломераза играет как в обновлении тканей, так и подавлении рака, неудивительно, что она является и ключевым связующим звеном между старением и раком. Исследования на мышах показали, что у особей, вырабатывающих чрезмерное количество теломеразы, повышена восприимчивость к раку, однако если они не умирают от него, то живут дольше среднего, а мыши с дефицитом теломеразы стареют быстрее, но риск развития рака у них меньше. Аналогично, при укорачивании теломер у подверженных раку мышей уменьшался риск развития рака. По сути, теломеры считают деления клетки и могут положить им конец раз и навсегда, что значительно способствует снижению риска развития рака. Подобное ограничение количества делений клеток (когда нас на натянутом канате начинает клонить вправо) может усложнить задачу обновления тканей.

Ген-супрессор опухолей TP53 также играет важную роль в компромиссе между риском развития рака и старением. В предыдущей главе мы уже видели, что этому гену приходится «решать», угрожает ли та или иная клетка организму развитием рака, и это решение связано с компромиссом между двумя возможными ошибками: пропуском (когда проблемная клетка выживает) и ложным срабатыванием (когда погибает здоровая клетка). Это, конечно, упрощенное объяснение, однако оно помогает понять суть проблемы. Убийство здоровых клеток истощает их запас, тем самым затрудняя обновление тканей.

Эксперименты на мышах с повышенной активностью гена TP53 помогают понять, как именно этот механизм работает. При постоянной экспрессии гена TP53 (то есть когда ген все время «включен» и вырабатывает белок p53) риск развития рака у мышей снижается, однако они быстрее стареют. Любопытно, что у мышей с искусственно добавленной второй копией гена TP53, экспрессия которой регулировалась нормальным образом (этот ген включался только при необходимости). Такие мыши все так же были менее подвержены риску развития рака, однако при этом уже не старели так быстро. Вновь возвращаясь к нашей аналогии с канатом: белок р53 помогает не дать организму свалиться в котлован хаоса (рак), однако подвергает его дополнительному риску падения в болото чрезмерного контроля (преждевременное старение).

Этот эксперимент с мышами, у которых нормально регулируется работа гена TP53, изящно показывает, насколько важно налаживать экспрессию p53 для поддержания необходимого баланса. Подавление рака – изменчивый процесс, требующий постоянных корректировок и обработки информации генетическими сетями клеток организма, а данный эксперимент указывает на возможность избежать по крайней мере некоторых компромиссов между раком и старением посредством правильной регуляции этих механизмов подавления рака. Чтобы сдерживать рак, избегая некоторых негативных последствий этого процесса, таких как преждевременное старение, необходим чуткий контроль и принятие решений со стороны генетических сетей, следящих за поведением клеток.

Время залечит любую рану – лишь бы не слишком быстро

Для заживления раны, например пореза, у клеток вокруг него должна быть возможность делиться, чтобы они могли создать новые клетки, которые бы закрыли рану и восстановили поврежденную ткань. У них также должна быть возможность перемещаться, создавая группы подвижных клеток, которые бы могли соединиться и закрыть рану. Эти же самые функции позволяют раковым клеткам стремительно делиться, захватывая наше тело. Способность к быстрому заживлению ран дает организму огромное преимущество. Она не только позволяет нам быстрее вернуться к нормальной жизнедеятельности, но и снижает вероятность инфицирования раны.

Таким образом, эволюция снабдила нас способностью быстро затягивать раны, однако за все приходиться платить: для этого наши клетки включают режим размножения и передвижения, как только получают от организма сигналы о необходимости заживления. Раковые клетки могут подделывать эти сигналы (например, выделяя факторы, которые провоцируют воспаление), обходя ограничения и проверки, регулирующие поведение клеток в многоклеточном сообществе. На самом деле рак иногда даже называют раной, которая никак не заживет. Некоторые виды рака используют наши системы передачи сигналов, необходимые для заживления ран, поддерживая ткани в состоянии непрекращающегося воспаления.

В ходе эволюции человеческий организм научился динамически регулировать баланс между клеточной свободой и контролем клеточного поведения в зависимости от поставленных перед ним задач. При наличии ран, требующих заживления, этот баланс слегка смещается в сторону клеточной свободы. В аналогии с натянутым канатом генные продукты, выделяемые в процессе затягивания раны, заполняют ведро, висящее на левом конце шеста в наших руках. Этот наклон между тем носит лишь временный характер – он прекратится после того, как рана полностью заживет. Иногда раковые клетки в результате своей эволюции внутри организма приобретают способность вырабатывать факторы, которые искусственно склоняют равновесие в левую сторону, делая организм более терпимым к плохому поведению клеток. Только если в процессе заживления раны это состояние является временным – то в случае с раком оно перманентно и ничто не мешает клеткам и дальше активно делиться. По сути, раковые клетки учатся вырабатывать факторы, которые имитируют среду, возникающую в процессе заживления раны.

Борьба с инфекцией с помощью соматической эволюции

Кожа является неотъемлемой частью нашей иммунной системы. Если она повреждена, мы оказываемся гораздо уязвимее перед заражением бактериями, вирусами и другими патогенами, пытающимися захватить наш организм в собственных эволюционных интересах. Система врожденного иммунитета играет важнейшую роль в процессе заживления раны – она первой реагирует на угрозу заражения. Воспаление – ее основной инструмент в защите организма, а рак способен использовать такую воспалительную реакцию в своих интересах.

Между тем у нас имеется и более продвинутая иммунная система, которую организм использует для запоминания инфекций, с которыми столкнулся в прошлом, чтобы быстрее реагировать на них в будущем. Речь идет об адаптивной иммунной системе (приобретенный иммунитет).

Адаптивная иммунная система – пожалуй, лучшее оружие в гонке вооружений с патогенами, которые пытаются всячески обойти иммунный ответ нашего организма. В основе ее работы лежит создание слегка отличающихся генетических вариантов иммунных клеток, способных идентифицировать новые для организма патогены. Когда одна из этих иммунных клеток обнаруживает патоген, адаптивная иммунная система создает новые копии клеток этого типа, позволяя им активно делиться. Как результат, популяция иммунных клеток подстраивается под конкретную угрозу, с которой сталкивается организм. Вся прелесть иммунной системы в том, что она, по сути, организует изменение своих клеток для борьбы с патогенами, которые сами тоже эволюционируют. Без этого мы бы сильно отставали в эволюционной гонке вооружений с патогенами. Поддерживая развитие иммунных клеток, адаптивная иммунная система своевременно реагирует на быстро изменяющиеся патогены.

Адаптивная иммунная система сродни небольшому бастиону клеточной свободы внутри организма, где в остальном процветает жесткий контроль. Она склоняет равновесие в сторону клеточной пролиферации и быстрого роста популяции клеток, специализирующихся на угрозах от патогенов. Иммунной системе приходится соблюдать баланс между чрезмерным клеточным контролем, повышающим риск нашей смерти от инфекционных заболеваний, так как организм оказывается не в состоянии должным образом реагировать на возникающие угрозы, и чрезмерной клеточной свободой, способной увеличить риск развития рака иммунной системы, например лейкоза.

Лейкозами^[10] болеют поразительно большое количество детей в возрасте до 15 лет. Многие из них теперь успешно лечатся (что может быть связано с генетической однородностью раковых клеток, благодаря которой у них не так быстро вырабатывается устойчивость к применяемому типу лечения, как у менее генетически однородных видов рака – я еще вернусь к этой теме позже). Острый лимфобластный лейкоз (ОЛЛ) – самая распространенная разновидность лейкоза у детей – может возникать на очень ранних этапах развития при чрезмерной пролиферации недифференцированных иммунных клеток – так называемых клеток-предшественников.

ХОТЯ РАЗВИТИЕ БОЛЕЗНИ ЗАЧАСТУЮ И НАЧИНАЕТСЯ ЕЩЕ В ПРОЦЕССЕ ВНУТРИУТРОБНОГО ФОРМИРОВАНИЯ, ОНО МОЖЕТ БЫТЬ СПРОВОЦИРОВАНО В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ ИНФЕКЦИЙ УЖЕ ПОСЛЕ РОЖДЕНИЯ.

Как мы уже видели, причиной лейкоза зачастую становится транслокация – соединения двух участков генов, которые не должны располагаться рядом. Известно, что эти виды лейкоза развиваются внутриутробно: ученые, изучающие больных лейкозом детей, начали анализировать образцы крови, взятые у детей при рождении в рамках неонатального скрининга – так называемого пяточного теста (раньше использовался для скрининга различных генетических заболеваний, таких как фенилкетонурия). Аномальные транслокации уже присутствовали в крови новорожденных, которым позже диагностировали лейкоз.

Любопытно, что примерно у 1 % всех новорожденных имеются предлейкозные клоны с этими транслокациями, однако лишь у немногих из них развивается ОЛЛ. Этот факт говорит о том, что развитие ОЛЛ связано не только с генетическими транслокациями – в деле замешаны и другие факторы.

Одним из них является отсутствие контактов с патогенами на первых годах жизни. Если ребенок первые год-два не сталкивался с инфекциями (например, не посещал ясли), то последующее воздействие высокозаразной инфекции будет связано с повышенным риском развития ОЛЛ.

Мел Гривз, эволюционный биолог в области рака, специализирующийся на детском лейкозе, исследовал несколько случаев «вспышек» ОЛЛ – он отследил их историю до предполагаемых инфекционных заражений, случившихся незадолго до диагностики болезни. Так, Гривз изучил необычную вспышку в Милане. В течение четырех недель семерым местным детям в возрасте от 2 до 11 лет диагностировали ОЛЛ. Он выяснил, что этому предшествовала эпидемия свиного гриппа, который был обнаружен у каждого из заболевших. Он также определил, что лейкоз чаще диагностировали у детей, которые не посещали ясли и были единственными в своей семье, – то есть они реже сталкивались с патогенами в первые годы жизни (по сравнению с детьми, которые с раннего детства регулярно проводили время со сверстниками), в результате чего их иммунная система была менее развитой. Когда же они все-таки столкнулись с инфекционным патогеном – вирусом свиного гриппа – она дала сбой, что, возможно, и привело к развитию лейкоза.

Скорее всего, такая предрасположенность к лейкозу объясняется эволюционным преимуществом адаптивной иммунной системы. Она приносит нам такую огромную пользу – обеспечивает защиту от инфекций, – что перевешивает связанные с этим дополнительные риски развития рака.

Благодатная почва для рака

Мы уже выяснили, как восприимчивость к раку связана с ростом, поддержанием тканей, заживлением ран и защитой от инфекций. Подавление рака связано также со святым граалем эволюционной жизнеспособности: репродуктивной функцией. Контроль клеточной пролиферации и восстановление ДНК помогают с подавлением рака, однако иногда это может негативно влиять на фертильность. Исследование женщин с мутациями генов BRCA, участвующего в восстановлении ДНК, знакомит нас с одним из примеров компромисса между репродуктивной функцией и подавлением рака.

BRCA1 и BRCA2 – это два разных (и не связанных между собой) гена подавления опухолей. Оба они вырабатывают белки, участвующие в восстановлении ДНК, и играют роль в формировании ооцитов (клеток яичников) в эмбриональном развитии. Иногда люди рождаются с мутациями зародышевых линий (то ест врожденными мутациями, которые появились в яйцеклетке или сперматозоиде их родителей) в генах BRCA, что может повысить риск развития рака груди и яичников в течение жизни из-за неправильного восстановления ДНК (мутации BRCA связаны и со многими другими видами рака). BRCA1 и BRCA2 представляют собой длинные генетические последовательности в 17-й и 13-й хромосомах соответственно. Из-за относительно большой длины этих генов в них возможно много различных мутаций, каждая из которых несет последствия для образования одноименных белков, участвующих в восстановлении ДНК. Некоторые мутации генов BRCA полностью нарушают производство белков, сделав невозможным восстановление ДНК, в то время как другие нарушают производство этих белков лишь частично, а третьи и вовсе не оказывают на этот процесс никакого влияния. Таким образом, некоторые мутации генов BRCA не связаны с повышенным риском рака. Разнообразие рисков развития рака, связанных с различными мутациями генов BRCA (зачастую в разных этнических группах или субпопуляциях) усложняют лечение. Не все изменения генов BRCA создают проблемы со здоровьем – такие экстремальные профилактические меры, как двусторонняя мастэктомия, рекомендуются не для всех носителей мутаций в BRCA. Иногда эта операция проводится для женщин с непатогенными мутациями, и многие из них не получают генетической консультации, которая могла бы помочь правильно интерпретировать результаты генетического анализа и лучше понять свои риски.

Врожденные мутации генов BRCA могут передаваться по наследству. Если в среднем вероятность рака молочной железы у женщин на протяжении жизни составляет 12–13 %, то BRCA-мутации увеличивают ее до 65–80 %. Женщинам с BRCA-мутациями рак молочной железы часто диагностируют в репродуктивном возрасте (примерно у 25 % женщин-носителей мутации гена BRCA1 рак груди диагностируют до достижения 40 лет, а к 80 годам – у 72 % носителей). У мужчин с BRCA-мутациями повышен риск развития рака груди и простаты. Почему же естественный отбор не устранил эти вредные BRCA-мутации из человеческой популяции? Одно из возможных объяснений заключается в том, что риск развития рака, связанный с некоторыми мутациями в генах BRCA, может сопровождаться признаками, обеспечивающими эволюционное преимущество – например, повышенной фертильностью, благодаря которой такие женщины оставляют больше потомства. Эта связь была изучена в ходе нескольких исследований, авторы которых сравнивали информацию о мутациях в BRCA и репродуктивной функции женщин из больших баз данных, таких как База данных населения штата Юта (США), содержащей сведения о миллионах жительниц на протяжении нескольких поколений.

В штате Юта все случаи диагностики рака молочной железы вносятся в онкологический реестр, где к ним могут быть привязаны и другие данные, включая семейный анамнез (эту базу данных разрешается использовать только для исследований, а конфиденциальность тщательно охраняется). Семейный анамнез зачастую включает в себя информацию о рождении матери, бабушек и даже прабабушек пациентки. Эти сведения позволяют ученым проверить, связана ли предрасположенность к раку молочной железы с фертильностью предков женщины. Причем эта база содержит семейный и медицинский анамнез пациентов, живших еще до распространения методов гормональной контрацепции, что представляет огромную ценность для ученых, изучающих потенциальный компромисс между генами предрасположенности к раку и репродуктивной функцией (так как в популяции, где распространена контрацепция, общий уровень рождаемости ниже, и обнаружить закономерность становится сложнее).

Этот потрясающий источник информации позволил ученым изучить связь между генетической предрасположенностью к раку среди женщин и количеством рожденных ими детей. В ходе одного из исследований ученые обнаружили, что у женщин с мутациями генов BRCA чаще диагностировали рак, чем у тех, у кого этих мутаций не было, и уровень смертности у них также был выше. Самым же интересным было то, что, согласно Базе данных популяции штата Юта, у предков женщин с BRCA-мутациями, живших до распространения методов контрацепции, рождалось больше детей – в среднем на 1,9, – чем у предков женщин без этих мутаций (женщины из контрольной группы, рожденные до 1930 года, оставляли в среднем 4,19 потомка, в то время как у носителей было в среднем 6,22 потомка). Эта закономерность указывает на то, что мутации BRCA являются связующим звеном между повышенной фертильностью и предрасположенностью к раку – по крайней мере, в данной популяции.

В ходе другого исследования – на этот раз с использованием информации, собранной в базе данных о более чем 100 тысяч жителей центральной Франции – была обнаружена похожая связь. У женщин с BRCA-мутациями в этой выборке рождалось больше детей (в среднем на 1,8 по сравнению с контрольной группой), они реже оказывались бездетными, и у них реже случались выкидыши. Любопытно, что мужчины с такими мутациями также оставляли после себя больше потомков.

Между тем данная связь, судя по всему, характерна не для всех популяций. Так, исследование женщин из США и Канады не выявило значительной корреляции между уровнем рождаемости и BRCA-мутациями. Эта выборка состояла из относительно молодых людей и включала женщин, использующих контрацептивы, что могло помешать нахождению закономерности, если она все-таки имела место.

В ходе другого исследования также не было обнаружено никаких свидетельств повышенной фертильности у женщин с BRCA-мутациями, хотя ученые и выявили, что девочек у них рождалось больше (почти 60 % из всех детей), чем у женщин без этих мутаций (относительное количество девочек среди детей едва превышало 50 %). Эти противоречивые результаты могут быть связаны с тем фактом, что связь между фертильностью и генами BRCA наблюдается не во всех популяциях с BRCA-мутациями. Кроме того, существует много разных BRCA-мутаций, и вполне возможно, что лишь некоторые их них в некоторых популяциях участвуют в эволюционном компромиссе с репродуктивной функцией. Кроме того, вполне вероятно, что некоторые BRCA-мутации увеличивают репродуктивную функцию мужчин, – и ни в одном из исследований, которые не смогли обнаружить закономерность у женщин, не проверялась связь между мутациями генов BRCA и количеством детей у мужчин. Очевидно, что этот вопрос требует дальнейших активных исследований, чтобы на него можно было дать более уверенный ответ.

Разные популяции людей – разные гены предрасположенности к раку

Во многих популяциях риск рака молочной железы и яичников связан с мутациями генов BRCA, однако эти изменения не одинаковы. У некоторых этнических групп – таких как евреи-ашкенази – имеются общие мутации в генах BRCA, которые указывают на наличие общего предка. Подобные специфичные для популяции гены предрасположенности зачастую становятся следствием так называемого эффекта основателя, когда в результате какого-нибудь события – будь то миграции, эпидемии или сокращения популяции в результате антропогенного воздействия (войны или геноцида) – появляется популяция основателей меньшего размера, которая на протяжении нескольких поколений расширяется до гораздо более крупной. Поскольку у многих организмов в данной популяции имеется общий предок, который жил относительно недавно, у них чаще встречаются общие гены, включая ответственные за восприимчивость к раку (а также, вероятно, за репродуктивную функцию). Специфические BRCA-мутации, получившие распространение в результате эффекта основателя, были обнаружены во многих человеческих популяциях: помимо евреев-ашкенази, такие популяции были найдены в Норвегии, Швеции, Италии и Японии. В каждой из них имеются специфические изменения генов BRCA, которые передаются из поколения в поколение через зародышевую линию (то есть сперматозоиды и/или яйцеклетку). Многие из этих мутаций связаны с повышенным риском рака молочной железы и яичников – хотя этот риск и варьируется в зависимости от конкретной мутации и конкретной популяции.

Существует много причин, по которым различные мутации могут быть связаны с раком в различных популяциях. Как мы уже видели, одного только наличия их недостаточно для развития рака – должен быть нарушен баланс генетических продуктов, регулирующих поведение клетки. Этот баланс подвержен влиянию внешних факторов, регулирующих экспрессию конкретного гена, а также экспрессии других генов. Другими словами, в разных популяциях наши метафорические ведра, регулирующие баланс между ростом и ограничением, заполняются разными генными продуктами. Человеку из одной популяции – скажем, английской женщине – BRCA-мутации может оказаться достаточно, чтобы сдвинуть баланс в сторону сильно повышенной предрасположенности к раку, в то время как для представителя другой популяции, например норвежской женщины, такая мутация может не оказать столь сильного влияния на восприимчивость к раку.

НЕ ВСЕ МУТАЦИИ «ГЕНОВ ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТИ К РАКУ» ВРОДЕ ГЕНОВ BRCA, ОДИНАКОВО ВРЕДНЫ – НЕКОТОРЫЕ НЕСУТ В СЕБЕ ЛИШЬ МИНИМАЛЬНЫЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ РИСК РАЗВИТИЯ БОЛЕЗНИ, А ТО И ВОВСЕ НИКАК НА НЕГО НЕ ВЛИЯЮТ.

Рак – это древняя болезнь, однако некоторые его характеристики появились в ходе эволюции позже других.

Некоторые аспекты этой наследуемой предрасположенности к раку являются частью нашего эволюционного многоклеточного наследия, в то время как другие появились относительно недавно. Например, гены, отвечающие за инвазивный характер плаценты, о которых пойдет речь в следующей главе, вероятно, вносят свой вклад в развитие рака, а появились они в ходе эволюции вместе с плацентарными млекопитающими. Мы все несем в себе эти древние наследуемые риски развития рака, будучи одновременно как многоклеточными существами, так и плацентарными млекопитающими.

Гены, которые принято связывать с наследуемым риском рака, такие как мутировавшие гены BRCA, не являются общими для всех. На самом деле существующие между людьми различия и позволяют нам понять, какой именно вклад такие гены вносят в риск развития рака. Многие из этих генов наследуемого риска, различающиеся у людей, появились совсем недавно – как правило, в популяциях, которые были подвержены эффекту «бутылочного горлышка», где они могли дать эволюционное преимущество в виде повышенной репродуктивной функции. Есть и другие гены наследуемого риска, которые явно губительны и вредны с эволюционной точки зрения, а их существование связано с тем, что они появились относительно недавно и для их исключения из популяции в результате естественного отбора просто прошло недостаточно времени.

Инвазия клеток трофобласта

BRCA – не единственное семейство генов, связывающих рак и репродуктивную функцию. Так, ген KISS1 отвечает за производство белка кисспептина, который помогает контролировать инвазивность плаценты, а также играет роль в половом созревании. Одной из функций кисспептина является подавление инвазии клеток трофобласта в слизистую оболочку матки и подавление ангиогенеза (формирования системы кровоснабжения, обеспечивающей растущий плод питательными ресурсами). Между тем ген KISS1 участвует и в подавлении рака: он снижает рост метастазов при раке молочной железы и меланоме. Этому не стоит удивляться: процессы образования метастазов и инвазии плаценты имеют схожие механизмы.

ДЛЯ УСПЕШНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ЭМБРИОНА С ПОСЛЕДУЮЩИМ ВЫКАЧИВАНИЕМ РЕСУРСОВ ИЗ МАТЕРИ ЕМУ НЕОБХОДИМО ПРОНИКНУТЬ В СЛИЗИСТУЮ МАТКИ. ЧЕМ ЛЕГЧЕ ТРОФОБЛАСТАМ (КЛЕТКАМ, КОТОРЫЕ ОБРАЗУЮТ ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ ЧАСТЬ ПЛАЦЕНТЫ) ПРОНИКНУТЬ В СТЕНКИ МАТКИ, ТЕМ ВЫШЕ ВЕРОЯТНОСТЬ НАСТУПЛЕНИЯ БЕРЕМЕННОСТИ.

Низкий уровень сопротивляемости такой клеточной инвазии повышает фертильность женщины, однако одновременно с этим и увеличивает риск развития метастазов.

Аналогичные компромиссы между повышенным риском развития рака и высокой репродуктивной функцией могут существовать и у мужчин. Так, высокий уровень тестостерона связан с повышенным риском рака простаты, одновременно с этим способствуя более активной половой жизни мужчины.

Все это указывает на то, что с эволюционной точки зрения оптимальный уровень противораковой защиты может быть не таким высоким, как вы могли подумать. Если чрезмерная защита от рака отрицательно влияет на выживание и размножение, то эволюция отдает предпочтение ее более низкому уровню. Мы с коллегами, заинтересовавшись данными компромиссами между репродуктивной функцией и риском развития рака, построили компьютерную модель, которая показала, как отличаются оптимальные уровни противораковой защиты в различных репродуктивных условиях. Нам хотелось понять, не ослабнет ли противораковая защита организма в условиях повышенной репродуктивной конкуренции, когда оставить потомство удается только самым успешным индивидам.

В результате при повышенном уровне репродуктивной конкуренции оптимальный уровень противораковой защиты оказался довольно низким. В ситуации, когда «победителю достается все» – то есть размножается только самый успешный индивид, – модель предсказала экстремальное снижение уровня противораковой защиты организма в результате эволюции. Противораковая защита оправдывала себя лишь в сценариях с низким уровнем смертности по внешним причинам (не связанным с болезнью организма), а также низким влиянием каких-либо конкурентных преимуществ на репродуктивный успех (в противоположность сценарию «победителю достается все», то есть размножаются все, кто может).

Многие черты появились в ходе эволюции вследствие того, что они напрямую повышают вероятность размножения, либо потому, что попросту являются предпочтительными для противоположного пола. Данный механизм называют половым отбором, и такие черты включают крупный размер и различные украшения, например рога. Половой отбор зачастую благоволит чертам, которые порой требуют высокого уровня пролиферации для создания определенных вторичных половых признаков и привлекательных для противоположного пола украшений. Эта потребность в быстрой клеточной пролиферации может привести к повышенной восприимчивости к раку (например, раку оленьих рогов, который я рассмотрю в следующей главе). Такие черты, как быстрая пролиферация клеток, безалаберное восстановление ДНК, а также более благоприятные условия для зачатия и/или имплантации эмбриона, могут обеспечить организму репродуктивное преимущество, за которое, однако, придется расплачиваться повышенным риском рака.

Эта связь между репродуктивной конкуренцией и раком может проявляться через такие механизмы, как ген KISS1. Любопытно, что этот ген участвует и во многих других процессах, связанных с репродуктивной функцией, включая производство лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормонов, играющих важнейшую роль в женском репродуктивном цикле.

Эти наблюдения демонстрируют нам, что порой за крупный размер, фертильность и привлекательность организмам приходится расплачиваться повышенной предрасположенностью к раку. Разумеется, это не означает, что повышенный риск рака делает индивидов более привлекательными для противоположного пола и повышает их фертильность – речь идет лишь о том, что ради приобретения этих признаков организму порой приходится жертвовать дополнительной восприимчивостью к болезни.

Мы все живем с предраковыми образованиями

Имплантация плаценты в стенку матки – один из примеров важнейшей функции, для реализации которой требуется толерантность к инвазивному поведению, характерному для раковых клеток. Как мы уже видели, многие потенциально повышающие приспособленность организма функции и виды клеточной деятельности вроде механизма заживления ран могут быть связаны и с другими характерными для рака явлениями, такими как быстрая пролиферация, миграция клеток и образования новых кровеносных сосудов. Часть рисков развития рака стала следствием компромисса для приобретения признаков, которые позволили нам нормально развиваться, выживать и размножаться.

РАК – ЭТО ТА ЦЕНА, КОТОРУЮ НАМ ПРИШЛОСЬ ЗАПЛАТИТЬ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭВОЛЮЦИИ РАДИ ТОГО, ЧТОБЫ БЫТЬ БОЛЕЕ КРУПНЫМИ, ЗДОРОВЫМИ И ФЕРТИЛЬНЫМИ.

Эти компромиссы между подавлением рака и чертами, повышающими приспособленность организма, проявляются на протяжении всей жизни. Наш организм до определенной степени терпимо относится к клеткам, ведущим себя как раковые, чтобы реализовать все необходимые ему функции. Таким образом, с возрастом в организме накапливаются предраковые образования. Как мы уже видели, появления пары мутаций недостаточно, чтобы клетка тут же стала раковой. Такие клетки могут продолжить вести себя нормально, как здоровые, выполняющие свою работу во благо всего организма.

Даже если и не умираем от рака, мы практически наверняка умираем с раком – по крайней мере, с предраковыми образованиями.

Большинство мужчин умирают с медленно растущими опухолями простаты (но не из-за них). Большинство женщин умирают с опухолями груди, которые не обязательно будут считаться раковыми. Многие умирают с микроскопическими опухолями щитовидной железы. А клетки нашей кожи постоянно приобретают предраковые мутации в результате воздействия солнца, заживления ран и других повседневных воздействий. Мы живем с предраковыми образованиями десятилетиями, как правило, без каких-либо проблем.

В нашем организме образуются опухолеподобные образования, однако, пока они остаются локальными, ему удается удерживать их под строгим контролем благодаря появившимся у нас в ходе эволюции системам подавления рака. Когда же такие опухоли все-таки разрастаются, захватывая соседние ткани и образуя метастазы по всему телу, они могут нас погубить.

Рак – это процесс соматической эволюции внутри организма, который способен выдержать весьма большую мутационную нагрузку, продолжая выполнять все свои функции. Мы можем спокойно жить с непрерывно эволюционирующими клетками, не поддаваясь раку.

Наша восприимчивость к раку неразрывно связана с нормальными физиологическими процессами, которые протекают на протяжении всей жизни, причем многие из них способствуют нашему здоровью, стимулируют репродуктивную функцию и защищают от различных угроз. Но что же происходит с нашей восприимчивостью к раку, когда репродуктивный возраст подходит к концу и начинается старость?

ПО МЕРЕ СТАРЕНИЯ ВЛИЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА НА ОРГАНИЗМ НАЧИНАЕТ ОСЛАБЕВАТЬ. ВСЕ ПОТОМУ, ЧТО НАША СУДЬБА ПОСЛЕ ПРЕОДОЛЕНИЯ РЕПРОДУКТИВНОГО ВОЗРАСТА УЖЕ, КАК ПРАВИЛО, НЕ ТАК ВАЖНА ДЛЯ ЭВОЛЮЦИОННОГО УСПЕХА ВСЕГО ВИДА.

Иногда люди, используя этот принцип, утверждают, что естественный отбор никак не способствует борьбе с раком после окончания репродуктивного возраста. Это не так. Влияние отбора действительно ослабевает в старости, однако оно не пропадает полностью. Уникальность людей заключается в том, что родители невероятно долго участвуют в жизни своего потомства (наши предки охотники-собиратели, скорее всего, десятилетиями помогали своим детям и внукам после их рождения). Благодаря этому они могут способствовать репродуктивному успеху потомства даже по достижении преклонного возраста. Таким образом, естественный отбор продолжает в той или иной мере способствовать подавлению рака и в старости. Мы изучили этот вопрос с моим коллегой Джоэлом Брауном. С помощью построенной нами математической модели мы обнаружили, что у организмов, которые продолжают помогать потомству долгое время после его рождения (как это происходит у людей), давление отбора в пользу подавления рака может оставаться достаточно высоким даже после окончания репродуктивного возраста, обеспечивая работу механизмов подавления рака и в старости.

Ожидаемая продолжительность жизни в настоящем гораздо выше, чем у древних людей, однако многие из наших предков тоже доживали до старости. Данные по современным обществам охотников-собирателей указывают на то, что в условиях, похожих на те, в которых жили наши предки, человек запросто может прожить больше 70 лет. Столь долгая продолжительность жизни указывает на то, что естественный отбор в пользу механизмов подавления рака у наших предков не отключался полностью после того, как они оставляли потомство. Тем не менее в наши дни мы живем гораздо дольше предков охотников-собирателей и, как результат, чаще сталкиваемся в своей жизни с раком, ведь вероятность преждевременной смерти по каким-то другим причинам, например из-за инфекции или несчастного случая, с тех пор значительно упала.

Современные условия жизни вносят свой вклад в развитие рака

В ходе эволюции человеческий организм научился бороться с раком в условиях, которые кардинально отличались от современного мира. Не было никаких торговых автоматов, эскалаторов, посменной работы, сигарет. Наши системы подавления рака эволюционировали в мире охотников-собирателей, которые ежедневно проходили многие километры, собирая фрукты и овощи или охотясь на животных, забирались на скалы и деревья в поисках пчелиного меда и раскапывали землю, чтобы добыть корнеплоды. Им приходилось много трудиться ради каждой потребленной калории. Это совершенно не похоже на современную жизнь, где мы без труда получаем больше калорий, чем нам требуется, а ходим намного, намного меньше наших предков – даже если наши фитнес-трекеры и фиксируют впечатляющее количество проделанных шагов.

В условиях современных удобств, помимо повышенного риска из-за большего количества потребляемых калорий и менее подвижного образа жизни, наша повседневная жизнь связана и с другими внешними факторами, такими как воздействие канцерогенов (прежде всего в сигаретном дыме), повышенный уровень половых гормонов (благодаря хорошему питанию и более частой овуляции у женщин), а также различные нарушения сна (в связи с искусственным освещением, посменным графиком работы и сидением допоздна перед экраном). На протяжении жизни мы подвергаемся множеству различных воздействий и переживаем события, с которыми охотники-собиратели попросту никогда не имели дела – и эти изменения произошли слишком быстро, чтобы человеческая популяция могла в результате своей эволюции успеть выработать более эффективные механизмы подавления рака.

САМ ПО СЕБЕ РАК ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДРЕВНЮЮ БОЛЕЗНЬ, ОДНАКО СОВРЕМЕННЫЙ ОБРАЗ ЖИЗНИ УВЕЛИЧИВАЕТ УРОВЕНЬ МУТАЦИЙ ЗА СЧЕТ ВОЗДЕЙСТВИЯ КАНЦЕРОГЕНОВ, ЛИБО ПОПРОСТУ СМЕЩАЯ ШАТКИЙ БАЛАНС НАШЕГО ОРГАНИЗМА В ПОЛЬЗУ БОЛЬШЕЙ КЛЕТОЧНОЙ СВОБОДЫ.

Так, высокий уровень репродуктивных гормонов может ускорить пролиферацию клеток, тем самым снизив качество восстановления ДНК или других процессов в клетках, способствующих профилактике рака. Кроме того, высокая доступность продуктов питания и качественная медицинская помощь значительно удлинили продолжительность жизни по сравнению с нашими древними предками, в результате чего у рака появилось больше времени, чтобы успеть развиться и захватить организм.

Восприимчивость к раку начинается с зачатия, однако многие факторы, оказывающие на нее влияние, появились задолго до встречи наших родителей, до появления людей и даже до появления плацентарных млекопитающих. Она уходит своими корнями в наше древнее эволюционное прошлое, однако это связано и с эволюционной борьбой, происходящей в течение жизни среди клеток нашего организма. Для того чтобы многоклеточный организм нормально функционировал, клетки должны иметь возможность делиться, двигаться и использовать имеющиеся вокруг ресурсы. Проблема в том, что все эти функции вносят свой вклад в нашу восприимчивость к раку. Ослабление механизмов подавления рака может способствовать различным эволюционным преимуществам, таким как более крупное тело или повышенная фертильность. Это приводит нас к парадоксальному заключению, что оптимальный уровень риска развития рака для организма не равен нулю. Если бы мы полностью победили рак, за это пришлось бы заплатить слишком высокую эволюционную цену.

5
Рак на всем древе жизни

Когда бернскому зенненхунду^[11] Джошуа Шиффмана диагностировали рак, мужчина не поверил своим ушам. Он исследователь в области рака и детский онколог, который сам пережил рак. Меньше всего на свете он ожидал, что его любимый питомец станет жертвой этой болезни. Шиффман осознал, что рак поражает не только людей, но и многие другие организмы по всему древу жизни.

Этот случай побудил Шиффмана побольше узнать о восприимчивости к раку у собак – и он с удивлением обнаружил многие сходства с рисками развития рака у людей. У них могут быть мутации генов BRCA1/2, повышающие риск рака молочной железы и яичников. Рак у собак также может быть связан с мутациями гена TP53, которые у людей вызывают синдром Ли-Фраумени – наследственное расстройство, значительно повышающее вероятность развития рака в течение жизни. У собак с хроническими миелоидными лейкозами даже была обнаружена транслокация BCR/ABL – типичная, как я уже говорила в третьей главе, при хроническом миелоидном лейкозе у людей.

Сходства между раком у собак и людей выходят за рамки генетических факторов риска, таких как изменения в генах BRCA, TP53 и BCR/ABL. У тех и других риск развития рака связан с большим размером тела. В предыдущей главе мы увидели, как быстрый рост до большого размера может привести к повышенному риску развития рака из-за компромисса между клеточной пролиферацией и контролем клеточного поведения. На натянутом канате развития организма его клеткам приходится поддерживать баланс между чрезмерной пролиферацией и чрезмерным контролем, чтобы обеспечить нормальное развитие и эволюционную приспособленность организма. Таким образом, при прочих равных условиях следует ожидать повышенную восприимчивость к раку у более крупных организмов.

Проблема в том, что не все прочие условия равны – во всяком случае, когда речь идет о таких крупных животных, как слоны. В организме слона примерно в сто раз больше клеток, чем у человека, и тем не менее уровень заболеваемости раком у них гораздо ниже, чем у нас с вами. На самом деле, если посмотреть на разные виды, можно увидеть, что риск развития рака не растет с их размером – такая закономерность наблюдается лишь в рамках одного вида. В предыдущей главе мы узнали, что большой размер может сопровождаться повышенным риском развития рака из-за большего количества клеточных делений, необходимых для достижения этого размера и его поддержания.

ТАК ПОЧЕМУ ЖЕ ТОГДА БОЛЬШОЙ РАЗМЕР ТЕЛА НЕ КОРРЕЛИРУЕТ С ПОВЫШЕННЫМ РИСКОМ РАЗВИТИЯ РАКА СРЕДИ ВСЕХ ВИДОВ?

В этой главе я покажу, как эту загадку, парадокс Пето, можно разрешить, используя эволюционный подход.

Я также более подробно рассмотрю некоторые из причин, по которым восприимчивость к раку меняется по всему древу жизни, начиная от простейших многоклеточных организмов и заканчивая более сложными формами жизни, такими как слоны.

Понимание того, как рак влияет на другие формы жизни – и как жизнь в ходе эволюции научилась с ним бороться, – поможет нам разобраться в причинах восприимчивости к раку у людей и направит нас к новым стратегиям лечения и профилактики онкологических заболеваний.

Различия в восприимчивости к раку среди разных форм жизни связаны с некоторыми из все тех же компромиссов, о которых мы узнали в предыдущих главах: с той ценой, которую приходится платить за крупный размер, быстрый рост, заживление ран и репродуктивный успех. Я же добавлю сюда еще эволюционные процессы, которае помоут нам понять, почему одни организмы делают упор на развитие эффективных механизмов подавления рака, а другие – нет. Эта теория поможет объяснить, почему у некоторых видов наблюдается особая устойчивость к этой болезни.

Я также рассмотрю несколько любопытных случаев заразного рака – от рака, передающегося половым путем у собак, и того, который передается через укусы морды у тасманских дьяволов, до нескольких редчайших случаев передачи рака от человека к человеку.

Мы увидим, как компромиссы с другими чертами, влияющими на нашу эволюционную приспособленность – такими, как заживление ран и размножение – формируют нашу восприимчивость к трансмиссивным видам рака и к раку в целом.

Я также покажу, что трансмиссивные виды рака сопровождают многоклеточную жизнь с самого ее зарождения – судя по всему, они сыграли важнейшую роль в формировании многих важных признаков жизни: от иммунной системы до эволюции полового размножения.

Рак и вся живая природа

В самом начале этой книги я рассказывала о хохлатых кактусах и удивительном разнообразии корон, узловатых наростов и напоминающих мозг образований, которые могут появиться в результате нарушения обычного контроля пролиферации клеток. Эти наросты на кактусах представляют столь большой интерес, поскольку по сути, являются аналогом раковых опухолей – клеткам удается каким-то образом обойти нормальные ограничения многоклеточного сообщества и начать бесконтрольно размножаться.

Хохлатые кактусы представляют собой один из примеров фасциации у растений. Фасциацией называют уродливую деформацию побегов и плодов растений, и она может возникнуть, когда клетки на конусе нарастания (так называемые клетки меристемы, или образовательной ткани растения) вместо одной верхушки образуют линию клеток. По мере своего деления эти клетки создают расширяющуюся полоску ткани, которая принимает форму веера и иногда даже начинает заворачиваться, формируя напоминающие мозговые извилины структуры. Фасциация свойственна не только кактусам – ей подвержены и многие другие растения (рис. 5.1). У некоторых цветков фасциация выражается в формировании причудливых, удлиненных соцветий. Табак часто подвергается фасциации, которая меняет структуру его листьев и цветков. Даже большие деревья, такие как сосны, могут быть подвержены фасциации, в результате которой их стволы разрастаются, принимая веерообразную форму.

Рисунок 5.1. Растения подвержены явлению под названием фасциация, механизм которого схож с образованием рака. Мутации в конусе нарастания приводят к причудливым и зачастую красивым паттернам роста. Иллюстрации слева направо: фасциация кипариса Chamaecyparis obtusa в результате повреждения (Антон Бодуэн, Политехнический университет Виргинии и университет штата, материалы на Bugwood.org представлены по свободной лицензии CC BY 3.0); фасциация у Casuarina glauca, лишенной типичной ветвящейся структуры, которую заменяет большое веерообразное формирование с нарушенной дифференцировкой ткани (ухо мула) с нормальным цветком слева и цветком, подверженным фасциации, справа; и «двойной цветок» Anemone coronaria.

С годами мой интерес к хохлатым кактусам перерос в увлечение фасциацией, которое затем расширилось на все древо жизни, в конечном счете охватив все многоклеточные организмы.

Напоминающие рак явления были обнаружены нами с коллегами на каждой ветви животного царства.

В жизни ученого не часто выпадает возможность провести целый год, общаясь и работая с группой людей, полностью разделяющих его научные интересы. Мне выпала честь побыть частью рабочей группы в Институте перспективных исследований в Берлине (называемом Wissenschaftskolleg, сокращенно Wiko), где нам всем представилась именно такая возможность. Майкл Хохберг, эволюционный биолог-теоретик и эколог, занимающийся изучением рака, организовал рабочую группу по изучению эволюции рака. Большую часть года мы исследовали проявления рака у разных живых организмов, штудируя научную литературу в поисках данных о раке и об опухолеподобных образованиях среди всех представителей живой природы. Мы обнаружили свидетельства наличия подобных явлений у моллюсков, насекомых, всевозможных животных, кораллов, грибов и, конечно же, растений (рис. 5.2).

Рисунок 5.2. Все ветви многоклеточного древа жизни подвержены раку. Нам удалось найти свидетельства обнаружения рака и опухолеподобных процессов (характеризующихся нарушенной дифференциацией и бесконтрольной пролиферацией клеток) на всех ветвях древа многоклеточной жизни.

Схема размещена с разрешения автора

Мы также выяснили, что у всех этих видов рак всегда был связан с нарушением основных правил многоклеточного сотрудничества: бесконтрольной пролиферацией, излишней выживаемостью клеток, неправильным разделением клеточного труда (то есть нарушением клеточной дифференцировки), монополизацией ресурсов и разрушением межклеточной среды.

Как правило, когда раку пытаются дать определение, упор делается на животном царстве и в качестве основных критериев используется инвазия опухоли и образование метастазов.

Инвазия подразумевает прорыв клетками базальной мембраны, однако не у всех живых организмов имеются покрытые базальной мембраной ткани. Не у всех организмов есть кровеносная система, которую рак мог бы использовать для распространения метастазов. Таким образом, более общим подходом будет определять рак через недобросовестное поведение клеток. Это позволит нам использовать общий набор характеристик по всему древу жизни – характеристик, связанных с нарушением базовых устоев многоклеточного сотрудничества.

Многие биологи предполагали, что инвазивный рак невозможен у растений из-за наличия у их клеток стенки и более жесткой структуры тканей. Тем не менее, как мы с вами уже видели, растения также подвержены опухолеподобным образованиям (фасциации). Они не являются инвазивными, однако им свойственны все типичные для рака признаки недобросовестного клеточного поведения: чрезмерная пролиферация, неограниченная продолжительность жизни клеток, нарушение нормального распределения клеточного труда (нарушенная структура цветения), а также разрушение общей среды (например, повышенный риск гибели тканей, делающий все растение более восприимчивым к инфекциям). Более того, инвазивные образования у растений порой все-таки появляются. Одним из обнаруженных нами сюрпризов стала научная работа, в которой сообщалось об обнаружении инвазивных образований у растений – фронта клеток, прорывающегося через существующие ткани растения. Это отвечает даже более строгому традиционному определению рака, говорит нам о том, что у растений по всем меркам и определениям бывает рак.

Следует предупредить, что в нашем первом исследовательском проекте по изучению рака по всему древу жизни мы опирались только на опубликованные работы по данной теме. Эта деятельность помогла увидеть общую картину того, как рак затрагивает все ветви, соответствующие различным многоклеточным организмам. Но это был лишь первый шаг на долгом пути. Дальнейшие шаги включают систематический анализ как можно большего объема информации о раке среди всего мира живой природы.

Сейчас я работаю над этим совместно с несколькими участниками первоначальной рабочей группы Wiko, многие из которых теперь стали частью Центра изучения эволюции рака в Аризоне. Мы занимаемся анализом уровня заболеваемости раком у разных видов. Проект возглавляет специалист по биологии рака и эволюционный биолог Эми Бодди из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Бодди руководит масштабной работой по созданию всеобъемлющей базы данных онкологических заболеваний путем объединения информации из зоопарков, ветеринарных клиник и других источников. Эта база содержит около 170 тысяч записей о животных, относящихся к 13 тысячам различных видов. На данный момент нам не удалось найти ни одного животного, включенного в эту базу, с полной устойчивостью к раку – по каждому виду с как минимум 50 медицинскими записями по крайней мере одна указывала на наличие каких-либо новообразований.

САМЫЙ ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ РАСПРОСТРАНЕННОСТИ РАКА НА МОМЕНТ НАПИСАНИЯ ЭТОЙ КНИГИ БЫЛ ОБНАРУЖЕН СРЕДИ ХОРЬКОВ, ЕЖЕЙ И МОРСКИХ СВИНОК. ОЧЕНЬ ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ НАБЛЮДАЕТСЯ У ГЕПАРДОВ И ТАСМАНСКИХ ДЬЯВОЛОВ (ДАЖЕ БЕЗ УЧЕТА ТРАНСМИССИВНЫХ ОПУХОЛЕЙ ЛИЦА, РАСПРОСТРАНЕННЫХ СРЕДИ ПОСЛЕДНИХ).

В дополнение к работе с этой базой данных мы также занимаемся изучением пластинчатых и губок – простых форм жизни, которые с первого взгляда оказались невосприимчивыми к раку (пластинчатые и губки не были включены в вышеупомянутую базу, так как обычно их лечением не занимаются ветеринары и работники зоопарков, откуда мы берем данные). Мой коллега Анджело Фортунато руководит проектом, который изучает эти древние многоклеточные формы жизни и их способность противостоять раку. У Фортунато две докторские степени – по эволюционной биологии и биологии рака, что наделяет его уникальным набором навыков и опыта для исследования эволюции механизмов подавления рака. Изучив механизмы сопротивляемости раку у этих видов, мы сможем лучше понять, как они появились в ходе эволюции, а то и вовсе открыть неизвестные средства подавления рака. Кроме того, мы можем больше узнать о человеческих болезнях и о более эффективных способах лечения и профилактики рака у людей.

Фортунато сосредоточил свою работу на нескольких видах, у которых, судя по всему, не бывает рака (в ходе первоначального изучения научной литературы нам не удалось найти никаких свидетельств обнаружения рака у них). Одним из первых видов, принесенных Фортунато в лабораторию, была морская губка Tethya wilhema – организм, представляющий собой лишь скопление практически не дифференцированных клеток с порами и каналами, позволяющими проникать внутрь воде и питательным веществам. Фортунато обнаружил, что губки демонстрируют невероятную устойчивость к раку: они способны переносить экстремально высокий уровень радиации (которая вызывает повреждения ДНК) без каких-либо явных опухолеподобных новообразований. Наблюдая за реакцией губок на радиацию, он заметил, что иногда они на несколько дней сжимаются, после чего возвращаются к своему прежнему размеру, однако никаких очевидных странных наростов или пятен, которые могли бы указывать на рак, ему обнаружить не удавалось. На данный момент Фортунато использует различные молекулярные методы в попытке раскрыть механизмы, ответственные за такую устойчивость к повреждениям ДНК.

Он также изучает и механизмы подавления рака у пластинчатых (вид Trichoplax adhaerens) – организмов, которые формально считаются животными, однако по сути представляют собой бесформенный мешок клеток с внешним слоем, который помогает ему передвигаться. Облучая пластинчатых радиацией, Фортунато иногда замечал участки потемнения (потенциальный рак), которые увеличивались в размерах. Иногда эти затемненные области перемещались к внешнему краю организма и отделялись, освобождая его тем самым от этих потемневших клеток (рис. 5.3).

Рисунок 5.3. В результате воздействия радиации в организме пластинчатых иногда образуются затемненные участки, которые постепенно смещаются к краю и вытесняются наружу, полностью освобождая организм от поврежденных клеток. Вполне вероятно, что подобное вытеснение является примитивным механизмом подавления рака. На фотографии представлен организм, получивший дозу рентгеновского излучения 160 Гр. Снимок сделан при 150-кратном увеличении с использованием подсветки

Это может быть механизмом подавления рака, используемым организмами без сложных тканей и систем органов, таких как пластинчатые, – по сути, проблемные клетки попросту выбрасываются наружу. Может показаться, что такая стратегия работает только для самых простых структур, однако, если поразмыслить, выталкивание проблемных клеток может быть эффективной стратегией в масштабах ткани даже у таких крупных организмов, как человек. Например, в толстом кишечнике человека клетки с чрезмерно активной пролиферацией могут вытесняться соседними. Расположенные по соседству клетки могут образовывать кольца, состоящие из актина и миозина (белки, придающие мышцам их свойства), которые буквально выталкивают проблемные клетки. Схожее явление было обнаружено и у плодовых мушек (дрозофил): нормальные клетки могут вырабатывать филамин и виментин, из которых формируются длинные, напоминающие руки, выступы, вытесняющие мутировавшие клетки. Этот механизм, однако, работает лишь при условии наличия нормальных клеток вблизи мутировавших, что указывает на важную роль микроокружения опухоли в данном процессе. Вытеснение мутировавших клеток помогает защищать организм от потенциальной угрозы, которую могут представлять для него оставшиеся поврежденные клетки. Судя по всему, этот способ избавления от мутировавших клеток присущ не только пластинчатым.

Работа Фортуната знакомит нас с возможными способами защиты от недобросовестного клеточного поведения, появившимися у простых организмов в результате эволюции. Она должна пробудить интерес к расширению области исследований рака на все древо жизни, чтобы лучше понять, какими механизмами подавления рака снабдила нас эволюция.

Чем больше клеток, тем больше рака?

В предыдущем разделе я обсуждала механизмы подавления рака у маленьких и относительно простых форм жизни, но что насчет более крупных и сложных организмов – таких как люди или слоны? Как крупные и сложные формы жизни удерживают рак под контролем достаточно долгое время, чтобы успеть размножиться?

Без пролиферации клеток невозможно само существование многоклеточного организма, однако она также усиливает нашу восприимчивость к раку, поскольку при любом своем делении клетка может мутировать. Чем крупнее организм, тем больше раз клеткам необходимо поделиться, чтобы он достиг такого размера, и тем чаще им приходится делиться, чтобы такой размер поддерживать. Кроме того, чем крупнее организм, тем больше в нем в любой момент времени содержится клеток с мутациями. Если рассмотреть статистику распространенности в рамках одного вида, можно обнаружить, что у более крупных особей риск развития рака обычно выше. Так, у более крупных пород собак (тяжелее 20 килограмм) риск развития рака выше, чем у собак поменьше, равно как и высокие люди подвержены большему риску развития рака, чем низкие – с каждыми дополнительными 10 сантиметрами роста риск развития рака увеличивается примерно на 10 %. Если же рассматривать данные по всем видам, то такой закономерности уже не наблюдается – риск развития рака не увеличивается с увеличением размера.

В начале этой главы уже говорилось, что у слонов примерно в 100 раз больше клеток, чем у людей, однако они не болеют раком в 100 раз чаще, чем мы. Для своего размера и продолжительности жизни эти животные отличаются удивительной сопротивляемостью раку. Более того, они болеют им реже, чем многие другие организмы меньшего размера, включая людей. Мыши, напротив, болеют раком намного чаще нас с вами, несмотря на свой гораздо меньший размер. Аналогичный парадокс связан и с продолжительностью жизни: чем дольше живет та или иная особь, тем выше вероятность развития у нее рака, так как увеличивается общее количество клеточных делений, равно как и суммарное воздействие потенциальных мутагенов. Тем не менее, если рассматривать весь животный мир, прямой зависимости между средней продолжительностью жизни вида и его уровнем заболеваемости раком не наблюдается.

Отсутствие корреляции между риском развития рака и размером тела или продолжительностью жизни называют парадоксом Пето. Он впервые был замечен в 1970-х годах Ричардом Пето, специалистом по статистической эпидемиологии из Оксфорда. Он отметил, что клетки человека должны быть более устойчивы к раку, чем клетки мыши – в противном случае у нас у всех бы в юном возрасте развивался рак. Исследования, проведенные мной и моими коллегами за последние несколько лет, подтвердили эту закономерность: у более крупных и долгоживущих видов животных риск развития рака не возрастает, по сравнению с животными меньшего размера и с меньшей продолжительностью жизни.

Жизненные стратегии

Каждый из нас идет по натянутому канату, балансируя между клеточной свободой и клеточным контролем. Чрезмерная свобода увеличивает риск развития рака, в то время как контроль чреват задержкой развития и эволюционным провалом. В этом мы мало отличаемся ото всех остальных многоклеточных организмов. Каждому живому существу приходится находить этот баланс, чтобы его клетки могли выполнять все необходимые функции по поддержанию жизни и способности к репродукции, но чтобы при этом их поведение контролировалось достаточно строго для недопущения их перерождения в раковые.

Каждый организм достигает этого баланса по-своему. Одних, например мышей, всю их короткую жизнь клонит на этом канате влево. Они позволяют клеточному хаосу доминировать, пока не будут пойманы хищником. Другие организмы, например слонов, всю жизнь клонит вправо. Они усиленно подавляют рак, чтобы прожить долгую жизнь и оставить потомство в более позднем возрасте.

Слонам некуда торопиться: у них в природе практически нет естественных врагов, так что они могут сделать упор на подавлении рака с целью прожить достаточно долго, чтобы такая стратегия окупилась. Возвращаясь к нашей аналогии, им приходится преодолеть гораздо более длинный канат, прежде чем они смогут размножиться. Мало того что их клонит немного вправо, чтобы они с большей вероятностью могли достичь репродуктивного возраста, так им еще и приходится быть более ловкими в поддержании баланса в целом.

Некоторые из сил, которые склоняют живые организмы в сторону хаотичной клеточной свободы, исходят изнутри. Другие силы, склоняющие их в сторону повышенного риска рака, исходят извне – например, повреждение ДНК в результате воздействия солнечных лучей и химических мутагенов. Некоторые влияния могут быть связаны и с их жизненным опытом – хорошим примером являются полученные раны.

РАНА МОЖЕТ УВЕЛИЧИТЬ РИСК РАЗВИТИЯ РАКА ЗА СЧЕТ АКТИВАЦИИ ГЕНОВ, КОТОРЫЕ, ПО СУТИ, УВЕЛИЧИВАЮТ ТЕРПИМОСТЬ К ХАОСУ В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ.

Поскольку популяции организмов эволюционируют на протяжении огромного количества поколений, другие силы влияют на баланс между клеточной свободой и контролем: высокий уровень смертности по внешним причинам (например, в результате нападения хищника или несчастного случая) и интенсивный половой отбор (когда репродуктивный успех во многом определяется способностью привлечь особь противоположного пола и конкурировать с особями своего пола). В результате такого эволюционного давления в выигрыше могут оказаться организмы, склоняющиеся влево, так как толку от подавления рака будет мало, если не удастся оставить потомство (либо придется пожертвовать слишком большим количеством возможностей для размножения ради низкого риска развития рака).

В эволюционной биологии такие сделки называют компромиссами жизненного цикла, поскольку они влияют на вклад, вносимый организмами для выполнения различных «задач» (таких как рост, размножение и выживание) на протяжении их жизни. В основе теории жизненного цикла лежит следующая идея: в распоряжении организмов имеются ограниченные ресурсы (такие как время и энергия), которые они могут распределять по разным задачам, каждая из которых может в конечном счете увеличить их репродуктивный успех. Чем больше времени тратится на что-то одно, тем меньше его остается для другого.

Эта концепция похожа на нашу аналогию с натянутым канатом, однако здесь приходится соблюдать баланс по большему количеству пар переменных: росту и репродуктивному успеху, репродуктивному успеху и выживанию, выживанию и росту и так далее. Причем каждую из этих задач организма можно разбить на подзадачи, многие из которых также находятся в противовесе друг с другом. Чтобы было проще понять эту концепцию, давайте упростим ее и рассмотрим отдельно один ресурс: время, в частности – время достижения репродуктивного возраста. У организмов, делающих упор на раннем развитии (чтобы быстро вырасти и оставить как можно больше потомства), короткий жизненный цикл. У организмов, которые делают упор на долгосрочном выживании, рост протекает более медленно, репродуктивный возраст наступает позже, и они оставляют меньше потомков. Это организмы с длинным жизненным циклом. (Сами по себе эти стратегии равнозначны. Выбор оптимальной зависит от конкретных условий обитания каждого организма – в частности, от того, с какими угрозами ему приходится иметь дело на протяжении жизни.)

При прочих равных условиях не следует ожидать, что организмы с длинным жизненным циклом, например слоны, будут подвержены раку в меньшей степени, чем организмы с коротким жизненным циклом, так как они делают упор на долгосрочном выживании, а не на быстром размножении. Одним из факторов долгосрочного выживания является уход за организмом. Для продления жизни многоклеточного организма с длинным жизненным циклом очень важно обеспечивать его защиту от рака за счет обнаружения мутаций и подавления недобросовестного клеточного поведения.

Как мы уже с вами видели, за эффективное подавление рака зачастую приходится чем-то жертвовать. Это одна из причин, по которым особи, несмотря на миллионы лет эволюции, не обретают способность к полному подавлению рака.

Селекция, применяемая в сельском хозяйстве, предоставляет уникальную возможность изучить эти компромиссы между чертами, способствующими приспособленности, и риском развития рака. С помощью селекции мы разводим животных с определенными качествами, такими как производство большого количества молока или откладывание как можно большего количества яиц. В случае кур, разводимых для производства яиц, с увеличением яйценоскости приходит и повышенный риск развития рака яичников – скорее всего, это связано с более активной клеточной пролиферацией в яичниках и соседних с ними тканях.

Быстрый сезонный рост оленьих рогов – еще один пример шаткого баланса между подавлением рака и клеточной свободой. Зимой олени сбрасывают рога, а в течение весны и лета они быстро отрастают – олени готовятся к сезону размножения, который приходится на осень.

У самцов с большими рогами имеется репродуктивное преимущество перед другими самцами. Эта способность также делает оленей более восприимчивыми к странным опухолеподобным образованиям на рогах (рис. 5.4). Стремительный рост рогов требует одновременно и быстрой пролиферации клеток, и строгого ограничения роста. Многие признаки указывают на связь между способностью к быстрому отращиванию рогов и механизмами развития рака. Даже в нормальных рогах без опухолей экспрессия генов больше похожа на экспрессию клеток рака кости (остеосаркомы), чем здоровой костной ткани. Кроме того, в рогах наблюдается экспрессия генов активации опухоли, а генетический анализ показал, что гены, связанные с раком (протонкогены), были подвержены положительному отбору у предков современных оленей.

Рисунок 5.4. При нарушении нормального роста в оленьих рогах образуются опухоли из разросшейся костной ткани. Восприимчивость к таким опухолям у оленей связана с быстрой пролиферацией клеток, необходимой для того, чтобы успевать отращивать рога каждый год к сезону размножения. Это один из примеров черты, появившейся в результате полового отбора, которая связана с повышенным риском развития рака.

Таким образом, рога представляют собой пример выбранной в результате полового отбора черты (так как самки отдают предпочтение оленям с более крупными рогами), которая увеличивает восприимчивость к раку.

Другим таким примером является размер тела. У многих видов животных самки отдают предпочтение более крупным самцам, например, у пресноводной рыбы под названием пецилия пятнистая (также известная как рыба-полумесяц или Xiphophorus maculatus). Некоторые самцы этого вида значительно крупнее своих сородичей. Более крупных самцов называют мечеными, так как обычно у них на брюхе имеется большое черное пятно. Оно представляет собой меланому. Ген, ответственный за большой размер, делает этих рыб еще и восприимчивыми к данному виду опухоли.

Крупным организмам требуется более интенсивная пролиферация клеток – сначала для достижения размера, а потом для его поддержания. Быстрая же пролиферация, в свою очередь, увеличивает риск развития рака. Но если сравнивать между собой разные виды, эта закономерность нарушается. У слонов и других организмов с длинным жизненным циклом есть свои эволюционные козыри в рукавах, позволяющие им быть одновременно большими и невосприимчивыми к раку.

СЛОНЫ МОГУТ ПОХВАСТАТЬСЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ КОПИЯМИ ГЕНА ПОДАВЛЕНИЯ ОПУХОЛИ TP53, ЧТО СПОСОБСТВУЕТ НИЗКОМУ УРОВНЮ ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ РАКОМ (У НАС ТАКИХ КОПИЙ ВСЕГО ДВЕ – ПО ОДНОЙ ОТ ОТЦА И ОТ МАТЕРИ).

Как мы с вами уже видели, ген TP53 помогает контролировать пролиферацию клеток и активирует запрограммированную гибель клеток, повреждения которых уже не подлежат исправлению. Он выступает в роли детектора недобросовестности нашего генома, который отслеживает ненормальное поведение и должным образом на него реагирует.

TP53 – один из генов-супрессоров опухоли, причем один из самых важных: он помогает поддерживать здоровое состояние клеток за счет обнаружения различных проблем, таких как повреждения ДНК. Найдя их, он останавливает клеточный цикл до тех пор, пока ошибка не будет исправлена. А если проблему невозможно решить, ген TP53 начинает посылать клетке сигналы, провоцирующие ее апоптоз. С дополнительными копиями гена TP53 слоны получают дополнительную дозу всех функций подавления рака, их организм становится еще более чувствительным к повреждениям ДНК, что повышает вероятность успешного уничтожения таких бракованных клеток.

Карло Малей, специализирующийся на раке эволюционный биолог (по совместительству мой коллега и муж), вместе со своей студенткой Алеей Коулин обнаружил эти дополнительные копии TP53 в геноме слона. Они выдвинули предположение, что копии могут играть важную роль в низком уровне заболеваемости раком у этих животных. Полученные Малеем результаты привлекли внимание Джошуа Шиффмана, детского онколога, который после смерти своей собаки решил заняться изучением связи между раком у собак и у людей. В ходе своих экспериментов Шиффман облучал клетки и измерял уровень апоптоза – он хотел разобраться в механизмах развития синдрома Ли—Фраумени, о котором я уже упоминала ранее в этой главе. Дети с этим синдромом рождаются только с рабочей одной копией гена-супрессора опухоли TP53, в то время как обычно у человека их две (по одной от отца и от матери). У таких детей почти стопроцентная вероятность заболеть раком в течение жизни, и у многих из них развивается несколько разных видов заболевания, причем порой еще в раннем детстве. Эта жестокая болезнь носит наследственный характер: порой от нее страдают целые семьи.

Шиффман обнаружил, что при облучении клеток крови людей с синдромом Ли—Фраумени они реагировали на радиацию необычным образом. Вместо того чтобы погибнуть, как обычные клетки в случае повреждения своей ДНК, эти продолжали жить. В конечном счете это делает организм более восприимчивым к раку. При синдроме Ли—Фраумени клетки с сильными повреждениями ДНК продолжают жить из-за неисправной копии гена TP53, и эти мутировавшие клетки могут угрожать жизни пациента, увеличивая риск развития рака.

Малей и Шиффман решили объединиться и вместе изучить реакцию на повреждения ДНК в клетках слонов, чтобы понять, помогают ли эти многочисленные копии гена TP53 защищать слонов от потенциально раковых клеток. Они заручились помощью Лизы Абеглен, специалиста по молекулярной патологии и специалиста по биологии рака из Института онкологии Хантсмана. Облучая культивированные клетки из слоновьей крови, Абеглен вместе с другими членами исследовательской группы обнаружила запредельно высокий уровень апоптоза: в ответ на радиацию клетки слонов массово самоуничтожались. Таким образом, они совершают самоубийство при малейшем намеке на проблему, тем самым крайне эффективно защищая организм от мутировавших клеток, которые могли бы привести к развитию рака.

Когда ученые культивируют клетки слона в чашке Петри, а затем подвергают их воздействию радиации, это приводит к активации гена TP53 с последующим образованием белка p53, который, в свою очередь, провоцирует смерть у клеток с высоким уровнем мутаций. Возвращаясь к нашей аналогии с удержанием равновесия на натянутом канате: производство этого генетического продукта, белка p53, клонит слона вправо, так как контроль клеточного поведения усиливается. Когда ген TP53 активируется (например, вследствие повреждений в результате воздействия радиации), это приводит к синтезу p53, которым наполняется ведро справа, Это помогает слону справляться с повышенным риском развития рака, возникающим при воздействии различных внешних факторов, таких как радиация.

Исследовательская группа объединила результаты работы Малея, показавшего, что у слона имеется 40 копий гена TP53, с данными из лаборатории Шиффмана о беспрепятственном самоуничтожении клеток в ответ на радиацию. Объединение вычислительной биологии и геномики с лабораторными исследованиями клеточной реакции на повреждения ДНК in vitro – прекрасный пример того, как многого могут добиться междисциплинарные группы в разрешении таких старых загадок, как парадокс Пето.

Другим исследовательским группам удалось повторить полученные Малеем и Шиффманом результаты и найти новые доказательства того, что слоны обходят парадокс Пето наличием множества копий гена TP53. Эволюционный биолог Винсент Линч из Чикагского университета совершенно независимо пришел к тому же самому открытию о наличии у слонов нескольких копий гена TP53. Изучая ДНК шерстистых мамонтов и других вымерших родственников слонов, Линч вместе с коллегами воссоздал процесс изменения количества копий гена TP53 в ходе эволюции. Они обнаружили, что количество копий этого гена росло параллельно с увеличением размера животного. Эти данные указывают на то, что увеличение размеров организма, возможно, способствует появлению в результате эволюции более мощной противораковой защиты в виде дополнительных копий гена TP53.

СЛОНЫ – НЕ ЕДИНСТВЕННЫЙ ВИД ЖИВОТНЫХ, У КОТОРОГО В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ ПОЯВИЛИСЬ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПОДАВЛЕНИЯ РАКА, СДЕЛАВШИЕ ВОЗМОЖНЫМ КРУПНЫЙ РАЗМЕР.

Марк Толлис, эволюционный биолог из университета Северной Аризоны (а также член нашей исследовательской группы), обнаружил, что у горбатых китов имеются дубликаты генов, отвечающих за апоптоз. В их популяции происходил положительный отбор генов, ответственных за контроль клеточного цикла, обмен сигналами между клетками, а также клеточную пролиферацию – их в геноме горбатых китов оказалось намного больше, чем у китообразных меньшего размера (включая кашалота, афалину и касатку).

Под строгим контролем

Поддержание баланса клеточной свободы и контроля клеточного поведения – это динамический процесс, который не прекращается на протяжении всей жизни организма. Гены вроде TP53 экспрессируют белки не постоянно, – если бы это было так, то нас на канате слишком сильно склонило бы влево, что имело бы свои собственные негативные последствия (вроде преждевременного старения или низкой репродуктивной функции). Слонов не просто сильнее клонит вправо – их организму приходится более тщательно и активно следить за поддержанием баланса, чем животным меньшего размера, таким как мыши. Большой размер и высокая продолжительность жизни требуют одновременно и более эффективного подавления рака, и более тщательного контроля отвечающих за это систем, чтобы не дать организму свалиться с натянутого каната в течение его жизни. Таким образом, важно не просто производить больше белков, которые усиливают клеточный контроль, но и делать это в нужное время и в необходимом количестве.

Как же организмы контролируют контролеров? Одним из способов является создание генных сетей (связей между генами, позволяющих им оказывать влияние на состояние друг друга), объединяющих гены, способствующие клеточной свободе, с генами, которые усиливают контроль клеточного поведения. Отслеживая и регулируя производство генетических продуктов, эти сети помогают организму дольше поддерживать это шаткое равновесие (как мы уже видели ранее на примере того, как ген TP53 считывает сигналы).

Гены, склоняющие баланс в сторону клеточной свободы (способствующие более активной пролиферации клеток), – самые древние. Они появились еще в эпоху одноклеточной жизни.

Гены же, которые склоняют баланс в сторону большего клеточного контроля, появились в геноме в результате перехода к многоклеточной жизни. Многие их этих генов, которые иногда называют генами-смотрителями или генами общего контроля, способствуют межклеточному сотрудничеству, без которого невозможно существование жизнеспособного многоклеточного организма. Существует еще одна категория генов, занимающих промежуточное положение между «одноклеточными» генами свободы и «многоклеточными» контроля. Эти гены, называемые генами-привратниками, или генами хранителями клеточного цикла, помогают поддерживать равновесие всей системы, динамически реагируя на любые изменения и посылая сигналы обеим сторонам, чтобы они корректировали уровень своей активности по мере надобности.

Гены-привратники, находящиеся на стыке между «одноклеточными» и «многоклеточными», – самые молодые с эволюционной точки зрения. Они позволяют крупным и долгоживущим формам жизни – вроде людей или слонов – уравновешивать и согласовывать противоречивые потребности в клеточной свободе и клеточном контроле на протяжении всей своей жизни. Эти гены помогают организмам управлять непрерывно меняющимися силами, которые в противном случае свалили бы их с натянутого каната.

О дьяволах и собаках

Мешать развиваться раку внутри себя организму приходится на протяжении всей жизни. Между тем это не единственная связанная с раком задача, с которой он сталкивается. С самого зарождения многоклеточной жизни организмам приходилось бороться как с потенциальным развитием рака изнутри, так и с его возможным вторжением снаружи.

МНОГИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА О ТРАНСМИССИВНЫХ ВИДАХ РАКА ПОЯВИЛИСЬ СОВСЕМ НЕДАВНО, – ГДЕ-ТО ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТЬ ЛЕТ, – ОДНАКО ЗАРАЗНЫЙ РАК ТАК ЖЕ СТАР, КАК И САМА МНОГОКЛЕТОЧНАЯ ЖИЗНЬ.

То, что мы теперь называем заразным, или трансмиссивным, раком, было огромной проблемой для самых первых форм многоклеточной жизни. Первые многоклеточные организмы, по сути, представляли собой собрание клеток, которые сотрудничали между собой, чтобы выживать и размножаться целой группой, а не как отдельные клетки. В начале эволюции многоклеточной жизни некоторые клетки специализировались на вторжении в эти клеточные сообщества с целью недобросовестного использования их ресурсов, вместо того чтобы самим создавать и поддерживать свои собственные клеточные структуры. Одни клетки предназначались для внедрения в зародышевую линию^[12], чтобы эксплуатировать все многоклеточное сообщество в интересах собственного размножения – такой процесс еще называют паразитизмом зародышевой линии. Другие клетки специализировались на проникновении в тканевые ниши стволовых клеток, чтобы использовать эту систему обновления организма для производства собственных копий – такой процесс называют паразитизмом стволовых клеток. Для своей жизнеспособности первым многоклеточным организмам пришлось выработать различные способы защиты от таких незваных гостей. Одной из самых важных адаптаций для защиты от клеток-паразитов стала иммунная система.

Риск вторжения клеток-паразитов стал одним из первых примеров давления отбора в эволюции первых иммунных систем. С самого зарождения многоклеточной жизни иммунные системы организмов не переставали формироваться, становясь все сложнее. Наша иммунная система включает как врожденный иммунитет, который отвечает за быструю и более общую реакцию на угрозы со стороны различных клеток, включая так называемых естественных киллеров, и приобретенный иммунитет, отвечающий за долгосрочную реакцию на конкретные угрозы за счет соматической эволюции, о которой мы уже говорили в предыдущей главе. Кроме того, частью иммунной системы является и кожа, которая помогает защищать нас от внешних угроз.

Когда в иммунной системе возникает проблема – будь то нарушение кожного барьера, захват системы репликации иммунных клеток или вывод из строя способности иммунных клеток идентифицировать угрозы – это увеличивает риск успешного перехода раковых клеток из одного организма в другой.

Около 10 тысяч лет назад один предок аляскинского маламута – красивой ездовой собаки с подшерстком, защищающей ее от холода, – дал начало новому и крайне необычному виду псовых. Этот новый вид, скорее всего, появился попросту в результате спаривания между самцом и самкой, однако он была совершенно не похож на своих прародителей. На самом деле он вообще не был похож на собаку. Это был одноклеточный вид собак, который жил в виде паразита – раковой опухоли, передающейся половым путем^[13].

Этот странный вид называют трансмиссивной венерической опухолью собак (ТВОС). Она считается видом псовых, хотя у нее и нет виляющего хвоста, висячих ушей или дружелюбных глаз – она представляет собой лишь неприглядную массу клеток, растущих на половых органах заразившихся ею собак. Эта болезнь распространилась через половой контакт, обнюхивание и лизание среди собак на всех континентах, за исключением Антарктиды (этому, скорее всего, способствовало передвижение человеческой популяции). Некоторые ученые полагают, что ТВОС была настолько успешной, что могла даже привести к вымиранию первых собак в Северной Америке. Своим появлением и успехом этот заразный рак собак обязан особенностям поведения вида-носителя – в частности, сексуального. После спаривания собаки остаются «сцепленными» вместе из-за расширения пениса в половых путях самки. Когда собаки пытаются разъединиться, возможно повреждение области гениталий, что приводит к нарушению первой линии защиты иммунной системы – кожи. Эти раны могут создавать условия, более благоприятные для роста клеток трансмиссивного рака. Как мы уже видели в предыдущих главах, в процессе заживления раны ткани более терпимо относятся к пролиферации и миграции клеток.

Таким образом, раковые клетки – в данном случае клетки трансмиссивного рака – могут остаться незамеченными иммунной системой, начать размножаться внутри раны и даже воспользоваться факторами роста, выделяющимися в ходе процесса ее заживления.

Все раковые клетки у всех собак с ТВОС произошли от одной-единственной собаки, жившей порядка 10 тысяч лет назад. Таким образом, это самая старая известная линия соматических клеток (на порядки старше самой старой линии соматических клеток, культивированных человеком, – линии HeLa, которая была получена из раковой опухоли шейки матки пациентки по имени Генриетта Лакс в 1951 году). ТВОС – это единственный известный одноклеточный вид собак, а также единственный облигатно-паразитический^[14] вид (хотя кто-то, может, и скажет, что некоторые породы, например французские бульдоги, которым для завершения репродуктивного цикла часто необходима помощь человека в виде проведения кесарева сечения, также являются облигатными паразитами). Клетки ТВОС во многом похожи на другие одноклеточные инфекционные агенты: они выживают долгое время после смерти организма-носителя и продолжают успешно передаваться другим членам популяции. Одноклеточная собака – не единственный вид, который эволюционировал от многоклеточных предков, став в итоге одноклеточным инфекционным агентом: такая же участь постигла и тасманского дьявола.

Все помнят всеядного, непредсказуемого и очень кусачего мультипликационного персонажа из команды кролика Багз-Баннни: тасманского дьявола, или, сокращенно, Таза. Этот дикий и сумасбродный персонаж может прогрызть что угодно, создавая разрушительное торнадо из зубов и когтей в момент повышенного возбуждения. Настоящие тасманские дьяволы не особо похожи на Таза, однако кое с чем мультипликаторы попали в самую точку. Тасманские дьяволы – плотоядные животные, причем самые крупные плотоядные сумчатые из ныне живущих, и их склонность кусать друг друга способствовала распространению смертельного трансмиссивного рака, из-за которого тасманский дьявол угодил в список исчезающих животных.

В 1996 году ученые стали замечать странную лицевую опухоль у тасманских дьяволов в северо-восточной части острова Тасмания, расположенного у юго-восточного побережья Австралии. Эта опухоль, прозванная лицевой опухолью тасманского дьявола (ЛОТД), разрастается вокруг рта и на других участках морды (рис. 5.5), и, когда животные проявляют агрессию, частички опухоли могут отслоиться и заразить их соперников через раны. Как и в случае с трансмиссивным раком у собак, клетки опухоли разрастаются в ранах, полученных в результате этих жестоких социальных взаимодействий (этот процесс также очень напоминает то, что происходит при хирургической аллотрансплантации: ткани одного человека пересаживают другому, где они могут прижиться. Подобно пересаженным органам или участкам кожи, раковые клетки ЛОТД могут расти и процветать в организме нового носителя).

Рисунок 5.5. Тасманские дьяволы подвержены лицевой опухоли, которая передается во время агрессивных стычек между особями. Во время драки тасманские дьяволы часто кусают друг друга за морду, в результате чего раковые клетки с одной особи могут попасть в рану другой. При попадании этих клеток в свежую рану с высоким уровнем факторов роста и сигналов воспаления они зачастую разрастаются у нового носителя, подобно аллотрансплантату. Известно также, что трансмиссивные виды рака встречаются у собак и моллюсков. У людей они бывают крайне редко.

Лицевая опухоль тасманского дьявола – смертельное заболевание, и ее широкое распространение поставило популяцию тасманских дьяволов под серьезную угрозу. ЛОТД обычно убивает своего носителя за 6–12 месяцев, однако за это время зараженной особи выпадает множество возможностей передать опухоль сородичам, так как драки и укусы являются важной частью многих аспектов социального поведения тасманского дьявола – от агрессивного спаривания до соперничества между самцами.

В моменты спаривания и стычек между животными раковые клетки могут отслаиваться и приземляться на открытые раны. Нарушение кожного барьера создает благоприятные условия для проникновения раковых клеток, после чего воспаление и активная клеточная пролиферация, являющиеся нормальными элементами процесса заживления раны, создают среду, которая особенно способствует разрастанию опухоли.

У заразных опухолей собак и тасманских дьяволов много общего, только вот, в отличие от опухоли собак, у клеток лицевой опухоли тасманского дьявола нет единого предка. У них их два: самец и самка. У первой обнаруженной опухоли тасманского дьявола, ОЛОТД1, имеется две X-хромосомы, что указывает на ее происхождение от самки. У второй же обнаруженной опухоли, ОЛОТД2, оказалась одна Y-хромосома, как и у самцов.

Это говорит о том, что заразная раковая опухоль у тасманских дьяволов, возможно, не такая уж и большая редкость, а в ходе эволюции она может появляться чаще, чем считалось ранее. Элизабет Мерчисон, одна из ученых, занимающихся изучением ЛОТД, рассказала мне, что в начале изучения болезни они с коллегами думали, что подобный рак – огромная редкость в живой природе. Обнаружив же наличие второго предка в 2016 году, они были вынуждены переосмыслить свое представление о заразном раке. Возможно, он не такой уж редкий и необычный, как нам казалось.

Одной из причин существования заразного рака является то, что раковым клеткам удается остаться незамеченными иммунной системой.

При низком уровне генетического разнообразия популяции – как это наблюдается у собак и тасманских дьяволов – раковые клетки, которым удалось в ходе своей эволюции обойти иммунную систему одной особи, могут справиться и с иммунной системой другой при наличии достаточного генетического сходства между ними.

Трансмиссивные раковые опухоли у собак и тасманских дьяволов разрастаются подобно пересаженной ткани в открытых ранах, полученных в результате стычек между животными или спаривания. Нормально функционирующая иммунная система, как правило, распознает чужеродную ткань и отторгает трансплантат. Вот почему для пересадки органов необходимо наличие тканевой совместимости между донором и реципиентом, а также прием иммунодепрессантов.

И собаки, и тасманские дьяволы прошли сквозь генетическое «бутылочное горлышко» – период резкого сокращения численности популяции с вытекающим отсюда сокращением генофонда. У собак это стало главным образом результатом селекционного разведения людьми с целью создания пород, которые есть у нас на данный момент. У тасманских дьяволов падение генетического разнообразия стало, прежде всего, результатом кампаний по их уничтожению европейскими поселенцами, прибывшими на остров в XIX веке. Клеткам трансмиссивной раковой опухоли гораздо легче перепрыгивать с одного носителя на другого в популяции с низким уровнем генетического разнообразия, так как высока вероятность генетического сходства иммунных систем старого и нового носителей.

Низкое генетическое разнообразие – не единственная причина, по которой раковым клеткам удается обойти иммунную систему тасманского дьявола.

Клетки ЛОТД могут сделаться практически невидимыми для иммунитета за счет снижения экспрессии генов главного комплекса гистосовместимости (ГКГС). Белки ГКГС выставляют на поверхность клетки фрагменты белков, которые клетка производит. Тем самым иммунная система отличает свои клетки от чужих. Раковые опухоли человека также зачастую прибегают к этой стратегии, чтобы обойти иммунную систему. Понижая уровень экспрессии ГКГС, клетки ЛОТД более успешно делятся и перемещаются по организму, не вызывая при этом иммунной реакции.

Клетки ТВОС также учатся обходить эту систему распознавания чужеродных тканей. Экспрессия «меток» ГКГС на внешней стороне клетки, которые ее идентифицируют, понижается, благодаря чему этим клеткам оказывается проще оставаться незамеченными. Однако в случае с опухолью собак метки ГКГС отсутствуют только изначально, и их экспрессия по неизвестным причинам может произойти на более поздних стадиях развития опухоли. Порой у этих опухолей и вовсе происходит регрессия, связанная с усилением экспрессии ГКГС и появлением иммунных клеток в месте расположения опухоли. Эти сходства и различия между опухолями собак и тасманских дьяволов указывают на то, что у млекопитающих в целом иммунная система, вероятно, способна сдерживать распространение и развитие заразного рака.

Проблема трансмиссивных раковых опухолей затронула не только сухопутные, но и водные формы жизни. На самом деле они могут быть гораздо большей проблемой для водных организмов, таких как моллюски, которые постоянно контактируют с потенциально раковыми клетками, плавающими в воде вокруг них. Двустворчатые моллюски, класс водных беспозвоночных, включающий моллюсков, мидий, морских гребешков и устриц, встречаются как в пресной, так и в соленой воде. Они являются фильтратами – питаются мелкими плавающими организмами, отфильтровывая их из воды, – а значит, для поимки добычи им не нужны ни голова, ни рот, ни способность самостоятельно перемещаться. Они просто лежат на камнях или зарываются в подводные отложения, извлекая из омывающей их воды все необходимые для выживания питательные вещества.

Проблема в том, что вместе с водой к ним внутрь могут попадать и свободноплавающие раковые клетки. Двустворчатые моллюски зачастую живут колониями, состоящими из генетически похожих особей, в результате чего раковые клетки, отслоившиеся от одного моллюска, могут попасть вместе с водой в другого поблизости.

Иммунная система двустворчатых моллюсков состоит из нескольких уровней защиты: внешней раковины, слизистых оболочек и системы активации кровяных клеток под названием гемоциты, которые играют важную роль в обнаружении потенциальной инфекции и реагировании на нее. В идеале гемоциты помогают защищать двустворчатых моллюсков от инфекции, однако, к сожалению, они также подвергают их риску смертельного рака наподобие лейкоза, который развивается при чрезмерно активной пролиферации гемоцитов. На сегодняшний день такие напоминающие лейкоз виды рака были обнаружены по меньшей мере у пяти различных видов двустворчатых моллюсков. Майкл Метцгер, морской биолог из Тихоокеанского Северо-Западного научно-исследовательского института (который в то время работал в лаборатории морского биолога Стива Гоффа), подозревал, что некоторые из этих видов рака были результатом передачи раковых клеток от одной особи другой. Метцгер стал искать признаки клеток трансмиссивного рака у пяти видов моллюсков, достоверно подверженных раку по типу лейкоза. В каждом случае удалось установить связь между болезнью и заразными раковыми клетками. Метцгер даже обнаружил, что в одном из случаев рак передавался между разными видами моллюсков. Он предположил, что все виды рака по типу лейкоза у двустворчатых моллюсков могут быть связаны с передачей раковых клеток между особями.

Распространенность трансмиссивного рака у моллюсков также ставит под сомнение расхожее мнение о редкости заразного рака в природе и в истории жизни на нашей планете. Метцгер, равно как и я, думает, что заразный рак оказывал давление отбора на организмы с самого зарождения многоклеточной жизни. Возможно, мы не так часто встречаем трансмиссивный рак по той простой причине, что многоклеточные формы жизни находились под сильнейшим давлением отбора, способствовавшим появлению эффективных механизмов защиты от него, например за счет развития различных иммунных барьеров. При сбое в работе иммунной системы заразные раковые клетки могут прижиться и размножиться.

Известно, что двустворчатые моллюски восприимчивы к заразному раку из-за обитания в воде и специфического способа питания. Кроме того, у них, как у беспозвоночных, иммунная система отличается от нашей. На поверхности их клеток отсутствуют молекулы ГКГС, и мы лишь начинаем понимать, как именно иммунная система защищает их от внешних угроз.

Метцгер предположил, что двустворчатые моллюски могут использовать систему идентификации чужеродных клеток наподобие той, что реализована у асцидий: речь идет о так называемой системе слияния/гистосовместимости (Fu/HC). Этот механизм помогает защищать асцидий от паразитизма стволовых клеток, который может произойти, когда неродственные асцидии сливаются вместе, и клетки одной особи начинают размножаться в тканевых нишах стволовых клеток другой.

Проблема трансмиссивного рака у двустворчатых моллюсков, возможно, не сильно отличается от других проблем, которые приходится решать многоклеточным организмам для своей защиты от вторжения чужеродных клеток. Как мы уже видели ранее, на протяжении всей своей эволюции многоклеточной жизни приходилось решать проблему паразитизма стволовых клеток и родственного ему явления – паразитизма зародышевой линии.

Межвидовой рак между тем оказался характерен не только для моллюсков, которых изучал Метцгер. В 2013 году в больницу поступил один ВИЧ-инфицированный мужчина. У него были жар, кашель и потеря веса. Биопсия лимфатических узлов пациента показала наличие странных клеток, которые напоминали раковые, однако были гораздо меньше привычного. Ученые заподозрили, что, возможно, это был не рак, а просто инфекционное заражение каким-то одноклеточным эукариотом наподобие слизевика.

Внешний вид клеток и отсутствие тканевой структуры направили их по ложному следу. Генетический анализ показал, что на самом деле это были клетки ленточного червя, которые росли в организме пациента, подобно раковой опухоли. В отчетах об этом случае утверждается, что это чрезвычайно редкое явление, однако имеются данные как минимум еще о нескольких случаях подобного разрастания клеток ленточного червя в человеческих тканях. Причем у всех них есть одна общая и очень важная деталь: у каждого пациента была ослабленная иммунная система. Трое из четырех были ВИЧ-инфицированными, в то время как у четвертого иммунная система была ослаблена вследствие лимфомы Ходжкина. Нам неизвестно, стала ли эта болезнь результатом рака у живущего в организме ленточного червя, клетки которого затем перекинулись на ткани носителя, или же были задействованы какие-то другие механизмы ее развития – ясно лишь то, что ослабленная иммунная система является общим знаменателем для всех этих случаев. Скорее всего, этот межвидовой рак попросту не смог бы закрепиться в организме человека с нормальной иммунной системой.

У людей (почти) не бывает трансмиссивного рака

Трансмиссивный рак может быть более распространенным, чем нам казалось, однако, к счастью, он не является проблемой для большинства видов, включая людей. Это может быть связано с тем, что наша иммунная система попросту более совершенная, чем у двустворчатых моллюсков, либо нашего генетического разнообразия оказывается достаточно, чтобы не дать прижиться клеткам трансмиссивной опухоли. Или же все дело в том, что мы не такие агрессивные, как тасманские дьяволы, – во всяком случае, наша агрессия редко приводит к укусам лица. Хотя, если вы переживаете насчет возможности зомби-апокалипсиса, у вас появился дополнительный повод для беспокойства, так как это может привести к появлению условий, способствующих эволюции трансмиссивной раковой опухоли у людей. Впрочем, в случае зомби-апокалипсиса это будет наименьшей из ваших забот.

ПЕРЕСАДКА ОРГАНОВ СПАСАЕТ ТЫСЯЧИ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ЖИЗНЕЙ ЕЖЕГОДНО, НО ИНОГДА РЕЦИПИЕНТ ПОЛУЧАЕТ БОЛЬШЕ, ЧЕМ ОЖИДАЛ. В РЕДКИХ СЛУЧАЯХ ЭТА ОПЕРАЦИЯ ЗАКАНЧИВАЕТСЯ ДЛЯ РЕЦИПИЕНТА РАКОМ.

Генетический анализ в таких случаях подтверждает, что источником рака действительно стал донорский орган (то есть это не просто новая опухоль, появившаяся в организме реципиента). Это явление впервые было обнаружено хирургом-трансплантологом Израэлем Пенном. Он обратил внимание на явное увеличение заболеваемости раком среди реципиентов органов и создал реестр пересаженных опухолей для облегчения исследования этих видов рака и разработки протоколов скрининга с целью их профилактики.

Подобное случается чрезвычайно редко: в результате исследования более 100 тысяч доноров было обнаружено всего 18 подобных случаев, что делает уровень заболеваемости раком от пересаженных органов, полученных от трупов, невероятно низким – всего 0,017 %. Учитывались только опухоли, не связанные с центральной нервной системой (ЦНС). Подобные опухоли ЦНС также чрезвычайно редки. Исследование сотен доноров с опухолями ЦНС не выявило никаких признаков передачи раковых клеток.

Вероятность умереть в процессе ожидания своей очереди на пересадку намного выше, чем получить вместе с пересаженным органом опухоль – таким образом, это не является достаточно веской причиной отказаться от донорского органа, если вы в нем нуждаетесь.

Польза от пересадки органа значительно перевешивает риск заражения раком в результате этой процедуры. Кроме того, методы скрининга постоянно совершенствуются для более эффективной профилактики непреднамеренной пересадки опухолей от доноров к реципиентам.

Как и в случае с трансмиссивными раковыми опухолями собак и тасманских дьяволов, опухоли, передающиеся вместе с пересаженными органами, развиваются в результате нарушения работы иммунной защиты.

При пересадке органов иммунная система оказывается в ослабленном состоянии. Сначала в результате операции нарушается кожный барьер. Затем иммунодепрессанты снижают защиту организма от чужеродных клеток. Это необходимо для того, чтобы уменьшить вероятность отторжения органа, однако одновременно усложняет обнаружение и уничтожение иммунной системой раковых клеток, которые могли проникнуть в организм вместе с пересаженным органом.

Иногда опухоли случайно передаются от пациента хирургу из-за случайной травмы во время операции.

Так, один хирург во время удаления саркомы случайно порезал левую руку. Пять месяцев спустя на месте пореза образовалась опухоль. Генетический анализ показал, что эта опухоль развилась из клеток пациента. В другом случае лаборантка случайно укололась иглой, содержавшей клетки аденокарциномы толстой кишки, что привело к образованию у нее опухолевого узла. В обоих случаях опухоли были локализованы, и после их удаления отсутствовали какие-либо признаки рецидива. У этих двух людей, случайно пересадивших себе раковые клетки, была здоровая иммунная система, однако нарушение главного иммунного барьера – кожи – сделало их уязвимыми перед раком.

Известны также и не менее редкие случаи внутриутробного заражения раком. За последние несколько десятилетий зафиксировано всего 26 случаев передачи рака от матери плоду, включая меланому, лейкоз и лимфому.

С учетом того, как часто женщины рожают и как часто у них в процессе беременности развивается рак, становится очевидно, что заражение плода раком от матери случается крайне редко (по оценке специалиста по биологии рака Мела Гривза, вероятность того, что больная раком беременная женщина передаст его плоду, составляет порядка одной пятисоттысячной). Некоторые из этих случаев были связаны с утратой молекул ГКГС на поверхности клеток – как мы уже видели на примере трансмиссивной раковой опухоли тасманского дьявола, без этих молекул клеткам гораздо проще остаться незамеченными иммунной системой.

Помимо передачи рака от матери плоду зафиксировано также немало случаев внутриутробной передачи лейкоза между монозиготными (однояйцевыми) близнецами. Такие случаи заражения связаны с тем, что иммунная система не «видит» вторгающиеся клетки, так как они ничем не отличаются от клеток самого организма – монозиготные близнецы генетически полностью идентичны.

ЕСЛИ ВЫ ПЕРЕЖИВАЕТЕ О ТОМ, ЧТО МОЖЕТЕ ЗАРАЗИТЬСЯ РАКОМ, ТО НЕ СТОИТ – ЭТИ СЛУЧАИ ЯВЛЯЮТСЯ ИСКЛЮЧЕНИЯМИ ИЗ ПРАВИЛ. ЗАРАЗНЫЙ РАК У ЧЕЛОВЕКА ВСТРЕЧАЕТСЯ КРАЙНЕ РЕДКО.

Тем не менее эти любопытные случаи помогают понять, почему заразный рак не является для нас проблемой. Передача рака от одного человека другому обычно связана с нарушением работы иммунной системы последнего, будь то в результате болезни, медикаментов или повреждения кожи.

Заразный рак не представляет проблемы для людей благодаря наличию особенно эффективных механизмов обнаружения и сдерживания чужеродных клеток. Учитывая нашу долгую эволюционную историю борьбы с потенциальными захватчиками извне – начиная с паразитизма зародышевой линии и стволовых клеток на заре многоклеточной жизни, – вполне вероятно, что некоторые из способов уничтожения рака, в особенности те, что затрагивают иммунную систему, отчасти эволюционировали как механизмы подавления трансмиссивного рака, призванные предотвращать, подавлять угрозы, связанные с ним, и реагировать на них. Возможно, в ходе своей эволюции многоклеточные формы жизни учились не только бороться с раком внутри организма, но и предотвращать колонизацию организма потенциально заразными клетками других индивидов.

Некоторые механизмы защиты от заразного рака не вызывают вопросов, однако до сих пор не ясно, обзавелась ли наша иммунная система в ходе эволюции отдельной функцией защиты от него в качестве адаптации, или же эта функция стала лишь побочным следствием других возможностей (таких, как защита от патогенов).

Возможно, иммунная система действительно развилась в том числе и для того, чтобы защитить нас от заразного рака. Например, высокий уровень разнообразия ГКГС, вероятно, помогает защищать позвоночных от трансмиссивных видов рака. Некоторые ученые, занимающиеся исследованием его форм, выдвинули предположение, что разнообразие ГКГС, лежащее в основе иммунной системы позвоночных, возможно, стало следствием давления отбора, создаваемого заразным раком. Хотя идея о том, что заразные формы рака могли сыграть свою роль в формировании нашей иммунной системы, все еще гипотеза, но нет никаких сомнений в том, что иммунная система действительно защищает нас от заразных видов рака.

Было выдвинуто еще одно интересное предположение, согласно которому одной из целей появления полового размножения в ходе эволюции стало снижение риска передачи рака между особями. Согласно одной из распространенных теорий, появление полового размножения в процессе эволюции связано с тем, что оно создает большое генетическое разнообразие, делающее потомство менее уязвимым к передаваемым инфекциям. Другими словами, генетические различия между потомством и родителями снижают вероятность его заражения бактериальными и вирусными инфекциями от родителей. Мы уже видели, как низкий уровень генетического разнообразия способствовал распространению трансмиссивных раковых опухолей в популяциях собак, тасманских дьяволов и даже двустворчатых моллюсков. Таким образом, согласно этой теории, половое размножение увеличивает генетическое разнообразие в популяции, тем самым снижая восприимчивость потомства к заразному раку. Если это действительно так, то имеется явная ирония в том, что трансмиссивные опухоли собак передаются именно через половой контакт.

Заразный рак был проблемой с самого зарождения многоклеточной жизни. Его появление было связано с тем, что уже самые первые многоклеточные организмы были подвержены вторжению отдельных клеток, которые паразитировали на них, используя их ресурсы и передаваясь дальше по популяции. В наши дни заразный рак продолжает проникать в многоклеточные тела и использовать их, чтобы облегчить свое размножение. Нам неизвестно, сколько именно видов за всю эволюционную историю жизни на нашей планете вымерло из-за заразных раковых заболеваний, однако у нас имеются данные, указывающие на то, что такое случалось даже в относительно недавнем прошлом. Ранее в этой главе я уже упоминала о том, что заразный рак стал одной из причин вымирания первых собак в Северной Америке. Если вымирание по этой причине действительно имело место в прошлом нашей планеты, то каким бы редким такое явление ни было, оно определенно представляло собой важный фактор отбора в истории многоклеточной жизни.

6
Потайной мир раковых клеток

По словам Джоэла Брауна, раковые клетки очень похожи на бе́лок. Браун – эколог, а теперь еще и специалист по биологии рака. Он большой любитель белок и экологических аналогий. Раковым клеткам, подобно белкам, для выживания нужны ресурсы, и, подобно белкам, они сталкиваются с внешними угрозами. Все организмы вынуждены искать запасы и избегать угроз. От этого зависит их выживание и процветание.

Прямо как белкам, раковым клеткам приходится обеспечивать себя в тех условиях, в которых они находятся. Для этого им нужно добывать пищу, защищаться от угроз и быть быстрее (или хитрее) хищников, которые на них охотятся. Прямо как организмы, эволюционирующие в мире живой природы, раковые клетки, которым лучше удается справиться с этими задачами, чаще выживают и оставляют больше потомков в следующем поколении.

В предыдущих главах я уже объясняла, в чем польза того, чтобы рассматривать рак с позиции раковых клеток: так гораздо проще понять их слабые и сильные стороны, а также предсказать дальнейшую эволюцию и – что особенно важно – способы профилактики и лечения. Взглянуть глазами самого рака также будет полезно и на тот мир, в котором его клетки эволюционируют, – наш организм. С точки зрения раковых клеток он обеспечивает их сырьем, необходимым для пролиферации, однако также и угрожает им иммунной системой. Ткани, кровоток и даже сигнальные системы, используемые организмом для обмена информацией, могут быть задействованы раковыми клетками для увеличения собственной выживаемости и более быстрого деления. Органы человека подобны разным континентам, которые можно колонизировать, кровоток – системе рек, богатой пищевыми ресурсами, а клетки иммунной системы – хищникам, которых раковым клеткам приходится всячески избегать, чтобы выжить.

В этой главе я рассмотрю рак с этой экологической точки зрения. Мы поговорим о том, как раковые клетки эволюционируют, сначала научившись недобросовестному извлечению ресурсов многоклеточного организма, а затем начав сотрудничать между собой для более эффективной эксплуатации нашего тела. В ходе своей эволюции они обретают способность передавать сигналы для формирования новых кровеносных сосудов, проникать через оболочки и колонизировать новые экологические ниши организма посредством образования метастазов.

Формирование микроокружения опухоли

Раковые клетки живут и развиваются в сложной экосистеме, состоящей из физических инфраструктур (включая коллаген и ферменты, которые образуют внеклеточный матрикс), других клеток (как раковых, так и нормальных), ресурсов (из крови и других клеток) и угроз (таких как охотящиеся на них клетки иммунной системы). Эта экосистема (зачастую называемая микроокружением опухоли) оказывает влияние на эволюцию и поведение раковых клеток. По мере развития заболевания они меняют микроокружение опухоли, истощая запасы ресурсов, формируя новые кровеносные сосуды и захватывая нормальные «поддерживающие клетки» (например, стромальные) в соседних тканях. Эти изменения в микроокружении опухоли могут затем отразиться на эволюции и поведении клеток – таким образом, имеется обратная связь между микроокружением опухоли и ее развитием.

Преобразования в микроокружении опухоли влияют на развитие рака двумя способами: за счет изменения эволюции клеток внутри опухоли и изменения экспрессии генов раковыми клетками. Во-первых, шансы на выживание и размножение каждой отдельной клетки напрямую зависят от конкретных условий ее микроокружения. Их перестройка может отразиться на развитии всей популяции предраковых клеток, причем зачастую отбор идет в пользу клеток, которые больше похожи на раковые. Во-вторых, микроокружение определяет уровень экспрессии генов, что влияет на их поведение, меняя физиологические возможности в зависимости от конкретных условий. Так, в среде с низким содержанием кислорода активируются факторы, индуцируемые гипоксией (то есть нехваткой кислорода). Они могут менять поведение клеток, чтобы те стали более подвижными, начали отправлять сигналы кровеносным сосудам или изменили свои внутренние обменные процессы.

НЕСКОЛЬКО РАННИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРООКРУЖЕНИЯ ОПУХОЛИ ПОКАЗАЛИ, ЧТО РАКОВЫЕ КЛЕТКИ МОГУТ ВЕСТИ СЕБЯ КАК ОБЫЧНЫЕ, ЕСЛИ ПОМЕСТИТЬ ИХ В ОКРУЖЕНИЕ ИЗ НОРМАЛЬНЫХ КЛЕТОК.

В такой ситуации сигналы, получаемые этими раковыми клетками от своих соседей, помогают поддерживать в них уровни экспрессии, которые способствуют правильному поведению. Развитие рака зависит не только от генетических мутаций клетки, но и от окружения, в котором он оказался или которое сам для себя создал (например, от того, подавляют ли соседние клетки раковое поведение или способствуют ему).

Центральная роль микроокружения опухоли в сдерживании рака также является основной идеей так называемой теории полей тканевой организации рака, которая была изначально предложена в качестве альтернативы теории соматических мутаций (согласно которой рак появляется вследствие генетических мутаций). Вместе с тем, эти две теории не противоречат друг другу: и генетические мутации, и микроокружение опухоли оказывают влияние на ее развитие.

КАК ПРАВИЛО, ПРЕДРАКОВЫМ КЛЕТКАМ УДАЕТСЯ ЗАКРЕПИТЬСЯ В ОРГАНИЗМЕ БЛАГОДАРЯ МИКРООКРУЖЕНИЮ, СПОСОБСТВУЮЩЕМУ РОСТУ ОПУХОЛИ.

Такой благоприятной средой может быть просто участок рядом с кровеносными сосудами или область ткани внутри органа с высоким уровнем гормонов или других факторов роста. Травмы и повреждения тканей также являются мощными катализаторами развития опухолевых процессов, так как активируют заживление раны, в результате которого соседним клеткам рассылаются сигналы к быстрой пролиферации для восстановления повреждений. Как мы уже видели в предыдущих главах, в процессе заживления раны могут создаваться условия, благоприятные для раковых клеток. Сигнальные процессы, протекающие при этом, являются примером положительной обратной связи между экологией опухоли и ее эволюционной динамикой.

Микроокружение опухоли меняется по мере развития рака. В начале раковые клетки по большей части лишь используют присутствующие в микроокружении ресурсы. На более поздних стадиях они уже начинают помогать доставлять новые средства в опухоль, получая в результате своей эволюции способность посылать сигналы кровеносным сосудам, и они обеспечивают растущую опухоль необходимыми ей кислородом и питательными веществами. Кроме того, раковые клетки могут заставлять соседние стромальные клетки передавать сигналы на рост и выживание, тем самым создавая нишу, способствующую их собственной пролиферации.

Еще одним важным изменением микроокружения опухоли при развитии рака является увеличение количества иммунных клеток. Опухоли, как правило, привлекают намного больше иммунных клеток, чем здоровые ткани. Мы с вами уже видели, что иммунные клетки помогают держать раковые под контролем, однако иногда раковые клетки обманным путем заставляют иммунные им помогать. Хроническое воспаление является одной из общих характеристик микроокружения опухоли. Раковые клетки в результате своей эволюции учатся посылать сигналы, призывающие иммунные клетки вырабатывать факторы роста, выживания и ангиогенные факторы^[15], например используя сигнальную систему, лежащую в основе реакции заживления, как это уже было описано выше. Кроме того, раковые клетки могут заручаться поддержкой регуляторных Т-клеток – иммунных клеток, отвечающих за остановку иммунной реакции после устранения угрозы, – в этом случае раковые клетки обеспечивают себе защиту от уничтожения иммунными. Рак словно манипулирует этими Т-клетками, убеждая сказать остальной иммунной системе: «Проходи, не задерживайся» или «Это не те клетки, которые вы ищете».

Все эти аспекты микроокружения опухоли можно рассматривать с точки зрения экологии: экологии организма и экологических взаимодействий раковых клеток внутри него. Причем эти экологические процессы влияют как на эволюцию раковых клеток, так и на экспрессию ими генов. Можно провести множество параллелей между экологическими процессами, протекающими в мире живой природы, и процессами в микроокружении раковой опухоли, включая создание ниш, эволюцию расселения, эволюцию жизненного цикла и даже трагедию общих ресурсов и другие социальные дилеммы. Изучение изменений, протекающих в экосистемах нашего организма в процессе развития рака, а также механизмов эволюции раковых клеток в рамках этих экосистем, играет важную роль для понимания того, как именно раковые клетки учатся недобросовестному поведению, а затем и сотрудничеству между собой для более эффективного использования ресурсов организма.

КАКИЕ ЖЕ СРЕДСТВА НУЖНЫ РАКОВЫМ КЛЕТКАМ, ЧТОБЫ ВЫЖИТЬ ВНУТРИ ОРГАНИЗМА? И КАК ОНИ ИХ ПОЛУЧАЮТ?

Раковые клетки полагаются на ресурсы, поставляемые вместе с кровью, в том числе кислород и глюкозу. Кроме того, им требуется азот и фосфор для построения нуклеотидов, из которых состоит наша ДНК. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин), сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислот и копирования своей ДНК – для успешного деления клетки необходимо произвести миллиарды новых нуклеотидов, что приводит к огромной потребности опухоли в азоте и фосфоре.

В дополнение к этим базовым ресурсам раковым клеткам также необходимы сигналы роста и выживания от их соседей – по крайней мере, на ранних стадиях развития рака, пока они не научатся сами вырабатывать сигналы выживания и факторы роста. Раковые клетки в результате своей эволюции могут научиться подключать к добыче ресурсов нормальные поддерживающие клетки (фибробласты) в своем окружении. Одним из способов этого добиться является отправка раковыми клетками сигналов к заживлению раны этим поддерживающим клеткам, чтобы те в ответ посылали факторы роста и выживания.

Только вот наш организм – это не пассивный сосуд для раковых клеток. В отличие от белок, живущих в среде, которым – образно выражаясь – нет дела до того, есть они там или нет, организму не все равно, кто живет внутри его. Он изо всех сил старается защищаться от раковых клеток и ограничивает их возможность выживать и процветать. Многие из систем подавления рака построены на том, чтобы ограничивать для его клеток возможность построения благоприятной для себя ниши внутри организма с последующим распространением по ней.

Иммунные клетки патрулируют организм в поисках клеток, которые слишком обильно размножаются, производят мутировавшие белки или белки, экоторые не должны в них встречаться. Когда иммунные клетки находят такие скопления аномальных клеток, они вырабатывают факторы, которые останавливают пролиферацию, активируют клеточную смерть и блокируют использование кровеносных сосудов, чтобы отрезать опухоль от ресурсов. Раковые клетки же в ходе своей эволюции учатся обходить иммунную систему, подобно тому как животные, являющиеся добычей хищников, вырабатывают различные стратегии защиты от них. Так, они учатся прятаться от иммунной системы (удаляя маркеры на поверхности клеток, используемых иммунной системой для их идентификации) или использовать камуфляж (экспрессируя гены, которые придают им более «нормальный» с точки зрения иммунных клеток вид), в точности как организмы мимикрируют в природе.

По мере того как раковые клетки учатся использовать экосистемы организма, они стимулируют не только свой рост, но и дальнейшую эволюцию – меняют внешнюю среду, тем самым зачастую создавая новые факторы отбора для себя и окружающих клеток. Например, производя большое количество отходов, таких как молочная кислота, они создают среду, которая благоволит клеткам, способным выживать в условиях высокой кислотности. Истощив все ресурсы в своем локальном окружении, они могут создать условия, способствующие появлению клеток, способных к миграции с целью поиска новых участков для колонизации, в результате чего происходит инвазия и образование метастазов. Исчерпав все местные запасы, клетки оказываются подвержены эволюционному давлению, побуждающему их захватывать инфраструктуру по доставке ресурсов, используемую многоклеточным организмом в своих целях, – наши кровеносные сосуды. Как мы увидим далее в этой главе, недобросовестное поведение клеток может даже приводить к давлению отбора, побуждающего раковые клетки сотрудничать друг с другом для более эффективной передачи сигналов кровеносным сосудам, инвазии и образования метастазов.

Внутри экосистемы нашего организма раковые клетки могут в ходе своей эволюции научиться так менять микроокружение опухоли, чтобы оно способствовало их выживанию, например захватывая кровеносные сосуды для увеличения потока питательных веществ или провоцируя дополнительную выработку факторов роста и выживания стромальными клетками в окружающую среду. С другой стороны, эволюция может привести раковые клетки и к уничтожению той самой окружающей среды, от которой они так зависят. Колонизация тканей организма раковыми клетками связана с одним очень важным парадоксом. Они разрушают свое внешнее окружение, истощая ресурсы и загрязняя межклеточную среду молочной кислотой и другими продуктами жизнедеятельности. С другой стороны, они выстраивают и развивают местную среду, которая обеспечивает им защиту и питание, посылая кровеносным сосудам сигналы для доставки питательных веществ и пряча их от иммунной системы. Как так получилось, что раковые клетки способны и созидать, выстраивая столь сложные системы, и беспощадно разрушать все на своем пути?

Все дело в том, что не все раковые клетки одинаковы – одни из них быстро используют все доступные средства, в то время как другие посылают сигналы, требуя добавки. В зависимости от условий, опухоли на пользу могут пойти как созидательные, так и разрушительные наклонности раковых клеток. Давайте более подробно рассмотрим, как их стратегии в экосистеме организма могут меняться из-за конкретных окружающих условий.

Подобно организмам, ради достижения своих целей клеткам приходится идти на различные компромиссы. Одни раковые клетки делают упор на быстром росте и делении клеток, в то время как для других наивысшим приоритетом становится выживание. Как мы уже видели в пятой главе, подобные компромиссы связаны с жизненным циклом организмов, и в ходе эволюции у них вырабатываются различные жизненные стратегии в зависимости от условий своего обитания.

В среде со стабильными ресурсами и низким уровнем угроз отбор идет в пользу раковых клеток с длинным жизненным циклом. Подобно слонам, о которых мы говорили в пятой главе, такие клетки откладывают свое размножение, вместо этого вкладываясь в выживание. В условиях среды с непостоянными ресурсами, напротив, уровень опасности возрастает, в результате чего предпочтение отдается раковым клеткам с коротким периодом существования. Подобно мышам, такие клетки быстро размножаются и особо не вкладываются в свое долголетие. Как мы уже видели, опухоль, как правило, постоянно подвержена различным угрозам со стороны организма. Кровоснабжение опухоли зачастую неустойчивое (так как кровеносные сосуды растут, разветвляются и разрушаются беспорядочным образом), а сама кровь наполнена иммунными клетками, только и жаждущими добраться до раковых. И неустойчивое кровоснабжение, и агрессивные иммунные клетки могут привести к гибели раковых – столь опасная среда обитания способствует эволюции клеток с коротким жизненным циклом.

Компромиссы, связанные с жизненным циклом, в животном мире помогают нам понять, почему разные условия микроокружения опухоли способствуют реализации раковыми клетками разных жизненных стратегий. Между тем они могут появиться лишь на более поздних этапах развития рака. На ранних стадиях клеткам приходится вырабатывать стратегии обхода ресурсных ограничений, таких как изменение своего обмена веществ, отправка сигналов для доставки дополнительных запасов и монополизация локальных ресурсов. Поскольку у клеток на ранних этапах развития опухоли обычно есть доступ к большому количеству средств, им не приходится особо идти на компромиссы, например между пролиферацией клеток и выживанием. Даже при быстрой пролиферации у них все равно будет оставаться достаточно ресурсов для выполнения своих «целей», таких как выживание. Тем не менее в конечном счете – подобно любому организму, бесконтрольно размножающемуся в экосистеме с ограниченными ресурсами, – раковые клетки оказываются в истощенной среде, где запасов уже не так много. Когда они сталкиваются с этими ресурсными ограничениями, важность компромиссов между выживанием и пролиферацией возрастает.

Подобные жизненные стратегии, скорее всего, играют не менее важную роль в процессе лечения рака. Противораковая терапия меняет экологию опухоли и создает среду, вынуждающую раковые клетки идти на компромиссы. Во время проведения химиотерапии клетки могут использовать так называемые эффлюксные насосы (специальные молекулярные насосы, находящиеся в клеточной мембране) для очистки себя от молекул химиотерапевтических препаратов, которые находятся в окружающей ее среде. Проблема в том, что для работы этих насосов требуется большое количество клеточных ресурсов – по сути, они представляют собой микроскопические машины, которым нужна энергия для откачивания чужеродных веществ. Примерно половина всей энергии клетки уходит на работу этих насосов. У клеток, выделяющих ресурсы на это, неизбежно остается меньше средств на свое деление. В следующей главе мы увидим, как подобные компромиссы могут быть использованы в разработке новых подходов к лечению рака.

Белки и птицы делают гнезда, кролики роют норы, бобры строят плотины, а пчелы – ульи. Подобно этим видам, преобразующим мир дикой природы, чтобы создать более благоприятные для себя условия, раковые клетки меняют внутренний мир нашего тела так, чтобы было проще выживать и размножаться. В экологии существует понятие создания экологических ниш, подразумевающее изменение организмами своей среды обитания, чтобы сделать ее более пригодной для жизни, богатой ресурсами и безопасной.

РАКОВЫЕ КЛЕТКИ – НАСТОЯЩИЕ МАСТЕРА СОЗДАНИЯ ТАКИХ НИШ: ОНИ МЕНЯЮТ СВОЕ ОКРУЖЕНИЕ, ПОСЫЛАЯ СИГНАЛЫ О ПЕРЕДАЧЕ РЕСУРСОВ, ЗАЩИЩАЯ СЕБЯ ОТ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ И ИСПОЛЬЗУЯ РЯД ДРУГИХ СТРАТЕГИЙ.

Чтобы построить для себя экологическую нишу, раковым клеткам приходится преодолеть многие барьеры тканевой архитектуры и регуляции роста. Так, сначала им необходимо прорваться через базальную мембрану, служащую барьером между внутренней полостью органа и внешними тканями. Для преодоления преград раковым клеткам зачастую приходится сотрудничать друг с другом с целью выработки специальных факторов (под называнием матриксные металлопротеиназы), которые способствуют разрушению базальной мембраны. Кроме того, для преодоления этой оболочки и других тканей организма раковым клеткам необходимо координировать свои электрические сигналы. Также они могут использовать нормальные поддерживающие клетки, называемые стромальными, заставляя их работать себе во благо. Стромальные клетки могут создавать экологическую нишу для раковых клеток, вырабатывая факторы роста, переделывая тканевую архитектуру (например, за счет выработки коллагена, из-за которого опухоль на ощупь может напоминать узелок в эластичной ткани) и посылая сигналы на создание новых кровеносных сосудов. Таким образом, процесс построения ниши может включать извращенную форму клеточного сотрудничества между раковыми и нормальными клетками, «готовность» которых оказывать всяческую «помощь», свойственную нормальным клеткам, используют в своих корыстных целях клетки опухоли. Это одно из самых странных и увлекательных явлений, наблюдаемых в микроокружении опухоли – раковые клетки обманным путем эксплуатируют нормальные клетки организма, чтобы было проще выживать и делиться.

Одним из важнейших аспектов построения ниши при раке является формирование новых кровеносных сосудов для питания опухоли. Так как раковые клетки потребляют все локальные ресурсы, рост опухоли может быть ограничен из-за нехватки материалов для создания новых клеток. Кровь – отличный источник материала для строительства новых клеток, и раковые клетки в ходе своей эволюции учатся использовать кровеносные сосуды для поддержания роста опухоли, когда локальные запасы начинают истощаться.

Дефицит питательных веществ усиливает конкуренцию между клетками, равно как и способствует их сотрудничеству.

Он стимулирует эксплуатацию, однако также и открывает дорогу для инноваций. Так, люди построили сложнейшие инфраструктурные системы для получения и транспортировки ресурсов, чтобы им не приходилось ежедневно сталкиваться с их нехваткой.

Одним из самых удивительных примеров рукотворной инфраструктуры является ирригационная система, которую люди культуры Хохокам начали строить примерно в 600 году нашей эры. Это американские индейцы, обитавшие вдоль реки Соль в Аризоне – том самом месте, где теперь живу и работаю я. На протяжении примерно восьми веков они строили крупнейшую ирригационную систему, общая протяженность каналов которой составляла сотни миль. Палками-копалками они рыли траншеи, достигавшие до четырех метров в глубину, по которым вода попадала в удаленные от реки дома и фермы, где иначе людям было просто не выжить. Из-за отсутствия каких-либо письменных документов современным археологам остается только гадать, как именно они организовали строительство этого чуда инженерной мысли, а также как управляли этой системой доставки ресурсов, когда она была достроена.

Эффективное управление системой каналов представляет собой еще большую загадку, чем ее проектирование и строительство. Ирригационные каналы, подобные тем, что были построены людьми культуры Хохокам, связаны со множеством социальных дилемм, которые значительно усложняют эффективную координацию и сотрудничество участников. У каждого в системе может появиться соблазн взять себе больше воды, чем ему положено. Любой, находящийся выше по течению в ирригационной системе, может попросту открыть краны и монополизировать воду, почти ничего не оставив живущим вниз по течению людям. Кроме того, всегда имеет место соблазн иждивенчества за счет усилий людей, занимающихся созданием и обслуживанием системы. Эта проблема несколько отличается от недобросовестного открытия кранов. Вот почему так поразительно, что людям культуры Хохокам удавалось веками управлять огромной системой каналов и обслуживать ее.

Подобно системе каналов, построенной людьми, чтобы доставлять воду в дома, которые в ней нуждаются, в процессе нашего развития клетки, по сути, строят свою ирригационную систему для переноса крови по всему организму. Пока мы были в материнской утробе, специальные клетки, называемые эндотелиальными (клетки стенок наших кровеносных сосудов), проникли во все ткани тела, образовав сеть кровеносных сосудов для транспортировки и распределения ресурсов. Между тем эти кровеносные сосуды не статичны – они постоянно растут и меняются в зависимости от сигналов, получаемых от своего клеточного окружения. Так, например, сигналы к заживлению могут привести к усилению кровотока и даже к образованию новых сосудов. Эта система позволяет осуществлять динамичное управление ресурсами организма, доставляя кровь к клеткам, которые в ней нуждаются.

НАШ ОРГАНИЗМ – ЭТО ОСОБАЯ ЭКОСИСТЕМА, КОТОРАЯ БЫЛА СОЗДАНА МНОГОКЛЕТОЧНЫМ СООБЩЕСТВОМ В ПРОЦЕССЕ РАЗВИТИЯ, ЧТОБЫ ДОСТАВЛЯТЬ ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА ВСЕМ КЛЕТКАМ, ИЗ КОТОРЫХ МЫ СОСТОИМ.

При нормальной работе она приносит ресурсы всем периферическим тканям, где клетки вырабатывают из них энергию, необходимую для выполнения своих функций и поддержания нашей жизнедеятельности. Когда все работает, как задумано, наш организм процветает. Это во многом напоминает систему каналов, которая доставляет воду в дома, где без нее не обойтись. Наш организм сродни такой хорошо функционирующей системе, состоящей из триллионов клеточных домиков, где успешно решены все социальные дилеммы, обычно делающие сотрудничество подобного масштаба невозможным. Проблема в том, что это равновесие шаткое, и если какие-то клетки внутри организма начнут злоупотреблять системой, то многоклеточное сообщество может начать разваливаться. Раковые клетки могут угрожать локальным экосистемам и многоклеточной инфраструктуре, в рамках которой растут. Они жадно черпают запасы из каналов нашей кровеносной системы, параллельно истощая все локальные ресурсы до полного разрушения окружающей их инфраструктуры.

В системе каналов, распределяющей воду между людьми, и сосудистой системе, распределяющей кровь по организму между клетками, недобросовестное поведение может представлять серьезную проблему. Раковые клетки «открывают краны», посылая сигналы, которые увеличивают проницаемость кровеносных сосудов, чтобы получить больше ресурсов, в результате чего клеткам, расположенным «ниже по течению», их достается меньше. Кроме того, раковые клетки иногда работают сообща, чтобы посылать сигналы существующим кровеносным сосудам и строить новые – подобно группе людей, которые объединяются, чтобы выкопать траншею и подключиться к построенной другими людьми системе каналов. Такое сотрудничество позволяет им более эффективно использовать запасы организма. Между тем оно зачастую недолговечно. Любые раковые клетки, которые ничего сами не делают, а просто пожинают плоды работы своих сородичей, получают преимущество перед более склонными к взаимодействию, которым приходится тратить дополнительные ресурсы на строительство новых кровеносных сосудов.

Когда раковые клетки начинают выкачивать запасы для собственных нужд, они не только лишают ресурсов нормальные клетки, но и ставят под угрозу целостность инфраструктуры доставки ресурсов – что может привести к коллапсу кровеносных сосудов. Система каналов может оставаться совершенно стабильной и без воды, однако пустой кровеносный сосуд под давлением окружающих тканей может спасться. Когда раковые клетки открывают краны, посылая сигналы на получение большего количества питательных веществ из крови, в кровеносных сосудах остается меньше жидкости для поддержания артериального давления и предотвращения их коллапса. При коллапсе сосуда клетки, которые зависели от него, либо умирают, либо, если у них есть такая возможность, посылают сигналы на создание новых кровеносных сосудов, которые снова будут уязвимы для эксплуатации и разрушения. Это одна из причин, по которым система кровоснабжения опухоли зачастую настолько беспорядочная и непредсказуемая. Васкуляризированная (снабжаемая кровью через сеть сосудов) опухоль, по сути, представляет собой средоточие социальных дилемм, разыгрывающихся на каждом миллиметре каждого кровеносного сосуда, с постоянно возникающим и прекращающимся клеточным сотрудничеством, отражающим появление и разрушение кровеносных сосудов, которые раковые клетки создают и используют.

Спасение от экопокалипсиса

Поведение раковых клеток может привести к трагедии общих ресурсов. Те из них, которые быстро размножаются и быстро потребляют ресурсы, обладают краткосрочным преимуществом перед теми, которые ведут себя более сдержанно. Иногда клетки, злоупотребляющие своими локальными ресурсами, умирают либо из-за их полного истощения, либо из-за чрезмерного скопления отходов жизнедеятельности, которые они уже попросту не успевают выводить. В других случаях клетки находят выход из этого локального экологического кризиса, либо посылая сигналы на получение дополнительных ресурсов, как мы уже видели ранее, либо эволюционируя и получая способность мигрировать и колонизировать новые экологические ниши организма.

Основная идея теории расселения в экологии состоит в следующем: когда организмы эксплуатируют свою локальную среду обитания, это может привести к эволюционному давлению в пользу расселения – преимущество получают индивиды, способные находить новые места обитания. Этот же принцип применим и к эволюции раковых клеток. Когда клетки эксплуатируют локальные ресурсы, это дает эволюционное преимущество способным передвигаться, а также тем, которые более охотно перемещаются в ответ на плохие экологические условия.

Вдохновившись этим экологическим принципом, мы с коллегами создали компьютерную модель, чтобы понять, как чрезмерное расходование питательных веществ раковыми клетками может влиять на эволюцию клеточной подвижности. Мы смоделировали ткань с кровеносными сосудами, по которым к ним доставлялись ресурсы. Там были клетки, быстро потребляющие ресурсы (как это делают раковые клетки), и клетки, темп потребления которых был соизмерим с количеством поступающей крови (они представляли нормальные клетки). Мы хотели сравнить, как будет происходить эволюция клеточной подвижности в этих различных условиях, и понять, создают ли клетки, быстро потребляющие ресурсы, экологические условия, которые впоследствии способствуют их повышенной мобильности и миграции. Как и ожидалось, быстрое использование питательных веществ и разрушение среды обитания злокачественными клетками способствовало эволюции клеточной подвижности. В соответствии с теорией расселения, высокий уровень потребления ресурсов раковыми клетками приводит к естественному отбору клеток, способных к миграции.

Экологическая теория расселения имеет важное значение в понимании инвазии и процессе образования метастазов. После того как произошла инвазия опухоли, а тем более после формирования метастазов, лечить рак становится гораздо сложнее. Согласно нашей модели, клетки в ходе своей эволюции могут обрести подвижность на гораздо более ранней стадии развития опухоли, чем считалось ранее – задолго до появления явных признаков инвазии и метастазов. Эта модель демонстрирует, что для эволюции подвижных раковых клеток может быть попросту достаточно быстрого потребления ресурсов и разрушения локальной среды обитания. Это согласуется с некоторыми любопытными фактами о метастазах, например, что они часто образуются из раковых клеток в процессе ранней диссеминации, то есть покинувших опухоль на ранних стадиях ее развития. Это говорит о том, что клетки могут рано обретать способность к передвижению, в то время как последствия этой клеточной подвижности становятся очевидными лишь после инвазии опухоли и образования метастазов.

Эволюция расселения и формирование экологических ниш могут показаться диаметрально противоположными процессами: эволюция расселения происходит в результате разрушения среды обитания, в то время как создание экологических ниш несет созидательный характер. На самом же деле эти процессы идут рука об руку: разрушение среды обитания приводит к естественному отбору в пользу расселения, однако эффективная инвазия и колонизация новой среды обитания требуют активного формирования новых экологических ниш и сотрудничества между раковыми клетками. Чтобы преодолеть базальную мембрану, раковым клеткам необходимо совместными усилиями построить экологическую нишу на фронте инвазии опухоли – без этого им не преодолеть этот физический барьер нашего организма. Как мы уже видели ранее, инвазия зачастую требует от раковых клеток сотрудничества между собой для производства матриксных металлопротеиназ, которые разрушают базальную мембрану. Кроме того, раковые клетки могут «обмануть» сосудистую систему своими скоординированными электрическими сигналами, чтобы проникнуть через эндотелий (внутренняя оболочка кровеносных сосудов). Добравшись до кровотока, они могут путешествовать по всему телу и колонизировать новые ткани и системы органов.

Революция сотрудничества

Раковые клетки могут эксплуатировать экосистему многоклеточного организма, иногда прибегая для этого к сотрудничеству и координируя свое поведение. Мы уже видели, что они способны совместными усилиями создавать экологические ниши, обеспечивающие им защиту и питание. Кроме того, они могут прибегать к взаимодействию для более эффективной инвазии и метастазирования, чтобы колонизировать новые ткани. Как развивается сотрудничество среди раковых клеток? На чем оно держится?

Специалисты по биологии рака пытаются ответить на эти вопросы, и чтобы попробовать понять механизмы сотрудничества раковых клеток, мы можем обратиться к теории кооперации. Развитие сотрудничества в любой системе происходит на основе одних и тех же фундаментальных принципов, а это значит, что мы можем применить теоретические основы и модели эволюции сотрудничества и к раку. Это будет нашей отправной точной для обсуждения разных возможных путей эволюции раковых клеток, которые могут привести к их взаимодействию.

Давайте рассмотрим несколько сценариев. В эволюционной биологии при анализе какой-то конкретной черты (в данном случае кооперации) обычно задаются вопросом, является ли она адаптацией (результатом естественного отбора), побочным продуктом (побочным эффектом адаптации) или просто эволюционным шумом (то есть появилась случайно, а не в результате естественного отбора). В случае рака каждый вариант может иметь место. Вполне вероятно, что некоторые примеры сотрудничества, наблюдаемого среди раковых клеток, могут быть просто эволюционной случайностью. В других случаях взаимосвязь может развиваться в качестве побочного эффекта других индивидуальных способностей клеток, таких как различные колонизационные адаптации. Наконец, сотрудничество может стать прямым результатом естественного отбора, и ниже я подробно разберу именно этот сценарий. Позже в этой главе я еще вернусь к вопросу о том, могут ли другие два сценария объяснить взаимодействие раковых клеток, однако пока давайте подробнее поговорим о том, какие условия могут способствовать естественному отбору в пользу сотрудничества раковых клеток. Какие механизмы могут запустить такой отбор? Генетическое родство среди раковых клонов? Взаимный альтруизм и повторяющиеся взаимосвязи между раковыми клетками? А что насчет эволюционной взаимозависимости и многоуровневого отбора внутри организма?

Давайте попробуем разобраться, могут ли повторяющиеся взаимодействия между раковыми клетками способствовать развитию сотрудничества между ними. Как мы уже видели в третьей главе, паттерны поведения, в результате которых индивиды приносят пользу друг другу, являются наиболее распространенным объяснением эволюции сотрудничества между неродственными особями. Благодаря им индивид, который помогает другим, в конечном счете пожинает плоды своего сотрудничества, что делает такую стратегию более жизнеспособной, чем стратегию недобросовестного поведения. Могут ли различные клоны раковых клеток использовать стратегию взаимного альтруизма для получения выгоды от связи друг с другом?

Взаимодействия раковых клеток действительно очень похожи на взаимность (то есть эволюционное преимущество, достигнутое за счет кооперации или альтруизма) или как минимум мутуализм (взаимовыгодные отношения, где партнеры полностью полагаются друг на друга). Так, иногда клетки одного типа, вырабатывающие факторы роста, приносят пользу клеткам другого типа, которые вырабатывают факторы, помогающие защищаться от иммунной системы. Сотрудничая, они могут извлечь выгоду, разделив между собой производство всех этих факторов. Остается открытым вопрос, следует ли это считать побочным продуктом мутуализма или примером «клеточной взаимности». Обычно мы рассматриваем взаимность как условную стратегию. В случае с раком мало что известно о том, как именно раковые клетки могут реагировать друг на друга. Конечно, вполне вероятно, что в ходе эволюции у них может выработаться условное сотрудничество, например производство общественных благ только при условии, что также поступают и соседние клетки.

Пускай до конца не понятно, можно ли считать сотрудничество раковых клеток формой взаимности, очевидно, что повторяющиеся контакты между раковыми клетками могут способствовать созданию условий, благоприятствующих сотрудничеству между ними. И независимо от того, является ли это проявлением условной взаимности или побочным продуктом мутуализма, очевидно, имеет место положительная ассортативность^[16]. Таким образом, повторяющиеся взаимодействия между раковыми клетками могут пролить свет на эволюцию сотрудничества между ними в контексте разделения труда.

Взаимность является одним из традиционных объяснений эволюции сотрудничества в эволюционной биологии. Другое распространенное объяснение – родственный отбор, происходящий с учетом генетического сходства особей или так называемой совокупной приспособленности, степень которой измеряется с учетом приспособленности ближайших родственников. Некоторые специалисты по биологии рака скептически относятся к роли родственного отбора в развитии сотрудничества между клетками, однако вполне вероятно, что его не следует списывать со счетов. Как мы уже видели, раковые клетки существуют группами с высоким уровнем родственных связей, так как мутации, приносящие эволюционную пользу, зачастую приводят к формированию клональной экспансии – большой группы клеток с данной выгодной мутацией. Если мутация способствует, например, за производство факторов роста, то они могут выступить в роли общественного блага, приносящего пользу и соседним клеткам. Если последние также принадлежат к этой клональной экспансии – и несут в себе тот же вариант гена, – то данное генетическое родство между клонами придает дополнительный эволюционный толчок этому варианту. Даже если клеткам и приходится тратить дополнительные ресурсы на производство факторов роста, эволюция все равно может отдавать предпочтение отвечающим за него генам в популяции клеток.

Мы уже говорили во второй главе, что естественный отбор благоволит генам, которые увеличивают вероятность выживания и размножения других индивидов с такими же генами. Если у клеток в клональной экспансии будет присутствовать мутация, которая увеличит продукцию факторов роста, то она будет приносить им пользу и распространятся в популяции. Таким образом, генетическое родство среди раковых клеток может помочь объяснить некоторые случаи возникновения взаимосвязи между ними. Совместная деятельность может развиться и между клетками, производящими разные факторы роста, за которые отвечают различные гены, в результате все того же процесса положительной ассортативности, о котором я рассказала ранее. Для отбора в пользу сотрудничества вовсе не обязательно, чтобы оно было построено на экспрессии одних и тех же генов.

ПОКА ОТДЕЛЬНЫЕ КЛЕТКИ, СКЛОННЫЕ К КОНТАКТУ, МОГУТ ВЫБИРАТЬ, С КЕМ ИМЕННО ВЗАИМОДЕЙСТВОВАТЬ, ПРЕДПОЧИТАЯ ДЕЛАТЬ ЭТО ДРУГ С ДРУГОМ, СУЩЕСТВУЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ СОТРУДНИЧЕСТВА.

Сотрудничество среди родственных особей неоднократно развивалось в результате эволюции в мире живой природы. Иногда оно идет параллельно способности распознавать родственных особей. Такое наблюдается в организмах с длительными периодами участия родителей в жизни потомства или других родственных особей (как, например, у людей). Между тем для появления родственного сотрудничества вовсе не обязательно уметь распознавать родственных особей. У организмов с коротким периодом родительского участия, относительно низкой подвижностью и низким уровнем социальных взаимодействий, нет необходимости распознавать родственников для того, чтобы в них вкладываться. Если потомки остаются поблизости, родители, приносящие пользу всем соседним особям, неизбежно принесут ее и своим потомкам. Таким образом, родственное сотрудничество может появиться в результате родственного отбора при наличии структуры родства, при которой польза с высокой вероятностью достанется потомству (например, когда потомки остаются рядом со своими родителями).

Клеточное родство обеспечивает один из возможных путей развития сотрудничества между родственными раковыми клетками даже при отсутствии у них способности распознавать друг друга. У клеток, растущих в скоплении из родственных клонов, попросту больше шансов на взаимодействие с клеткой с высоким уровнем родства, чем со случайной, что создает благоприятные условия для распространения в популяции склонности к сотрудничеству в результате родственного отбора.

Мы с коллегами выдвинули предположение, что сотрудничество между генетически родственными раковыми клетками может играть важную роль в эволюции рака, и применили модель, чтобы попробовать объяснить еще одну загадку в биологии рака: существование раковых нестволовых клеток. Опухоли зачастую содержат большое относительное количество таких клеток, которые не помогают разрастанию опухоли, поскольку не могут бесконечно делиться. Такое ограничение является загадкой с эволюционной точки зрения. По идее эволюция раковых клеток должна приводить к их неограниченному делению: при прочих равных условиях чем больше собственных копий сможет сделать клетка, тем больше она оставит после себя потомков. Только вот исследование опухолей дает совсем другой результат: согласно экспериментальным данным, от 75 до 99,999 % клеток опухоли составляют раковые нестволовые клетки. Как вообще эти клетки могли сохраниться в популяции раковых клеток, если они не оставляют после себя потомков?

Мы создали собственную модель, которая включала в себя раковые стволовые клетки с ограниченным запасом делений, способные давать эволюционное преимущество генетически родственным клеткам. Мы обнаружили, что, несмотря на свой ограниченный потенциал размножения, нестволовые клетки действительно не исчезали из популяции. Данный процесс, если он действительно протекает в опухолях, напоминает так называемое коллективное размножение, наблюдаемое у некоторых видов, когда одни особи размножаются, в то время как другие выступают в роли помощников (это явление свойственно многим птицам, у них в гнезде есть помощники, имеющие с ними родственную связь). Существование подобной системы становится возможным благодаря высокому уровню родства между индивидами в группе.

Можно также попробовать провести параллель между группами раковых клеток и сообществами социальных насекомых, в которых не все индивиды способны к размножению. У многих социальных насекомых имеются стерильные работники и размножающиеся самки-матки. Вполне возможно, что похожее распределение свойственно и группам раковых клеток. Любопытно, что таким сообществам зачастую удается процветать в довольно суровых условиях. Строгая общественная организация полезна в условиях изменчивых ресурсов, так как помогает подстраиваться в случае их резкого сокращения. Подобно группам раковых клеток, сообщества социальных насекомых крайне успешно захватывают новые территории и колонизируют новые среды обитания. На самом деле некоторые социальные насекомые, включая определенные виды муравьев, стали настолько в этом эффективны, что превратились во вредителей, подрывающих структуру сложившихся экологических сообществ и зачастую замещающих аборигенные (возникшие или с древних времен обитающие на данной территории) виды. В этом они похожи на раковые клетки, способные менять экосистему многоклеточного организма и вытеснять аборигенные виды нормальных клеток. В ходе эволюции раковые клетки учатся захватывать и колонизировать новые среды обитания в организме, что становится особенно заметно на поздних стадиях рака. Вопрос о том, могут ли колонии раковых клеток в результате эволюции приобретать такую же структуру и функциональность, как и колонии социальных насекомых, остается открытым, однако эти параллели определенно вызывают любопытство и заслуживают дальнейшего изучения.

Условия среды обитания оказывают сильнейшее влияние на взаимодействие любых сообществ – как человеческих и пчелиных, так и сообществ раковых клеток. Активное сотрудничество становится актуальным в суровых условиях, где без него просто невозможно выжить. В процессе развития рака его клетки сталкиваются со многими средами обитания в организме, где им не уцелеть без взаимодействия. Так, например, при истощении локального кровоснабжения клетки могут быть обречены на вымирание, если не научатся скоординировано посылать сигналы на формирование новых сосудов.

Сотрудничество также может помочь раковым клеткам проникать в соседние ткани и образовывать метастазы.

Одним из самых наглядных доказательств важной роли сотрудничества в развитии рака являются данные о том, что метастазы чаще всего образуют скопления раковых клеток, и чем крупнее они крупнее, тем больше у опухоли шансов на успешное метастазирование. Эти колонии раковых клеток циркулируют в крови на поздних стадиях болезни и могут быть обнаружены при анализе крови (рис. 6.1). Их размер во многом определяет шансы пациента на выживание. Больные раком молочной железы и простаты с циркулирующими в крови скоплениями клеток живут гораздо меньше, чем пациенты, у которых в крови обнаруживают лишь отдельные клетки. Судя по всему, скопление раковых клеток более успешно справляется с колонизацией организма, чем отдельные раковые клетки. Эксперименты на мышах с раком молочной железы показали, что вероятность образования метастазов с циркулирующими в крови скоплениями опухолевых клеток была от 23 до 50 раз выше, чем у мышей, в крови которых были только отдельные раковые клетки. Это также указывает на то, что у определенных поликлональных опухолей (содержащих множество разных клеточных клонов) может быть преимущество в пролиферации, поскольку они содержат клоны, способные коллективно колонизировать и поддерживать экологическую нишу опухоли.

Вполне вероятно, что в некоторых случаях в колониях раковых клеток может процветать сотрудничество для успешной колонизации новой среды обитания, в то время как другие раковые клетки могут просто пассивно получать выгоду от пребывания в этой группе. Возможно, такие скопления имеют преимущество в построении экологической ниши по достижении новой среды обитания за счет активного производства факторов роста, отправке сигналов на формирование новых кровеносных сосудов и, возможно, даже более эффективной маскировки от иммунной системы. Чтобы достоверно определить, почему скопления раковых клеток справляются лучше отдельных клеток, необходимы дополнительные исследования – вполне возможно, что чем крупнее группа, тем проще ей выжить и размножиться, хотя некоторые исследования указывают на то, что присутствие определенных «вспомогательных» клонов также может помогать колонии раковых клеток.

Подобная закономерность – более высокие шансы выживания группы в суровых условиях по сравнению с отдельными особями – наблюдается во многих системах. Она отчетливо прослеживается во многих человеческих сообществах, где люди едва сводят концы с концами. Там люди живут группами, так как поодиночке у них попросту нет шансов.

Изменчивость среды обитания – с точки зрения успеха в поисках пищи, вероятности болезней и травм, возможных стихийных бедствий и экстремальных погодных условий – значительно усложняет выживание отдельных людей. Аналогично, социальные насекомые, такие как пчелы и муравьи, в ходе своей эволюции пришли к жизни огромными колониями, которым проще приспосабливаться к суровым условиям среды обитания, не говоря уже о возможности массового разделения труда. Сходства между колониями раковых клеток, человеческими группами и колониями пчел поражают воображение. Возможно, нам удастся лучше понять эволюционную динамику колоний раковых клеток, если мы рассмотрим давления отбора, способствующие эволюции социальных взаимодействий у других видов.

Если говорить в общем, жизнь большими группами помогает индивидам разделять риски, что увеличивает их шансы на выживание в тяжелых условиях. В этих ситуациях они становятся более зависимыми друг от друга в вопросах выживания и размножения, что приводит к усилению эволюционной взаимозависимости. Под этим подразумевается ситуация, когда успешная передача генов следующему поколению зависит от помощи индивидов друг другу.

Эволюционная взаимозависимость у людей зачастую наблюдается в ситуациях, когда выживание или репродуктивный успех отдельного человека неразрывно связаны между собой (например, в брачных отношениях, когда на кону выживание и успех общего потомства), во время войн (когда выживание солдат зависит от их помощи друг другу), а также в суровых и непредсказуемых условиях среды обитания (когда в одиночку не выжить). В случае раковых клеток эволюционная взаимозависимость, скорее всего, наблюдается, когда скопление клеток мигрирует в новую суровую среду обитания, в которой им не уцелеть без сотрудничества.

Если выжить можно только вместе, то недобросовестные клетки обречены на гибель, если не смогут быстро найти готовые к сотрудничеству клетки, которые можно было бы использовать в своих интересах. Вполне возможно, что в суровых условиях создается давление отбора в пользу клеточного сотрудничества на границе опухоли, особенно во время инвазии и метастазирования. В следующем разделе мы как раз и поговорим о том, может ли естественный отбор способствовать сотрудничеству между раковыми клетками при образовании опухолевых метастазов.

Метапопуляции и метастазы

В ходе эволюции социальные насекомые пришли к невероятно высокому уровню взаимодействия в колониях, включая появление классов стерильных рабочих. Тому было несколько причин. Эти колонии часто состоят из особей с высоким уровнем родства, благодаря чему любые гены, способствующие преданному труду рабочих во благо королевы, имеют высокий шанс быть переданными потомству. (У многих социальных насекомых наблюдается так называемая гаплодиплоидия: самцы развиваются из неоплодотворенных яиц, и, как результат, они несут в два раза меньше генетического материала, чем самки. Таким образом, у рабочих, рожденных от одной королевы, которая спаривалась только один раз, будет три четверти общих генов, в то время как обычно у потомков одной пары особей общая только половина генов.) Помимо того, что высокий уровень родства между особями повышает жизнеспособность сотрудничества, особенности популяционной структуры колоний социальных насекомых также позволяют колониям с высоким уровнем сотрудничества между собой добиваться большего успеха, чем тем, в которых этот уровень более низкий. Такие колонии могут объединяться в популяцию групп – метапопуляцию, – в результате чего в рамках такой популяции в целом уровень взаимодействия может увеличиваться, даже если в каждой отдельной группе недобросовестные особи получают большую выгоду. Это тот самый процесс многоуровневого отбора, о котором мы говорили в третьей главе, рассматривая одновременный отбор на нескольких уровнях (например, на уровне отдельных особей отбор может идти в пользу недобросовестных индивидов, в то время как на уровне колоний отбор будет способствовать усилению сотрудничества).

Ряд специалистов по теории сотрудничества категорически утверждает, будто эволюция «во благо группы» невозможна, в том числе и относительно раковых клеток в составе скопления, так как она всегда будет благоволить недобросовестным участникам группы.

Тем не менее факт остается фактом: иногда развитие может привести к сотрудничеству в рамках группы, несмотря на эволюционные преимущества ее недобросовестных участников. Не все группы оказываются успешными: одни быстро погибают, в то время как другие процветают и, возможно, от них даже «отпочковываются» новые (в случае рака этот процесс называют метастатическим каскадом). Поскольку группы с высоким уровнем взаимодействия справляются лучше, чем те, где царит недобросовестное поведение, уровень сотрудничества в целом может увеличиваться – по крайней мере, какое-то время.

Чтобы понять, может ли процесс образования метастазов способствовать отбору в пользу сотрудничества внутри колоний раковых клеток, прежде всего нам следует рассмотреть традиционные модели развития метастазов и ознакомиться с присущими им ограничениями. После мы сможем вернуться к вопросу о том, происходит ли в процессе метастазирования многоуровневый отбор, который способствует развитию сотрудничества внутри колоний раковых клеток.

Существует две общепринятые модели образования метастазов (рис. 6.2). К сожалению, ни одна из них не соответствует современным данным о них. Так, последовательная модель предполагает, что метастазы образуются на более поздних этапах развития опухоли и этим процессом всегда заправляют самые «продвинутые» клеточные клоны. В последовательной модели все метастазы можно разместить по порядку: первый исходит из первичной опухоли, второй – из первого метастаза, третий – из второго, и так далее. Эта модель вытекает из более ранних моделей соматической эволюции, которые предполагают, что рак развивается поэтапно, так как накопление мутаций является пошаговым процессом.

Рисунок 6.2. Последовательная модель формирования метастазов предполагает, что метастазы образуются на более поздних этапах развития опухоли, и первые (а также любые последующие метастазы) образуются самыми «продвинутыми» клонами. Согласно параллельной модели, «семена» метастазов сеются еще в начале развития опухоли в ходе процесса под названием диссеминация опухоли, и все метастазы образуются из первичной опухоли. Скорее всего, в реальности имеет место некое сочетание этих двух моделей с последовательными и параллельными процессами. Основано на материалах Turajlic and Swanton, 2016.

Есть и вторая модель – параллельная. В ней рассматриваются среды обитания, в которые «семена» метастазов сажаются на ранних стадиях распространения опухоли. Эта модель предполагает, что все метастазы исходят из первичной опухоли, причем одни из них появляются на совсем ранних этапах ее развития, когда их обнаружить невозможно, а другие – позднее. Кактус сагуаро рассеивает сотни семян для размножения. Параллельная модель предполагает, что то же самое происходит и с первичной опухолью: она распространяет семена метастазов на ранних этапах развития рака. Некоторые из них приземляются в места, богатые ресурсами, либо они по воле случая обзаводятся мутациями, помогающими посылать сигналы на формирование новых кровеносных сосудов или избегать иммунной системы, в результате чего они начинают процветать.

Несмотря на заманчивую простоту этих двух моделей, ни одна из них не соответствует современным данным, в которых присутствуют элементы обеих моделей – даже в рамках одного образца одной раковой опухоли. Так, например, метастатический каскад включает в себя элементы и параллельной, и последовательной моделей метастазирования. При метастатическом каскаде первичная опухоль дает начало многим метастазам, однако лишь некоторые из них оказываются в состоянии породить метастазы следующего поколения. Другими словами, одни метастазы оказываются более эволюционно успешными (на уровне колоний клеток метастаза), чем другие, и от них отпочковываются новые группы, которые успешно колонизируют новые области организма.

Другим явлением, не вписывающимся ни в одну из моделей, является так называемый пересев опухоли, при котором клетки метастазов попадают обратно в первичную опухоль. Полученные данные указывают на то, что клетки опухоли могут перемещаться из одной опухоли в другую, а затем обратно или даже поочередно проводить время в разных метастазах. Эта концепция похожа на модель стога сена – классическую модель эволюции сотрудничества посредством многоуровневого отбора, в которой индивиды могут перемещаться между группами.

Как явление пересева опухоли, так и метастатический каскад не укладываются ни в последовательную, ни в параллельную модели метастазирования. Кроме того, существование этих процессов говорит о том, что сотрудничество может развиваться внутри колоний раковых клеток: метастатический каскад демонстрирует, что одни метастазы могут эффективнее других справляться с формированием себе подобных, а пересев опухоли показывает, что популяционная структура колоний раковых клеток включает низкие (но не нулевые) уровни миграции между этими колониями – такие условия могут способствовать контактам внутри групп.

Также нам известно, что раковые клетки способны к условному движению^[17], что делает еще более вероятным естественный отбор в пользу сотрудничества в рамках этих клеточных групп.

ЕСЛИ ПОДТВЕРДИТСЯ, ЧТО В ХОДЕ СВОЕЙ ЭВОЛЮЦИИ РАКОВЫЕ КЛЕТКИ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ПРИХОДЯТ К СОТРУДНИЧЕСТВУ ВНУТРИ ОПУХОЛИ, ТО ЭТО КАРДИНАЛЬНО ПОМЕНЯЕТ НАШЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕТАСТАЗИРОВАНИИ.

Так, целые поколения невидимых метастатических микроколоний, не подлежащих обнаружению существующими методами, могут быть подвержены отбору в пользу сотрудничества на уровне колоний. В данном сценарии колонии, которым удается наиболее эффективно контактировать, чтобы вызвать формирование новых кровеносных сосудов, избегать иммунной системы и, разумеется, размножаться за счет отпочкования новых метастатических «зародышей», с наибольшей вероятностью становятся частью следующего поколения колоний раковых клеток. На данный момент у нас пока отсутствуют прямые доказательства такого сценария, однако мы можем более внимательно рассмотреть возможность развития склонности к сотрудничеству на уровне колоний. Для этого нам следует вернуться к вопросу о том, могут ли раковые клетки быть подвержены многоуровневому отбору в процессе метастазирования.

Напомним, что многоуровневым отбором называют ситуацию, когда естественный отбор происходит одновременно на нескольких разных уровнях (например, на индивидуальном и групповом). Если мы хотим понять, может ли эволюционировать сотрудничество на уровне колоний, нам следует разобраться, соблюдаются ли необходимые условия естественного отбора на уровне колоний раковых клеток. Такими условиями являются их изменчивость, различия в приспособленности различия между колониями, в том числе в приспособленности (то есть по показателям выживания и/или отпочкования новых клеточных групп), а также в наследуемых признаках.

Давайте рассмотрим первый критерий естественного отбора среди колоний: изменчивость. Различаются ли между собой колонии раковых клеток? Вне всякого сомнения. Колонии раковых клеток, образующиеся в процессе метастазирования, различаются на генетическом уровне. А что насчет второго условия: имеются ли данные о разном уровне приспособленности образующихся колоний? Имеются. Согласно современным представления об эволюционном дереве опухолевых метастазов, колонии раковых клеток отличаются по уровню выживания и количеству создаваемых новых скоплений клеток. В этом отчасти и состоит идея метастатического каскада, о котором мы говорили ранее: одни клеточные колонии дают начало множеству новых, в то время как другие, судя по всему, новых не порождают. Имеются данные не только о различиях в уровне приспособленности колоний, но и о прямой конкуренции между колониями раковых клеток внутри организма-носителя. Например, иногда после удаления крупной первичной опухоли крошечные метастазы быстро разрастаются, так как она больше не монополизирует ресурсы и не производит ингибирующие факторы. Это явление подавления метастазов первичной опухолью, называемое устойчивостью к сопутствующим опухолям, повсеместно наблюдалось как в экспериментах на животных, так и у больных раком людей. Подводя итог, можно сказать, что колонии раковых клеток отвечают двум первым критериям естественного отбора на уровне клеточных групп: между этими группами наблюдается изменчивость, и они отличаются по уровню приспособленности – одни группы дают больше «потомков», чем другие.

Что же насчет третьего условия естественного отбора – наследуемости? Наследуют ли колонии раковых клеток черты своих «родительских» колоний?

Вот где все еще остаются открытые вопросы. Имеющиеся на данный момент методики не позволяют ученым достаточно детально отслеживать многочисленные поколения метастазов, чтобы определить, похожи ли дочерние колонии на материнские с точки зрения уровня роста, выживаемости или других релевантных признаков. Если нам удастся обнаружить доказательства наследуемости в колониях раковых клеток, то это покажет, что такие группы могут выступать в роли отдельных единиц естественного отбора, а клетки внутри этих колоний находятся под эволюционным давлением, способствующим сотрудничеству с целью более эффективного образования метастазов.

На данный момент уже имеются некоторые обрывочные данные, указывающие на то, что сотрудничество внутри колоний раковых клеток может быть важным фактором образования метастазов, однако по-прежнему остается немало открытых вопросов. Известно, что скопления раковых клеток могут совместно колонизировать новые среды обитания – причем с гораздо большим успехом, чем отдельные клетки. Что нам неизвестно, так это то, почему именно эти скопления справляются лучше отдельных клеток. Возможно, экологические трудности, связанные с успешной миграцией и колонизацией новых тканей, приводят к отбору в пользу групп, лучше справляющихся с образованием метастазов. Может быть и так, что у скоплений раковых клеток в ходе их эволюции появляется некое подобие разделения репродуктивного труда, когда одни клетки активно делятся, а другие оказывают им поддержку – подобно тому, как это происходит у настоящих многоклеточных организмов, пускай и в куда более упрощенном варианте. Не вызывает сомнений, что раковые клетки могут содействовать приспособленности друг друга различными способами, включая производство факторов роста и выживания, а также помогая друг другу прятаться от иммунной системы. Проблема в том, что нам неизвестно, как именно эти способности к сотрудничеству среди раковых клеток могут помогать образованию метастазов.

Все эти возможные сценарии и открытые вопросы побудили меня вместе с несколькими коллегами написать статью под названием «Дарвиновская динамика подвижности и метастазирования», в которой мы, используя принципы эволюции, экологии и теории сотрудничества применительно к метастазированию, строим различные гипотезы о том, что предшествует образованию метастазов. Основываясь на имеющихся данных, мы пришли к заключению, что процесс метастазирования может способствовать отбору в пользу колоний раковых клеток, обладающих некоторыми общими признаками с живыми организмами: жизненными циклами с отдельными стадиями роста и размножения, а также различными стратегиями жизненного цикла. Могут иметь место как клеточные колонии с коротким жизненным циклом, быстро образующие большое количество новых клеточных скоплений на ранних этапах своего развития, так и с длинным жизненным циклом, которые оставляют меньше «потомков», однако оказываются более жизнеспособными.

Мы с коллегами были не единственными, кто предположил, что многоуровневый отбор может способствовать развитию взаимодействия в метастазах. Специалист в области философии биологии Аня Плутынски отмечает, что метастазирование является сложным процессом, требующим сотрудничества между клетками опухоли. Она справедливо замечает, что большинство зарождающихся метастазов терпят неудачу – они уничтожаются в кровеносной системе либо попросту не справляются с колонизацией. Она предполагает, что «одни метастатические популяции более эффективны в колонизации, чем другие» и что некоторые метастазы «более успешны в диссеминации вторичных метастазов». Другими словами, наиболее успешные по этим параметрам колонии получают эволюционное преимущество перед другими колониями раковых клеток (а также перед отдельными клетками, раз уж на то пошло), что приводит к естественному отбору в пользу способных быстро и эффективно колонизировать новые среды обитания и распространять новые метастазы.

Между тем не все научные философы разделяют такую точку зрения. Некоторые утверждают, что на поздних стадиях рака не происходит никакого многоуровневого отбора, так как «размножение» метастазов с гарантированным наследованием вариаций маловероятно. Как я уже упоминала ранее, вопрос наследуемости у колоний раковых клеток по-прежнему остается открытым. Это единственное условие естественного отбора, доказательств наличия которого у нас пока нет. С другой стороны, нет никаких данных, которые бы указывали на отсутствие наследуемости среди колоний раковых клеток. А если взглянуть на другие популяции, образующие колонии, например популяции социальных насекомых, то у нас имеются доказательства наследуемости черт на уровне колоний. Это говорит о том, что необходимо серьезно рассматривать возможность наследования признаков на уровне колоний раковых клеток, а исследователям следует заняться более тщательным изучением данной темы.

До сих пор остается множество открытых вопросов о том, как именно протекает процесс образования метастазов, поскольку имеющиеся на данный момент в нашем распоряжении технологии не позволяют изучить изменения популяционной структуры колоний раковых клеток по мере метастазирования опухоли. Метастазы могут быть микроскопического размера, а наши текущие методы позволяют обнаруживать метастазы лишь размером примерно от одного миллиона клеток. И неизвестно, сколько их к тому моменту будет по всему организму. Их может быть на порядок больше, чем мы в состоянии заметить современными методами визуализации: возможно, крошечные метастатические колонии раковых клеток эволюционируют на протяжении десятков, сотен или даже тысяч поколений, пока не научатся эффективно извлекать ресурсы из организма. Если это действительно так и многие поколения колоний раковых клеток соревнуются друг с другом в эффективной эксплуатации организма, то сложные фенотипы на уровне колоний могут эволюционировать на протяжении всех этих поколений. Например, колонии могут быть подвержены устойчивому давлению отбора, способствующему развитию у них способностей к скоординированному обходу иммунной системы, эффективному ангиогенезу для получения ресурсов, совместной выработке факторов роста, а также отправке клеточных «экспедиций» для образования новых метастазов, которые смогут продолжить каскад.

Ко всему прочему, сложно сказать, сколько крошечных метастазов могут конкурировать между собой на ранних этапах. Я уже говорила о том, что раковые клетки, покинувшие первичную опухоль в самом начале ее развития, могут иногда порождать метастазы гораздо позже. Нам также известно, что крупные опухоли могут подавлять рост более мелких, однако до сих пор неясно, насколько большими они должны быть, чтобы монополизировать питательные ресурсы и вырабатывать факторы, необходимые для доминирования над всеми остальными образованиями в организме-носителе. Эксперименты на животных могут в будущем дать ответы хотя бы на некоторые из этих вопросов. Данные об экспрессии генов помогут больше узнать о факторах, вырабатываемых колониями раковых клеток в рамках конкуренции друг с другом. Такие сведения будут важны для того, чтобы понять, какие виды коллективных фенотипов могут появляться при раке. Проблема в том, что, исходя из этой информации, мы не сможем предсказать конкретные коллективные фенотипы колоний раковых клеток, эволюционирующих в экосистеме организма-носителя: слишком много запутанных взаимодействий происходит между клетками и микроокружением опухоли, которые оказывают на это влияние. Причем оба эти фактора – количество колоний клеток и их коллективные фенотипы – будут влиять на силу отбора колоний раковых клеток в пользу более эффективного образования метастазов.

По мере того как мы все больше узнаем о генетике и эволюции метастазов, перед нами открывается захватывающая и, возможно, тревожная картина: колонии метастатических клеток могут эволюционировать сами по себе. Полученные данные говорят о том, что в процессе образования метастазов возникает метапопуляционная структура, в рамках которой отбор может происходить в пользу колоний, наиболее эффективных в метастазировании. Они могут порождать метастатические каскады колоний клеток, наиболее эффективно эксплуатирующих организм-носитель. Клеточные колонии могут быть самостоятельными единицами многоуровневого отбора – это означает, что по мере развития опухоли они, эволюционируя, могут становиться все более эффективными в образовании метастазов.

Если по мере развития рака действительно имеет место многоуровневый отбор, в котором предпочтение отдается максимально сотрудничающим клеточным колониям, это может объяснить, почему любую опухоль со временем становится все сложнее лечить. Если раковые клетки могут пожинать плоды межклеточного сотрудничества, формируя колонии, которые могут выживать и процветать по всему организму, то избавиться от них действительно очень трудно. Если метастазирование является результатом появления сотрудничающих колоний раковых клеток, это поможет объяснить, почему не было найдено ни одного гена, отвечающего за образование метастазов. Идея о том, что метастазирование является результатом сотрудничества в рамках колоний раковых клеток, остается спорной, однако в будущем более совершенные технологии непременно позволят нам проверить, действительно ли колонии раковых клеток в ходе своей эволюции учатся многоклеточному сотрудничеству, а также разработать на основе полученных знаний более совершенные методы лечения рака.

Для эффективного лечения опухолей, давших метастазы, необходимо для начала более тщательно эти метастазы изучить. Подход к лечению напрямую зависит от понимания рака, а в наших знаниях, очевидно, до сих пор зияют огромные дыры. Мы видели, как может происходить многоуровневый отбор по мере развития рака (при условии достаточно высокой наследуемости на уровне колоний). Отсюда вытекает одно очень важное следствие: если рак действительно прогрессирует в результате естественного отбора среди метастатических колоний, то удаление первичной опухоли не может остановить метастатический каскад (более того, имеются данные о том, что удаление первичной опухоли порой может только навредить пациенту). Если движущей силой метастазирования является сотрудничество между клетками, то, возможно, имеет смысл сосредоточить усилия на нарушении сотрудничества/координации в метастазах, чтобы остановить их рост и образование дочерних метастазов. Я вернусь к этой и связанным с ней идеям в заключительной главе книги.

Побочные продукты, случайности и другие объяснения сотрудничества

До сих пор наше внимание было сосредоточено лишь на одном из возможных объяснений эволюции сотрудничества между раковыми клетками в колониях, согласно которому оно становится результатом естественного отбора. Между тем мы не можем обойти стороной и два других потенциальных мотива: 1) сотрудничество между раковыми клетками могло возникнуть в качестве побочного продукта других функций клеток, и 2) сотрудничество между раковыми клетками могло стать результатом банальной случайности.

Сотрудничество считается побочным продуктом эволюции, если оно появляется как следствие адаптации, возникшей по каким-то другим причинам. В случае с раковыми клетками взаимодействие могло бы стать побочным продуктом например, подвижности клеток, способности к колонизации или обходу иммунной системы. Некоторые из функций, необходимых клетке для эффективного выживания и колонизации, могут сами по себе приносить пользу соседние клеткам. Так, создание новой экологической ниши или улучшение условий среды обитания приводит к появлению общественного блага, которое может быть использовано соседями. Если клетка производит факторы, разрушающие внеклеточный матрикс, тем самым открывая себе путь для более эффективной инвазии, то другие клетки могут просто двинуться следом по проторенной дороге (подобно тому, как люди могут свободно перемещаться по прорубленной кем-то до них лесной просеке). Кроме того, клетки, посылающие сигнал к созданию новых кровеносных сосудов, могут привлекать ресурсы, которые также доступны соседним клеткам. Вполне возможно, что часть наблюдаемых примеров сотрудничества между раковыми клетками стали побочным эффектом действий отдельных клеток в собственных интересах.

В некоторых случаях побочная выгода может оказаться двусторонней, приводя к ситуации, напоминающей скоординированное сотрудничество, которое на деле может быть совпадением. Так, если две популяции раковых клеток с разными мутациями (скажем, одна производит фактор роста, а другая – фактор, способствующий инвазии) случайно окажутся рядом, то в итоге они могут начать приносить пользу друг другу без какой-либо активной координации или условной взаимности. Такую ситуацию называют побочным мутуализмом. В суровых условиях среды, где сложно выжить без производства подобных факторов, вероятность побочного мутуализма становится еще выше, так как недобросовестное поведение перестает быть жизнеспособной клеточной стратегией. Подобная побочная выгода, вероятно, в некоторых случаях действительно может объяснять наблюдаемое нами сотрудничество между раковыми клетками внутри опухоли, однако этот процесс в конечном счете может стать частью естественного отбора – скажем, если клетки, приносящие выгоду друг другу, будут чаще взаимодействовать друг с другом в результате пространственной близости или других факторов, способствующих положительной ассортативности, в результате чего контактирующие клетки получат эволюционное преимущество перед клетками-нахлебниками.

В любой построенной на сотрудничестве группе нахлебники неизменно оказываются в более выгодном положении, так что сотрудничество раковых клеток – когда оно возникает – подвержено угрозе недобросовестного поведения. Это одна из причин, по которым мы изначально так подвержены раку: клетки нашего тела в результате своей эволюции учатся вести себя недобросовестно и использовать преимущества многоклеточного сотрудничества. Между тем преимущество, которое недобросовестные клетки получают перед сотрудничающими, в конечном счете может подорвать и сотрудничество между самими раковыми клетками.

Это говорит о том, что все скопления сотрудничающих раковых клеток могут быть недолговечными при отсутствии механизмов поощрения такого сотрудничества. Без таких механизмов взаимодействие будет лишь временным явлением. Это приводит нас к нулевой гипотезе эволюции сотрудничества между раковыми клетками: оно способно возникать в результате случайных процессов, например генетического дрейфа. После этого связь может оказаться невыгодной в популяции раковых клеток. Такой возможный сценарий – случайно возникающего и в итоге недолговечного контакта раковых клеток – является разумной отправной точкой для объяснения эволюции сотрудничества между раковыми клетками, если, конечно, у нас отсутствуют другие данные.

С другой стороны, даже если сотрудничество между раковыми клетками носит лишь случайный и временный характер, вполне логично, что оно все же оказывает важное влияние на развитие опухоли. Так, мы уже видели, насколько важно взаимодействие между раковыми клетками для успешной инвазии и метастазирования – процессов, которые открывают раковым клеткам новые среды обитания для колонизации. Если сотрудничество раковых клеток облегчает инвазию и метастазирование, оно может серьезно влиять на развитие рака – даже если и является недолговечным и прекращается после того, как раковые клетки колонизировали новую среду обитания.

Если сотрудничество раковых клеток и будет лишь временным, его появление в критически важные моменты может позволить раковым клеткам проникать в новые ткани и распространяться по всему организму. Известно, что раковые клетки могут прибегать к сотрудничеству и координации для вторжения в новые ткани. Так, например, используя электрические и химические сигналы, они могут перемещаться небольшими группами или даже «паровозиком» проходить через ткани и оболочки. Кроме того, клеточным скоплениям чаще удается успешно колонизировать новые области организма, чем отдельным клеткам. Таким образом, даже недолговечные сотрудничающие группы раковых клеток могут стимулировать развитие опухоли, оказав значительное влияние на экосистему и здоровье многоклеточного организма-носителя.

ЕСТЬ ОСНОВАНИЯ ПОЛАГАТЬ, ЧТО СОТРУДНИЧЕСТВО РАКОВЫХ КЛЕТОК МОЖЕТ БЫТЬ ВОВСЕ НЕ ТАКИМ УЖ СЛУЧАЙНЫМ И ВРЕМЕННЫМ ЯВЛЕНИЕМ.

Мы уже познакомились с некоторыми механизмами отбора в пользу него (такими как генетическое родство и повторяющиеся взаимодействия), которые могут быть реализованы у раковых клеток. Кроме того, вполне вероятно, что метастазы участвуют в многоуровневом отборе, который благоволит колониям раковых клеток, более эффективно справляющимся с ростом, выживанием и соперничеством с другими метастазами.

Микробное регулирование

До сих пор мы говорили о том, как сотрудничество между раковыми клетками может давать им эволюционное преимущество в рамках экосистемы организма. Но существует и другая важная составляющая экосистемы – микробиом. Под ним подразумеваются все микроорганизмы – включая бактерии, дрожжи и вирусы, которые обитают внутри и снаружи нас.

МИКРОБЫ БЫЛИ ОБНАРУЖЕНЫ ВНУТРИ ОПУХОЛЕЙ И ВОКРУГ НИХ, И ИМЕЮТСЯ СВИДЕТЕЛЬСТВА О ТОМ, ЧТО НЕКОТОРЫЕ МОГУТ СПОСОБСТВОВАТЬ РАЗВИТИЮ РАКА, В ТО ВРЕМЯ КАК ДРУГИЕ МОГУТ ПОМОЧЬ ОТ НЕГО ЗАЩИТИТЬСЯ.

Если говорить в целом, микробиом можно рассматривать в качестве еще одного потенциального действующего лица в драме о многоклеточном сотрудничестве и недобросовестном поведении. Он может способствовать как взаимодействию между клетками, так и его разрушению. Некоторые микробы приносят пользу человеку, поддерживая здоровье. Они защищают нас от болезни, помогают усваивать питательные вещества и даже вероятно снижают риск воспалительных процессов и депрессии. Можно сказать, что они сотрудничают с нами, их многоклеточным носителем, в результате чего в выигрыше оказываются обе стороны. Интересы же других микробов – например, тех, что вызывают различные инфекционные заболевания, – обычно не совпадают с нашими. Они процветают, эксплуатируя наш организм – используя ресурсы ради собственного выживания и размножения.

Патогенные микробы могут подрывать наше здоровье разными способами. Один из них – увеличение риска развития рака.

Примерно от 10 до 20 всех случаев рака у человека связаны с определенными микроорганизмами, а насчет многих других микробов (равно как и многоклеточных паразитов) есть подозрения, что они также играют свою роль в развитии рака, пускай и не всегда напрямую. Причем касается это не только людей – многие виды рака в мире дикой природы также связаны с микробными инфекциями. В некоторых случаях микроорганизмы могут получать прямую выгоду от пролиферации раковых клеток, если те создают для них какие-то благоприятные условия своей жизнедеятельностью. В идеале наши микробы должны сотрудничать со здоровыми клетками организма, помогая поддерживать здоровье и защищая нас от рака. Но что происходит, когда микробы начинают сотрудничать с предателями?

Раковые клетки и микробы могут взаимодействовать между собой, объединяя усилия для более эффективной эксплуатации многоклеточного организма. Такое межвидовое сотрудничество может развиваться просто в результате ассортативности – предпочтительного взаимодействия сотрудничающими единицами между собой, – о которой я уже говорила ранее в этой главе.

Как же именно микробы увеличивают риск развития рака своим сотрудничеством с раковыми клетками? Некоторые, такие как вирус папилломы человека (ВПЧ), в этом плане довольно прямолинейны: они проникают в клеточное ядро и стимулируют пролиферацию клетки, тем самым увеличивая риск развития рака, отчасти влияя на белок p53. В результате и вирус, и клетка делают больше своих копий. Есть и другие пути: некоторые микробы, к примеру, производят повреждающие ДНК вещества или же факторы вирулентности, стимулирующие пролиферацию клеток. Кроме того, микробы и раковые клетки могут вырабатывать факторы роста друг для друга, а также обладают способностью укрывать друг друга от иммунной системы. Но даже на этом список не заканчивается: микробы могут помогать раковым клеткам проникать в ткани и образовывать метастазы за счет производства токсинов, придающих раковым клеткам подвижность, а также производства специальных молекул, способствующих метастазированию.

С другой стороны, некоторые микробы защищают нас от рака, и какие-то даже используются в лечении онкологических заболеваний уже более 100 лет – их продолжают применять и по сей день. (Так, например, врачи используют бактерию Mycobacterium bovis (ту самую, которая входит в вакцину от туберкулеза (БЦЖ)) в лечении рака мочевого пузыря.) Микробы и продукты их жизнедеятельности могут помогать в лечении рака множеством способов, включая активацию иммунной системы, провоцирование клеточной смерти и ингибирование роста новых кровеносных сосудов. Микробы также могут влиять на успех противоракового лечения – эксперименты показали, что мыши с нетронутым комменсальным микробиомом^[18] лучше реагируют на лечение, чем те, которым давали антибиотики.

Микробы могут усиливать барьерную функцию кишечника, улучшать иммунную функцию, ингибировать пролиферацию клеток, а также помогать регулировать обмен веществ (рис. 6.3).

Рисунок 6.3. Микробы способны оказывать влияние на многие аспекты развития рака, в одних случаях способствуя ему (слева), а в других – защищая от него организм (справа). Болезнетворные микробы могут вызвать повреждения ДНК и нарушение структуры ДНК, усиливать воспаление, а также нарушать нормальную барьерную функцию кишечника. Полезные микробы, с другой стороны, способны усиливать барьерную функцию кишечника, улучшать иммуномодуляцию и помогать регулировать клеточный обмен веществ. Полезные микробы также могут обеспечивать важными питательными веществами и факторами клетки эпителия, тем самым улучшая их работоспособность, сокращая повреждения ДНК и помогая сохранять метилирование ДНК.

Ряд исследований указывает на то, что пробиотики и пребиотики могут способствовать профилактике рака у людей: метаанализ показал, что употребление большого количества клетчатки (которая является пребиотиком, так как ей питаются полезные микроорганизмы) связано с пониженным риском рака толстой кишки – исследования в этой области начались недавно, и не во всех был обнаружен этот защитный эффект, однако эти данные заслуживают внимания. Эта область исследований активно развивается, и на нее возлагают большие надежды.

Если мы научимся эффективной профилактике и лечению рака с помощью пребиотиков и пробиотиков, то сможем улучшить здоровье человека, избавив его при этом от токсичной нагрузки современных противораковых терапий, не говоря уже об огромной экономии денег.

У микробов также могут наблюдаться различные условные реакции на информацию, получаемую от нашего организма. Так, они могут включать гены вирулентности в ответ на нехватку питательных веществ. Необходимо проделать еще немало работы, чтобы понять, какую именно роль обработка информации играет в создании и поддержании сотрудничества между клетками человеческого организма и нашим микробиомом – другими словами, наблюдается ли между ними какая-то «взаимность». Как бы то ни было, уже не вызывает сомнений, что контакт между нормальными клетками и микробиомом является важнейшим фактором здоровья и что в некоторых случаях развитие рака сопровождается активным сотрудничеством между раковыми клетками и микробами внутри нашего организма.

Некоторые клональные экспансии способны остановить рак

На страницах этой книги я постоянно говорю о том, что недобросовестное поведение может давать раковым клеткам эволюционное преимущество перед нормальными и приводить к их клональной экспансии. Между тем новые исследования указывают и на другие возможные причины формирования клональных экспансий – некоторые из них могут защищать нас от рака.

Мы уже говорили о том, как в течение нашей жизни накапливаются мутации, часть которых может увеличивать риск развития рака. На самом деле у каждого из нас имеются участки кожи с клональными экспансиями клеток, несущими в себе злокачественные мутации – вроде мутаций в гене TP53. Вплоть до недавнего времени исследователи предполагали, что мутации, обнаруживаемые в клональных экспансиях, являются наиболее вероятными движущими факторами развития рака. Так, например, мутации гена, кодирующего рецептор NOTCH1 (этот белок участвует в передаче сигналов между клетками и задействован во многих ее функциях), наблюдаются примерно у 10 % пациентов с раком пищевода. Исследователи предполагали, что эти мутации, скорее всего, способствуют развитию данного вида рака. Так было до тех пор, пока Иниго Мартинкорена, специалист в области биоинформатики и эволюционной геномики, не осознал, что этому анализу кое-чего недостает, а именно – измерения уровня мутаций в нормальных, здоровых клетках. Чтобы действительно понять, способствуют ли подобные мутации развитию рака, было необходимо продемонстрировать, что они чаще встречаются в опухолях, чем в здоровых тканях.

Вместе с коллегами Мартинкорена провел генетический анализ 844 образцов ткани пищевода от покойных доноров, у которых в анамнезе не было никаких данных о раке пищевода: он хотел понять, как часто такие мутации встречаются в нормальной, здоровой ткани. К своему удивлению, Мартинкорена обнаружил, что мутации гена NOTCH1 встречались гораздо чаще: их содержали от 30 до 80 % образцов здоровой ткани пищевода, по сравнению с 10 % образцов опухолей пищевода, по данным предыдущих исследований. Такой же результат – более высокий уровень мутаций гена NOTCH1 в здоровых тканях пищевода – впоследствии удалось получить и другим ученым. Эти данные говорят о том, что клональные экспансии, несущие в себе NOTCH1-мутации, на самом деле могут обеспечивать защиту от рака пищевода. И действительно, в рамках все того же исследования Мартинкорена вместе с коллегами обнаружил, что мутации гена TP53 в нормальных тканях пищевода встречались редко, в то время как при раке они наблюдались повсеместно (в 90 % образцов). Вполне возможно, что клональные экспансии, несущие в себе NOTCH1-мутации, буквально занимали место в тканях, усложняя разрастание клональных экспансий с мутациями в гене TP53.

Эти результаты важны сразу по нескольким причинам. Во-первых, они вынуждают нас по-новому взглянуть на связь рака и клональных экспансий. Нельзя просто исходить из того, что все клональные экспансии вредят организму, равно как и делать выводы, что распространенные при раке мутации являются сами по себе канцерогенными. Работа Мартинкорены говорит о том, что некоторые клональные экспансии на самом деле могут приносить организму пользу, а некоторые мутации – обеспечивать дополнительную защиту от рака.

Это делает возможным один любопытный сценарий: наши многоклеточные организмы могли научиться в ходе своей эволюции «целенаправленно» создавать клональные экспансии, чтобы предотвращать распространение раковых клеток. Эта идея была выдвинута специалистом по биологии рака Джеймсом Дегрегори и его коллегой Келли Хига. Они предположили, что NOTCH1-мутации могут занимать так называемые «отвлекающие вершины приспособленности» – локальные вершины на ландшафте приспособленности^[19], которые предотвращают эволюцию клеточных популяций в более опасном для организма направлении. Они утверждают, что это может быть частью «программы» по минимизации риска развития рака, сформировавшейся у многоклеточных организмов в результате их эволюции. Представьте себе армию, которая в качестве превентивной меры занимает свободную территорию, чтобы этого не сделал кто-то другой, – именно это по предположению Дегрегори и Хига может происходить с NOTCH1-мутациями. Причем это не единственный пример, когда клональные экспансии защищают нас от угроз – как мы видели в четвертой главе, в результате соматической эволюции в нашей иммунной системе образуются колональные экспансии иммунных клеток, помогающих бороться с инфекциями и раком.

Раз клональные экспансии иногда помогают нам защищаться от рака, это открывает для нас новый подход к профилактике, определению риска и лечению онкологических заболеваний. Так, мы могли бы специально выращивать доброкачественные группы клонов с целью профилактики рака или его рецидива после лечения. Кроме того, можно было бы исследовать существующие доброкачественные клональные экспансии для оценки риска перерождения и улучшения мониторинга предраковых состояний.

Если наш организм в результате эволюции действительно приобрел способность генерировать такие профилактические клональные экспансии, то какие именно механизмы могли бы лежать в ее основе? Одним из них могло бы стать появление «горячих точек» мутаций – областей генома, склонных мутировать первыми из-за повышенной восприимчивости к повреждениям ДНК в моменты клеточного стресса. Многоклеточные организмы в ходе своей эволюции могли обзавестись такими точками, способными генерировать клональные экспансии, которые бы занимали место, чтобы оно не досталось куда более опасным мутантам. Мутации могут быть спровоцированы различными стрессами на клеточном уровне, например, повреждениями ДНК. Некоторые клональные экспансии могут быть результатом работы адаптивной системы подавления рака, использующей этот процесс для нашей защиты.

Нечто подобное происходит и с полезными микробами в организме: некоторые из них занимают определенные экологические ниши внутри и снаружи нашего тела, тем самым вытесняя оттуда болезнетворные микроорганизмы.

Эгоистичные гены в эволюции рака

Другими важными действующими лицами злокачественной драмы являются гены внутри клеток – в частности, эгоистичные генетические элементы, такие как транспозоны. На протяжении всей книги в качестве основных единиц естественного отбора, происходящего внутри многоклеточного организма в течение его жизни, я рассматривала прежде всего отдельные клетки. Ранее в этой главе я упоминала, что иногда отбор может происходить на уровне целых колоний раковых клеток. Теперь же давайте пойдем в другую сторону и разберем, как естественному отбору могут быть подвержены отдельные гены, и какую роль они могут играть в эволюции рака.

В четвертой главе мы узнали, как различные интересы отца и матери могут проявляться через эпигенетические процессы: экспрессия отцовских генов способствует росту, а экспрессия материнских его сдерживает. Этот внутригеномный конфликт может оказывать влияние на риск развития рака, однако другие подобные конфликты внутри генома могут действовать иначе.

Если рассматривать более общий случай, гены водного организма иногда могут преследовать противоположные цели, способствуя своей собственной репликации за счет клетки или меняя уровень экспрессии генов в клетке таким образом, чтобы улучшить свою приспособленность. Подобно тому как организмы при переходе к многоклеточной жизни обзавелись в результате эволюции механизмами сдерживания недобросовестных клеток, в геноме появились механизмы сдерживания недобросовестного поведения уже на уровне генов, когда состоялся переход от свободного самовоспроизведения одной молекулы ДНК к ее скоординированной репликации в составе поделенного на хромосомы генома. Это был один из важнейших переходов в эволюции жизни на Земле – он сделал возможным появление сотрудничества и координации между генами в рамках генома, что, в свою очередь, сделало возможным развитие у клеток сложного поведения, невозможного со свободноплавающими фрагментами ДНК.

Между тем данное сотрудничество на уровне генома никоим образом не идеально. Даже в нормальной клетке фрагменты ДНК могут вставляться и вырезаться из генома. Некоторые и вовсе способны к самостоятельной репликации, не дожидаясь, когда будет скопирован весь геном целиком. Более того, существуют транспозоны – мобильные генетические элементы, которые могут копировать себя и перемещаться по геному, вставляя в его новые участки эти копии (транспозоны копируют себя напрямую, после чего вставляют свои копии обратно в геном; ретротранспозоны сначала записываются в РНК, и уже оттуда переносятся обратно в ДНК). По словам эволюционных биологов Джонатана Фезерстона и Пьерра Дюрана, подвижные генетические элементы «являются функциональными аналогами предполагаемых древних репликаторов, которые сотрудничали для формирования примитивных геномов, кодирующих белки», и, следовательно, их копирование в обход клеточных ограничений по сути является проявлением «недобросовестного поведения» в процессе репликации ДНК на клеточном уровне. Они представляют собой регресс к образу жизни, существовавшему до появления генома, равно как и раковые клетки можно назвать регрессом к одноклеточному образу жизни.

Транспозоны и ретротранспозоны составляют огромную часть – почти половину – нашего генома. Как они здесь очутились? Главная причина заключается в том, что они достигли совершенства в самовоспроизведении. Наш геном в ходе своей эволюции «научился» держать эти подвижные элементы под контролем, отчасти за счет все тех же эпигенетических механизмов, что отключают гены – это дает геному не потерять своего функционала, поскольку такие эгоистичные фрагменты ДНК изо всех сил стараются сделать как можно больше своих копий. Неудивительно, что нарушения эпигенетических процессов, наблюдаемые в геномах раковых клеток, приводят к нарушению нормального контроля этих транспозонов, что может приводить к еще большим изменениям генома по мере их бесконтрольного распространению по геному раковых клеток.

На данный момент нам неизвестно, какое влияние эти мобильные генетические элементы внутри генома способны оказывать на восприимчивость к раку. Тем не менее уже полученные данные указывают на то, что они могут играть куда более важную роль, чем считалось ранее. Согласно ряду исследований, они могут вызывать повреждения генома, «нарушение регуляции репликации генома или клеточного цикла [и] нарушение сотрудничества между клетками», причем нарушения экспрессии в участках генома, содержащих мобильные генетические элементы, наблюдаются во многих видах рака.

Учитывая то, как характерные признаки рака соотносятся с недобросовестным поведением в рамках многоклеточного сотрудничества, можно было бы ожидать, что некоторые характеристики болезни являются результатом недобросовестного поведения не только на уровне клеток, но и на уровне генома. Возможно, развитию некоторых видов рака способствуют недобросовестные фрагменты ДНК, в то время как другие обусловлены главным образом недобросовестными клетками. По мере получения новых данных о недобросовестных фрагментах ДНК и проведения новых исследований в этой области мы сможем с большей уверенностью ответить на вопрос о том, какую именно роль они могут играть в развитии рака.

Так, фрагменты ДНК, которые копируют себя вне хромосом, могут быть логичными претендентами на роль недобросовестных ДНК, способствующих раку. Само присутствие ДНК за пределами хромосом говорит о том, что эти фрагменты уже смогли обойти контроль репликации ДНК на уровне генома и могут «свободно копировать себя или вовсю заниматься нахлебничеством», как это сформулировали Фезерстон и Дюран. К сожалению, большинство методов патологических исследований и секвенирования генома, используемых в настоящее время, не позволяют нам установить наличие и обнаружить фрагменты ДНК вне хромосом^[20]. Эти методики либо и вовсе оставляют внехромосомные последовательности ДНК (фрагменты ДНК, свободно плавающие в клеточном ядре) без внимания, либо ошибочно предполагают, что они являются частью какой-то хромосомы. Поскольку мы не можем увидеть эту внехромосомную ДНК при использовании стандартных методов секвенирования, нет никакой возможности понять, связана ли она как-либо с развитием рака.

Исключением стало одно исследование, проведенное Полом Мишелем и его коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Мишель – доброжелательный и прогрессивный врач и исследователь в области медицины, который не боится применять свой развитый интеллект, чтобы ставить под сомнение общепринятые научные взгляды. Вместе с коллегами он занимался изучением роли внехромосомной ДНК в развитии глиобластомы – разновидности раковой опухоли головного мозга. Мне посчастливилось присутствовать, когда Мишель рассказывал о полученных результатах на одном семинаре по эволюции рака. Он сообщил, что удалось обнаружить в исследованных образцах крошечные частички внехромосомной ДНК. Она была найдена примерно в половине всех образцов опухоли мозга, в то время как почти не встречалась в нормальных клетках. Причем эта внехромосомная ДНК содержала дополнительные копии онкогенов (генов, связанных с развитием рака) – это говорит о том, что такая ДНК может быть не просто связана с болезнью, а являться причиной развития рака.

После выступления Мишеля мы с ним обсудили вероятность того, что эти фрагменты внехромосомной ДНК представляют собой эгоистичные генетические элементы, а также поговорили о том, какие последствия это может нести для общей картины эволюции рака. Как по мне, это один из самых захватывающих открытых вопросов об эволюции рака. Если рак действительно может становиться следствием естественного отбора на уровне генов в пользу эгоистичных генетических элементов, способных к самостоятельному размножению, то придется пересмотреть большую часть теории, лежащей в основе науки об эволюции рака. Если эгоистичные генетические элементы действительно играют свою роль в развитии рака, то мы вынуждены будем также разработать более совершенные инструменты и методы их обнаружения и измерения. На данный момент принято считать, что рак является результатом эволюционных преимуществ, которые получают клетки, освободившиеся от власти системы – многоклеточного организма – и научившиеся бесконтрольно размножаться и расходовать ресурсы. Работа же Мишеля указывает на то, что рак может развиваться из-за генов, которым удается вырваться на свободу из хромосом и начать свое бесконтрольное размножение за их пределами.

Таким образом, недобросовестное поведение может быть свойственно не только самим раковым клеткам, но и генам внутри их. Аналогично, как мы уже видели в этой главе, сотрудничество возможно не только среди нормальных клеток, но и среди раковых, которые прибегают к нему для более эффективной эксплуатации организма-носителя.

Если рассматривать рак в контексте экологии организма, то не остается никаких сомнений, что сотрудничество между раковыми клетками может способствовать развитию рака. Это иронично, если учесть, что изначально рак появляется как результат нарушения честного поведения в многоклеточном сообществе. Судя по всему, на нем одном раковым клеткам просто далеко не уехать: вполне вероятно, что именно сотрудничество позволяет им добиваться большего – покидать первичную опухоль, проникать в новые ткани и образовывать метастазы. Кроме того, контакт может позволить раковым клеткам делать то, чего поодиночке им было бы просто невозможно добиться: например, разделять труд, прорываться через оболочки и ткани организма, а также выживать в суровых условиях. Кооперирующие раковые клетки могут представлять для нас еще большую опасность, чем просто недобросовестные раковые. Нарушение сотрудничества между раковыми клетками может стать важнейший инструментом в лечении рака, особенно на поздних стадиях его развития, когда сотрудничество между раковыми клетками наиболее вероятно.

Различные эволюционные подходы – в том числе нарушение сотрудничества между раковыми клетками – могут помочь нам более эффективно сдерживать рак в клинических условиях. В следующей главе мы поговорим о том, как эволюционный и экологический подходы могут помочь нам взять рак под контроль.

7
Как взять рак под контроль

На протяжении всей своей истории человечество расширяло контроль над окружающим миром. Мы научились строить укрытия для защиты от непогоды, создавать инфраструктуру доставки энергии и воды, выращивать растения и животных, чтобы иметь стабильный запас пищи. Большая же часть нашего внутреннего мира до сих пор остается вне контроля.

По мере того как развивается рак, наш организм словно восстает сам против себя. Все методы проверки, появившиеся у организма в ходе эволюции для регулирования клеточных циклов, клеточного метаболизма, клеточного движения – все они могут выйти из строя или дать сбой. При лечении рака мы пытаемся вернуть контроль над внутренним миром пациента, однако сделать это гораздо сложнее, чем кажется. Внутренний мир представляет собой сложную экологическую среду, в которой обитают эволюционирующие популяции клеток, и сам рак тоже постоянно эволюционирует, даже в ответ на применяемые методы лечения. Тем не менее размышления об эволюционной и экологической природе рака могут помочь нам лучше понять его природу и, возможно, даже разработать новые, более эффективные методы его лечения и сдерживания.

В 1972 году, всего через год после подписания Национального закона о борьбе с раком, Ричард Никсон подписал указ о новой национальной политике в сельском хозяйстве под названием «комплексная борьба с вредителями». В предыдущие десятилетия фермеры опрыскивали посевы различными химическими веществами, такими как дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ), чтобы контролировать популяции насекомых и защищать поля от вредителей. Активное распыление ДДТ, однако, имело непредвиденные последствия для экосистем и человеческого здоровья, включая сокращение популяций птиц и рост заболеваемости раком у людей.

Эта новая национальная политика была принята вслед за выходом книги Рэйчел Карсон «Тихая весна», оказавшей огромное влияние на общественное сознание, а также благодаря общей растущей осведомленности об опасности пестицидов. Такие химические вещества, как ДДТ, не только наносят ущерб окружающей среде и здоровью человека: как оказалось, их эффективность носит краткосрочный характер. Со временем у насекомых выработалась устойчивость, в результате чего химикаты стали бесполезны. В случае с ДДТ естественный отбор шел в пользу вредителей с мутациями, меняющими регуляцию своих натриевых каналов, что делало их устойчивыми к ДДТ. Вредителям, которые приспособились выводить из организма ДДТ за счет стимуляции путей детоксикации, удавалось избежать вредного воздействия яда.

Комплексная борьба с вредителями подразумевала долгосрочный подход к контролю сельскохозяйственных вредителей, главной целью которого было не допустить у них формирования устойчивости к пестицидам. Одна из главных идей состояла в том, что устойчивость была связана с определенными издержками для их организма. Так, в отсутствие пестицидов особи, у которых сформировалась устойчивость, оказываются в невыгодном положении. Таким образом, первой стратегией комплексной борьбы с насекомыми было попросту ничего не делать, а действовать только когда ущерб, полученный от вредителей, достигает критического значения. Вторая стратегия – это сокращение количества вредителей за счет химической обработки, которая снизит их численность до порогового значения, когда они не способны нанести большого вреда. Комплексная борьба с вредителями предполагает, что в популяции уже присутствует определенный процент устойчивых к химикатам особей. Считается, что, если применить слишком большие дозы или слишком часто опрыскивать поля, все восприимчивые к пестицидам вредители вымрут и останутся лишь устойчивые к ним насекомые, в результате чего долгосрочный контроль вредителей окажется невозможным. При комплексной борьбе с вредителями такая вероятность учитывается: используются низкие дозировки пестицидов, не способные уничтожить всех восприимчивым к ним насекомых, однако позволяющие осуществлять долгосрочный контроль над популяцией.

Концепция комплексной борьбы с вредителями вдохновила Боба Гатенби, радиационного онколога и специалиста по биологии рака из онкологического центра Моффита в Тампе, штат Флорида, на разработку нового подхода к лечению рака. Когда Гатенби узнал, что для предотвращения развития у насекомых-вредителей устойчивости к пестицидам, их попросту оставляют в покое, он решил попробовать данный подход и в противораковой терапии. Гатенби начал разрабатывать эту идею в 2008 году, на собственные средства организовав доклиническое исследование в университете Аризоны (где на тот момент был заведующим кафедрой радиологии), и с тех пор работал над применением этих почерпнутых из комплексной борьбы с вредителями идей в лечении рака (теперь с финансовой поддержкой в виде грантов, получаемых от Национального института рака и других организаций).

Как и в случае с пестицидами, самой большой проблемой в лечении рака является развитие резистентности. В процессе лечения раковые клетки эволюционируют и перестают реагировать на применяемые методы, которые в итоге попросту теряют эффективность. Развитие устойчивости к химиотерапии становилось проблемой при использовании вообще всех опробованных для этого препаратов, а также различных видов таргетной терапии, такой как блокада рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) и рецептора эпидермального фактора роста человека 2 (HER2). Совместно с коллегами Гатенби разработал революционный подход к лечению рака, целью которого является не ликвидация опухоли, а долгосрочный контроль ее роста. Как и в случае с комплексной борьбой с вредителями, данный подход направлен на снижение приносимого опухолью вреда с сохранением у раковых клеток восприимчивости к лечению, чтобы один и тот же препарат можно было использовать неограниченно долго, обеспечив при этом защиту окружающей среде (в данном случае организму пациента).

Подход Гатенби называется адаптивной терапией, что отражает главную идею: сама терапия меняется в ответ на поведение опухоли, адаптируется к ней. При адаптивной терапии за опухолью осуществляется пристальное наблюдение посредством различных методов визуализации или анализов крови, а затем выбирается подходящая дозировка. Существует несколько алгоритмов обработки поступающей информации об опухоли, однако общий принцип таков: подобрать такую дозировку, при которой опухоль оставалась бы стабильной и такого размера, чтобы не причинять пациенту сильного вреда. По сути, это аналог комплексной борьбы с вредителями, только для рака.

Конкретные алгоритмы адаптивной терапии несколько варьируются от исследования к исследованию, однако цель процесса одинакова. Прежде всего опухоль подвергают воздействию относительно высокой дозы препарата, чтобы уменьшить размер (это также приводит к уменьшению популяции раковых клеток, что замедляет дальнейшую эволюцию опухоли). После этого состояние опухоли регулярно проверяется, и в зависимости от ее поведения проводится лечение противораковыми препаратами. Если она не меняет размера, доза остается прежней. Если она растет, дозировка увеличивается (до какого-то максимально допустимого предела). Если она не растет, дозировка снижается. Если размер опухоли и вовсе уменьшается ниже какого-то порогового значения, лечение приостанавливается до тех пор, пока этот пороговый размер снова не будет превышен. В альтернативной методике используется постоянная дозировка, однако введение препарата приостанавливается, как только опухоль сжимается до половины своего изначального размера.

Адаптивная терапия переворачивает общепринятый подход к лечению рака с ног на голову – вместо того, чтобы стремиться уничтожить опухоль, она позволяет ей существовать, однако превращает ее в нечто, неспособное противостоять контролю. Она превращает рак из острого, смертельного заболевания в хроническую болезнь, с которой можно жить. Приостановка лечения или снижение дозировки позволяет сохранять восприимчивые к нему, менее агрессивные клетки, благодаря чему рак можно продолжать сдерживать все тем же препаратом. Поскольку интенсивность терапии увеличивается только при росте опухоли, клетки с быстрым делением могут оказаться в невыгодном положении, и естественный отбор может идти на пользу тех, которые делятся медленно. Это, ко всему прочему, может еще и замедлить скорость эволюции раковых клеток. Адаптивная терапия, может, и не будет самым лучшим вариантом в случаях, когда высокодозное лечение способно привести к полному излечению от рака (например, в ситуации с генетически однородными опухолями, обнаруженными на ранних стадиях), однако для более поздних стадий развития опухоли, когда ее становится сложно контролировать традиционными методами, адаптивная терапия становится альтернативой высокодозной, способной – как мы убедимся далее – успешно контролировать развитие рака на более поздних стадиях.

В опубликованном в 2009 году исследовании – которое Гатенби провел на свои личные средства – он вместе с коллегами проверил эффективность адаптивного подхода с помощью ксенотрансплантации, пересаживая клетки рака яичников человека подопытным мышам, которые были поделены на три группы. Одну лечили по стандартному протоколу с применением химиотерапии (три последовательных курса высокодозного лечения), другую – по протоколу адаптивной терапии. Третья группа была контрольной и не получала никакого лечения. У мышей, которых лечили стандартными методами, опухоль поначалу уменьшалась в размере, однако несколько недель спустя вновь начала расти. У мышей же, на которых пробовали адаптивный подход, опухоль оставалась относительно стабильной на протяжении всего эксперимента. Повторный опыт дал точно такие же результаты: адаптивная терапия позволяла держать опухоли у мышей под контролем.

Гатенби и его коллеги заключили, что адаптивный подход позволил мышам «продолжать жить неопределенное время с небольшой, достаточно стабильной опухолевой нагрузкой». В двух других экспериментах ученые испытали адаптивные алгоритмы дозировки на мышах с пересаженными клетками опухоли молочной железы человека. В обоих случаях опухоли удавалось держать под контролем, постепенно понижая дозировку противоракового препарата. Также было обнаружено, что в образованиях, которые лечили с помощью адаптивной терапии, в меньшей степени был выражен некроз (омертвение тканей) и их кровоснабжение было более стабильным – это говорит о том, что адаптивная терапия, возможно, помогает стабилизировать ресурсы и угрозы в микроокружении опухоли.

Как мы уже видели в предыдущей главе, в среде обитания с более стабильными условиями отбор может идти в пользу клеток с длинным жизненным циклом. Таким образом, создавая более стабильные условия в микроокружении опухоли, мы, вероятно, тем самым способствуем эволюции менее агрессивных клеток, одновременно уменьшая силу отбора в пользу сотрудничества между раковыми клетками. Еще в предыдущей главе мы говорили о том, как нестабильная среда обитания может способствовать отбору в пользу сотрудничества между ними. Возможно, успех адаптивной терапии отчасти объясняется стабилизацией потока ресурсов и изменением давления отбора на раковые клетки не в пользу сотрудничества.

После успеха экспериментов с адаптивной терапией Гатенби решил, что пришло время опробовать ее и на людях. Этот вид терапии является не только индивидуальным, но еще и динамическим – дозировка меняется в зависимости от темпа роста раковых клеток, а также реакции опухоли на лечение у конкретного пациента. Кроме того, она может применяться с любым ныне существующим препаратом или немедикаментозным видом лечения, что упрощает его клиническое применение. Ко всему прочему, адаптивная терапия может применяться с любым методом оценки опухолевой нагрузки, от измерения размера опухоли с помощью методов визуализации, до анализа уровня простатспецифического антигена (ПСА) – биологического маркера рака представительной железы – в крови пациента.

В 2016 году Гатенби объединился с онкологом Цзинсуном Чжаном для проведения первого клинического исследования с применением адаптивной терапии. В их пилотном проекте приняли участие 11 мужчин с метастатическим раком предстательной железы, который больше не реагировал на гормональную терапию. Как правило, для пролиферации раковым клеткам необходим тестостерон, так что гормональная терапия подавляет его уровень в организме. Проблема в том, что раковые клетки учатся обходить это ограничение – часто за счет самостоятельного производства тестостерона. Таким пациентам обычно назначают препарат под названием «Абиратерон», который препятствует синтезу тестостерона – пока у раковых клеток в ходе эволюции не вырабатывается устойчивость к этому лекарству. Промежуток времени, в течение которого клетки становятся резистентными, сильно варьируется от человека к человеку. При традиционном непрерывном лечении спустя 16,5 месяца примерно у половины мужчин опухоль находится на стадии роста (16,5 месяца – это общее среднее время до начала роста опухоли; в данном исследовании не было контрольной группы). В своем исследовании в рамках адаптивной терапии Гатенби вместе с коллегами измерял опухолевую нагрузку по уровню ПСА. Они прекращали давать абиратерон, когда уровень ПСА опускался ниже половины от первоначального значения – опухоль оставляли в покое. Лечение возобновлялось лишь после того, как уровень ПСА поднимался выше первоначального значения. С помощью адаптивной терапии Гатенби удалось контролировать опухоль значительно дольше, чем это позволял стандартный протокол лечения. По состоянию на 2017 год, когда пилотное исследование Чжана и Гатенби было принято к публикации, лишь у одного из 11 пациентов наблюдался рост опухоли. Это весьма впечатляющий результат: среднее время возобновления роста опухоли у пациентов при адаптивном лечении составляло как минимум 27 месяцев, что значительно больше типичных 16,5 месяца. На самом деле реальное среднее время до возобновления роста опухоли, скорее всего, намного больше 27 месяцев (так как почти ни у кого во время исследования опухоль не начала прогрессировать, посчитать фактическое среднее время до возобновления роста опухоли пока невозможно). Ко всему прочему, мужчины, проходившие адаптивную терапию, в общей сложности получили лишь половину суммарной дозы «Абиратерона», по сравнению со стандартным протоколом лечения.

Гатенби активно работает над тем, чтобы начать клинические исследования адаптивной терапии для лечения меланомы, рака щитовидной железы и рака яичников в центре Моффита, а исследователи из других институтов – включая нашу группу из Университета Штата Аризона и клиники Майо в Аризоне – приступили к клиническим исследованиям адаптивной терапии других видов рака. Адаптивная терапия вселяет надежду на более эффективное и длительное сдерживание болезни, а также на сокращение дозировок, необходимых для этого. Кроме того, мы собираем данные о качестве жизни пациентов, чтобы формально проверить, позволяет ли адаптивная терапия его повысить.

Феникс, восстающий из пепла

Согласно мифологии, феникс сгорает в великом огне, после чего возрождается из пепла обновленным, более сильным и молодым. Эта птица, сверкающая своим огненно-красным оперением, является символом стойкости и жизни. Такую же устойчивость демонстрирует и рак по отношению ко многим применяемым к нему методам лечения.

Подобно фениксу, рак способен возрождаться из пепла, в том числе благодаря тем самым силам, которые должны были его уничтожить. Устойчивость рака – следствие его эволюционной природы: он представляет собой разрозненную популяцию клеток, которые быстро эволюционируют под действием естественного отбора. Лучевая или химиотерапия рака становятся эволюционным давлением, отбирающим клетки, которые способны их пережить. В результате в следующем поколении раковых клеток преобладают потомки тех, которым лучше всего удалось перенести примененные методы лечения. Таким образом, если в результате терапии не удается уничтожить все раковые клетки до последней (как это часто происходит), то опухоль может вырасти снова. По сути, мы своими собственными руками направляем эволюцию опухоли на наше уничтожение, хотим мы того или нет.

За последние пару десятилетий человечество достигло небывалого прогресса в лечении рака – некоторые его виды, такие как рак щитовидной железы и детский лейкоз, эффективно лечатся. По данным Американского онкологического сообщества, у некоторых видов рака чрезвычайно высокие показатели пятилетней выживаемости: почти 100 % для ранних стадий опухоли щитовидной железы и от 60 до 85 % для детского лейкоза, в зависимости от конкретного типа. Между тем в плане стратегий борьбы с раком на поздних стадиях мы зашли в тупик. Метастатический рак – это зверь, которого мы не понимаем, а устойчивый к лекарствам – еще большая загадка. Текущие методы его лечения способны разве что продлить жизнь на несколько месяцев, а некоторые исследования показывают, что паллиативная помощь (сосредоточенная на улучшении качества жизни пациентов и уменьшении боли) не менее эффективна, чем дорогостоящее и болезненное лечение, направленное на избавление от метастатического рака.

В связи с этим возникает вопрос, который был сформулирован эволюционным биологом и специалистом по инфекционным заболеваниям Эндрю Ридом: «Как мы должны лечить пациентов, если лекарственная устойчивость уже присутствует у опухоли или инфекции, а никакой альтернативы нет?» Следует ли нам продолжать применять агрессивную терапию, или же лучше рассмотреть менее опасный подход, который не приводит к столь сильному давлению отбора в пользу развития у раковых клеток резистентности? «Препараты вызывают устойчивость, а пичкая пациентов сильными лекарствами, мы просто устраняем конкурентов у клеток и микробов, которые мы не в состоянии убить», – замечает Рид. Другими словами, своим лечением мы направляем процесс эволюции внутри опухоли.

И если мы не в состоянии уничтожить агрессивным лечением все раковые клетки, то в итоге можем ненароком создать условия, создающие эволюционное преимущество для клеток, которые мы контролировать не можем.

Мы с коллегами задались вопросом: существует ли способ отличать опухоли, которые мы в состоянии успешно вылечить с помощью агрессивной терапии, от тех, которые в ходе своей эволюции научатся наши стратегии обходить? Чтобы разобраться в этом, мы провели совещание в Центре изучения генома научного фонда «Веллком Траст». В результате был установлен ряд принципов оценки эволюционного потенциала рака – так называемые Эво-индекс и Эко-индекс (рис. 7.1). «Прежде всего, важно понимать, что рак постоянно меняется, – сказал Карло Малей, руководивший встречей. – До сих пор у нас не было инструментов измерения динамики развития опухоли». Предложенные индексы Эво и Эко представляют собой рекомендации по разработке биомаркеров для классификации опухолей на основе их эволюционных и экологических характеристик.

Рисунок 7.1. Индексы Эво и Эко позволяют дать количественную оценку эволюционной и экологической динамике опухоли, которая может помочь нам более эффективно классифицировать и лечить рак. У индекса Эво (показан на рисунке) два параметра: генетическое разнообразие клеток опухоли и генетические изменения, происходящие в ней со временем. Значения обоих параметров могут быть как высокими, так и низкими, что приводит нас к делению всех опухолей на четыре основных типа в рамках данной классификации. Эти разные типы опухолей, скорее всего, будут по-разному реагировать на лечение, так что данная типология может послужить эффективным руководством для персонализированного лечения рака. Индекс Эко (здесь не показан) также имеет два параметра: доступность ресурсов и наличие опасностей, что дает нам еще четыре подкатегории для классификации. Есть надежда, что, используя эти два индекса вместе, мы научимся более эффективно классифицировать и лечить рак.

Биомаркеры помогают нам диагностировать рак и выделять группы риска – то есть определять, у каких пациентов высок риск образования метастазов. Большинство биомаркеров рака представляют собой различные молекулярные сигнатуры, такие как мутация в определенном гене или наличие определенного рецептора. Как правило, биомаркеры специфичны для определенного типа рака или же помогают получить представление о наиболее вероятных реакциях опухоли на конкретную терапию.

Традиционный патологический анализ, как правило, состоит в изучении образца опухоли под микроскопом и ее генома одновременно. Специалисты по биологии рака иногда сравнивают традиционные методы патологического исследования с попыткой понять правила футбола фотографиям – о конкретных действиях игроков остается только догадываться.

Эволюционно-экологический подход предлагает нам новый взгляд на персонализированное лечение рака. Вместо того чтобы искать различные биомаркеры, такие как конкретные мутации, и строить план лечения, основываясь на обнаруженных мутациях, индексы Эво и Эко позволят нам классифицировать (и в конечном счете лечить) опухоль на основании ее эволюционных и экологических характеристик. «С помощью индексов Эво и Эко мы пытаемся понять правила игры, измеряя динамику, эволюционные стимулы и давление отбора на клетки опухоли», – заключил Малей. Цель этих индексов – измерить ключевые эволюционные и экологические параметры опухоли, чтобы точнее предсказать ее дальнейшее развитие.

Эво-индекс включает два параметра: генетическое разнообразие опухоли и скорость генетических изменений в ней. В Эко-индексе также два параметра: ресурсы (такие как кровь) и опасности (такие как угроза уничтожения со стороны иммунной системы), присутствующие в среде обитания клеток. Вместе эти факторы могут помочь предсказать наиболее вероятный сценарий эволюции опухоли, а также, что особенно важно, как она будет реагировать на различные виды лечения.

Индексы Эко и Эво являются инструментами, которые могут помочь нам идентифицировать опухоли с различной эволюционной динамикой. Мы надеемся, что измерение этих параметров позволит разрабатывать и корректировать методы лечения, основанные на конкретной динамике конкретной опухоли, а не просто на ее статических свойствах, таких как генетический профиль в один отдельный момент времени.

КАК МЫ УЖЕ С ВАМИ ВИДЕЛИ, РАК – ЭТО ОЧЕНЬ ХИТРЫЙ И ГИБКИЙ ВРАГ, И, ЕСЛИ МЫ ХОТИМ КОНТРОЛИРОВАТЬ ЕГО, НАМ, ПОЖАЛУЙ, СЛЕДУЕТ СТАТЬ ЕЩЕ ХИТРЕЕ И ИЗОБРЕТАТЕЛЬНЕЕ.

Большинство современных видов терапии представляют собой огонь на поражение по опухоли в надежде, что от нее ничего не останется. Лечение, использующее эволюционный подход, такое как адаптивная терапия, действует куда более точечно: оно корректирует ландшафт приспособленности опухоли для изменения ее эволюционной траектории. Существует много потенциальных стратегий для контроля популяции раковых клеток за счет изменения их эволюционного пути: замедления, перенаправления и уничтожения только тех, что с наибольшей вероятностью могут принести проблемы.

При рассмотрении эволюционирующей популяции эволюционные биологи часто прибегают к концепции так называемого ландшафта приспособленности. Вершины гор на этом ландшафте соответствуют наиболее приспособленным фенотипам, а подножия и равнины – наименее приспособленным. По мере эволюции популяции она, можно сказать, поднимается в гору на ландшафте приспособленности (рис. 7.2), с каждой сохранившейся мутацией забираясь все выше.

Рисунок 7.2. Одной из причин развития рака в организме является более высокая приспособленность клеток с раковыми свойствами – таким клеткам на ландшафте приспособленности соответствует самая высокая точка. Ландшафт приспособленности – это графическое отображение траектории эволюции популяции. Со временем клетки организма накапливают мутации. Некоторые из этих мутаций позволяют клеткам перемещаться на более высокую точку ландшафта приспособленности. Эти более приспособленные клетки с большей вероятностью оставят потомство, тем самым подвинув популяцию клеток вверх на ландшафте, приблизив ее к вершине, соответствующей раку (вверху). Предотвратить развитие рака можно, изменив, например, траекторию эволюции клетки на ландшафте приспособленности или даже переделав сам этот ландшафт, за счет изменения экологии организма (внизу). Так, раковые клетки можно было бы «заманивать» на локальные вершины, тем самым не давая им подняться выше этих локальных максимумов, навсегда лишив возможности добраться до настоящей вершины – самой высокой точки всего ландшафта. Изменение ландшафта приспособленности с целью корректировки траектории эволюции рака – одна из стратегий эволюционного подхода к сдерживанию рака.

Одним из способов сдерживания рака могло бы стать целенаправленное изменение данного ландшафта – смещение вершин и равнин, – чтобы раковые клетки развивались в выгодном для нас направлении, например, их можно заманивать на «локальные вершины», чтобы они оставались относительно безвредными. Если мы сможем менять этот ландшафт приспособленности, то добьемся того, чтобы раковые клетки были менее устойчивыми к применяемым методам лечения. Мы можем сделать их менее агрессивными и отбить у них «охоту» к инвазии и образованию метастазов. Возможно, даже сумеем завести их в эволюционный тупик, или – выражаясь языком ландшафта приспособленности – направлять их к локальным максимумам, то есть посылать их забираться на небольшие холмы, чтобы они не отыскали настоящие горные вершины. Нам нужно лишь придумать, как именно придавать ландшафту приспособленности нужную форму, чтобы направить рак в желаемое место – ну или хотя бы не дать ему эволюционировать до вершины приспособленности, достигнув которой он сможет нас прикончить.

Ранее в этой главе я уже говорила о первых успехах и перспективах адаптивной терапии, подразумевающей регулирование дозировки в зависимости от состояния опухоли. Какие еще стратегии могут быть использованы нами для сдерживания рака? Можно ли использовать эволюционные и экологические принципы для разработки новых методов сдерживания рака вместо того, чтобы продолжать тщетные попытки его искоренить?

Замедление

Самая простая стратегия сдерживания рака заключается в замедлении скорости эволюции клеток, чтобы им требовалось больше времени на перемещение по вышеописанному ландшафту приспособленности. Так, если нам удастся замедлить эволюции в два раза, то клеткам потребуется в два раза больше времени, чтобы переродиться в злокачественные. Поскольку зачастую с момента появления первых мутаций до обнаружения рака уходят десятилетия, увеличение этого промежутка в два раза поможет значительно сократить уровень распространения рака.

Как же нам замедлить эволюцию? Одним из способов является снижение мутационной нагрузки, так как это уменьшает генетическое разнообразие в популяции клеток. Такой подход многообещающий: одно исследование показало, что прием нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП) в виде одной таблетки «Аспирина» для детей в день помогает снизить уровень мутаций на порядок, а ряд исследований продемонстрировал, что НПВП замедляют развитие рака пищевода и многих других его форм (возможно, НПВП напрямую уменьшают скорость образования мутаций, или же все дело в том, что наша врожденная система подавления рака работает более эффективно при низком уровне воспаления в организме). Эволюцию можно задержать и другим способом: замедлить размножение особей. При этом большинство препаратов сейчас разрабатывается для максимально эффективного уничтожения клеток, а не для подавления их деления. Вполне вероятно, что многие потенциальные лекарства от рака были оставлены без внимания в ходе скрининговых тестов, так как оценка препаратов проводится на основании того, насколько хорошо они убивают раковые клетки, а не насколько хорошо мешают им делиться. Приостановить скорость клеточного деления могут некоторые из уже существующих препаратов (они называются цитостатическими, так как поддерживают клетку, «цито», в статическом состоянии) и широко и успешно применяются в лечении рака молочной железы.

Есть и другие потенциальные способы замедления эволюции раковых клеток, включая сокращение размера их популяции и сведение к минимуму разницы в приспособленности между клетками (так как именно разный уровень выживания и репродукции и является главным двигателем эволюции). Кроме того, мы могли бы попробовать направить развитие раковых клеток в сторону длинного жизненного цикла за счет изменения экологических условий, в которых они находятся. Стратегия задержки клеточной эволюции может превратить рак в спящего, тихого соседа по комнате, про которого мы говорили в третьей главе.

Имитация лекарств

В арсенале стратегий сдерживания рака, основанных на эволюционном подходе, у Гатенби есть много хитроумных и изобретательных идей о том, как не дать недобросовестным клеткам взять верх. Отталкиваясь от положения о том, что за устойчивость приходиться расплачиваться (клетки вынуждены работать и расходовать дополнительную энергию на сопротивление лекарственным препаратам) Гатенби пришел к мысли попробовать сделать так, чтобы эти резистентные клетки продолжали расходовать дополнительные ресурсы, не получая при этом никакой выгоды. У клеток, устойчивых к нескольким препаратам, зачастую имеются так называемые эффлюксные насосы, выкачивающие молекулы лекарства из клетки, и для их работы требуется много энергии.

Гатенби подумал, что эта множественная лекарственная устойчивость может на самом деле оказаться уязвимостью, если давать клеткам «фальшивые лекарства» – другими словами, нетоксичные или малотоксичные вещества. Последние активируют эффлюксные насосы раковых клеток, вынуждая их тратить энергию, только никакого преимущества по сравнению с нерезистентными клетками, они при этом не получают – более того, на их фоне они оказываются в невыгодном положении, так как вынуждены впустую расходовать ресурсы. Гатенби называет эти лекарства эрзац-лекарствами – звучит лучше, чем «фальшивые», а смысл тот же («эрзац» означает «заменитель» на немецком). Ученый вместе с коллегами обнаружил, что такие препараты способствуют уменьшению пролиферации резистентных клеток в чашках Петри, а скорость роста резистентных клеточных линий (по сравнению с похожими нерезистентными) была ниже в мышиных моделях, которым вводили эрзац-лекарства.

Возвращение к истокам

У Гатенби настоящий талант к разработке новых стратегий сдерживания рака. Известно, что болезнь преобразует экологию организма, повышая уровень кислотности микроокружения опухоли. Кислота способствует расщеплению внеклеточного матрикса, тем самым не только разрушая внутреннюю среду организма, но и прокладывая путь для инвазии и метастазирования, так как клеткам становится проще покидать деградированную среду обитания. Вооружившись этими знаниями, Гатенби решил провести эксперимент, чтобы проверить, поможет ли бикарбонат натрия (пищевая сода) уменьшить метастазы у мышей.

Гатенби и его коллеги стали перорально давать пищевую соду мышам, которым ввели клетки рака молочной железы, клетки рака предстательной железы или клетки меланомы. Оказалось, что пищевая сода действительно снизила уровень кислотности в микроокружении опухоли, что привело к «значительному уменьшению количества и размера метастазов в легких, кишечнике и диафрагме»^[21]. Размер первичной опухоли при этом остался без изменения, однако нормализация уровня кислотности в микроокружении опухоли способствовала уменьшению метастазов, что, в свою очередь, улучшило выживаемость мышей, получавших «бикарбонатную терапию», как прозвали ее коллеги Гатенби. Возможно, уменьшение кислотности микроокружения опухоли влияет на эволюцию жизненного цикла раковых клеток и внутри опухоли, так как сокращаются угрозы, связанные с высокой кислотностью, и становится меньше предпосылок для колонизации новых тканей, а оба эти фактора могут способствовать отбору в пользу клеток с долгим жизненным циклом.

Питание опухоли

Гипоксия, или низкий уровень кислорода, является важнейшим элементом микроокружения опухоли. Недостаток кислорода способствует инвазии и метастазированию раковых клеток: низкий уровень запасов приводит к отбору в пользу более подвижных экземпляров. Проведенные исследования показывают, что восстановление нормального доступа опухоли к ресурсам может способствовать сокращению метастазов, а применение небольших доз антиангиогенных препаратов (которые помогают регулировать приток крови к опухоли) может повысить эффективность лечения. Как мы уже видели ранее в этой главе, более стабильный поток ресурсов является также и следствием адаптивной терапии, что способствует ее успеху.

Нормализация притока питательных веществ к опухоли, по всей вероятности, оказывает влияние на то, в пользу какого жизненного цикла клеток протекает естественный отбор. Если говорить в целом, то наличие стабильного доступа к низкому уровню ресурсов способствует отбору в пользу индивидов с долгим жизненным циклом. Судя по всему, это характерно и для опухоли: при нормализации ресурсов отбор идет в пользу клеток с более низким уровнем пролиферации и меньшей склонностью к расселению.

Стратегия предоставления опухоли стабильного доступа к ресурсам может показаться парадоксальной – разве нам не следует стремиться морить опухоль голодом? Проблема в том, что при нехватке питания клетки опухоли с большей вероятностью меняют экспрессию генов в пользу повышенной подвижности, а также возникает давление отбора в пользу более подвижных клеток. Если обеспечить опухоли доступ к запасам (небольшой, но стабильный), то опухоль, может, и продолжит расти, однако это куда лучше, чем подталкивать ее к инвазии и метастазированию. Это сродни тому, что Уинстон Черчилль сказал о демократии: что это худшая форма правления, не считая всех остальных, что были опробованы. Обеспечение опухоли ресурсами может показаться плохой идеей, так как это способствует пролиферации и росту клеток, однако это куда лучше, чем их миграция в другие области организма с образованием метастазов.

Применение теории сотрудничества для сдерживания опухоли

Еще один способ сдерживания рака заключается в стимуляции способности нашего организма эффективно обнаруживать недобросовестные клетки и бороться с ними, прежде чем это приведет к развитию рака. Если мы сможем усиливать способность организма обнаруживать недобросовестные клетки или восстанавливаться в случае сбоя (например, из-за мутаций в наших системах подавления рака), то, возможно, научимся более эффективной профилактике и лечению рака.

В организме человека реализованы многоуровневые системы обнаружения недобросовестного клеточного поведения и своевременной борьбы с ним, чтобы не допустить перерождения клеток. К сожалению, они не застрахованы от взлома. А раковые клетки находятся под постоянным давлением отбора, способствующего эволюции клеток, умеющих обходить наши системы обнаружения недобросовестного клеточного поведения. К тому времени как опухоль становится достаточно большой для диагностики рака, она уже умеет обманывать эти системы на всех уровнях их работы. Так, во многих раковых опухолях присутствуют клетки с мутациями гена TP53 – того самого узла обработки информации внутренней клеточной системы обнаружения недобросовестного поведения, который мы подробно рассматривали в предыдущих главах. Соседние системы обнаружения также оказываются взломаны – раковые клетки зачастую учатся вырабатывать факторы, которые помогают им обманывать своих соседей, чтобы они не поднимали паники из-за их чрезмерной пролиферации и подвижности. Ну и, разумеется, раковые клетки в ходе своей эволюции учатся обходить нашу иммунную систему. Подобно тому как популяции животных, являющихся лакомой добычей для хищников, в ходе своей эволюции учатся быстрее бегать и лучше прятаться, раковые клетки, эволюционируя, приобретают способность оставаться незамеченными иммунной системой.

Когда рак выводит из строя системы обнаружения недобросовестного клеточного поведения, что мы можем предпринять, чтобы взять его под контроль?

Один из возможных вариантов – перезагрузить систему клеточного самоконтроля, чтобы внутренние системы подавления рака вновь начали нормально работать. В каждой клетке есть сложные генные сети, позволяющие ей контролировать собственное поведение и корректировать экспрессию генов и поведение в случае обнаружения какого-либо отклонения. Так, генная сеть, организованная вокруг гена TP53, при необходимости может остановить клеточный цикл, начать процесс восстановления ДНК или активировать клеточный суицид. При раке эта внутренняя система обнаружения недобросовестности зачастую оказывается утрачена из-за мутации или потери гена TP53. Одной из потенциальных стратегий перезагрузки системы клеточного контроля является восстановление утраченных функций этого гена или же стимуляция такого клеточного поведения, как восстановление ДНК. Были разработаны многие виды терапии с прицелом на повторную активацию механизмов апоптоза в клетках, которые не должны были выжить, однако в долгосрочной перспективе они оказываются неэффективны, так как способствуют отбору в пользу клеток, которые к ним устойчивы.

Лиза Абегглен и Джошуа Шиффман, специалисты по биологии рака из Института онкологии Хантсмана, с которыми мы познакомились ранее в этой книге, сейчас работают над созданием новых методов лечения с использованием слоновьего гена TP53. Они уже продемонстрировали, что введение этого гена способен восстанавливать нормальную функцию белка p53 и механизм апоптоза в клетках остеосаркомы человека, и теперь проводят эксперименты на мышах, чтобы проверить, способен ли слоновий ген TP53 провоцировать апоптоз в живом организме.

Мы только начинаем понимать, как именно наши клетки обрабатывают и интегрируют информацию с помощью различных генетических сетей вроде той, что организована вокруг гена TP53. Когда мы в этом разберемся, вероятно, сможем разработать более эффективные методы профилактики рака. Кроме того, в нашем поиске более совершенных способов сдерживания этой болезни в клинических условиях мы можем попытаться почерпнуть вдохновение в коллективном разуме организма человека, а также других видов, демонстрирующих особую сопротивляемость раку, таких как слоны. Методы борьбы с раком, используемые самим организмом, намекают нам, что для измерения и мониторинга состояния опухоли следует использовать различные источники информации, а также разрабатывать инструменты принятия решений, которые бы наиболее эффективно всю эту информацию использовали.

Как мы уже с вами говорили, в ходе своей эволюции многоклеточные организмы обзавелись множеством механизмов, сильно усложняющим жизнь недобросовестным клеткам. Так, белок p53 позволяет делиться только нормальным клеткам, а белки BRCA1 и BRCA2 восстанавливает поврежденную ДНК, которая может способствовать недобросовестному поведению. Эти механизмы подавления рака не могут полностью исключить недобросовестного поведения клеток, однако помогут держать его под контролем, позволяя многоклеточному организму проживать долгую и здоровую жизнь. Другими словами, многоклеточная жизнь в значительной степени решила проблему недобросовестного клеточного поведения, разработав целый арсенал инструментов подавления рака, включая гены-супрессоры рака, вроде TP53, системы восстановления ДНК и, возможно, даже способность создавать доброкачественные клональные экспансии, чтобы не допускать роста злокачественных.

Лучшее понимание механизмов подавления рака нашим организмом – и других организмов – может указать нам путь к новым решениям в деле борьбы с болезнью и продления жизни. Мы можем открыть новые системы подавления рака – наподобие вытеснения мутировавших клеток пластинчатыми организмами – или придумать, как повысить эффективность известных, таких как генетическая сеть TP53, за счет изучения похожих систем у крупных животных вроде слонов. Мы также можем использовать эволюционный подход, чтобы лучше понять природу компромиссов, связанных со многими механизмами подавления рака – почему, например, мутации гена-супрессора рака BRCA связаны одновременно и с повышенным риском рака молочной железы, и с более высокой фертильностью.

Еще один возможный способ повышения эффективности систем обнаружения недобросовестного клеточного поведения заключается в восстановлении работоспособности соседских систем мониторинга – для этого, по сути, нужно поощрять слежку клеток за своими соседями. Зачастую раковым клеткам удается обманывать ближайших к ним за счет вырабатываемых факторов заживления тканей. Эти сигналы словно дают понять всему клеточному окружению, что не надо обращать внимание на странное поведение своих соседей, например активную пролиферацию и миграцию клеток. Сигналы о заживлении тканей позволяют раковым клеткам спокойно делать свое грязное дело, не вызывая вопросов у обычно бдительных соседей. Возможно, это одна из причин, по которым снижение уровня воспаления приводит к уменьшению риска развития рака (также оно уменьшает количество активных форм кислорода, способных напрямую вызывать мутации ДНК и небольшие делеции^[22]). Снижение уровня воспаления также может способствовать очистке среды передачи сигналов, тем самым упрощая для нормальных клеток обнаружение злокачественного поведения расположенных по соседству вредителей. Когда нет «помех», связанных с воспалением, иммунной системе проще сосредоточиться на передаваемых «сигналах» (то есть следах раковых клеток).

Мы также можем взять рак под контроль, перезапустив иммунную систему, чтобы она снова взялась за них, ведь в ходе эволюции у раковых клеток появляются различные стратегии ее избегания. Тем не менее можно натренировать ее реагировать на эти эволюционировавшие раковые клетки и даже не давать им прятаться. Именно эти цели преследуются при иммунотерапии. Иногда раковые клетки прячутся от иммунной системы, напрямую меняя белки на своей поверхности, чтобы иммунные клетки не могли отличить их от нормальных. Также они могут взламывать иммунные клетки, вынуждая их посылать сигналы о том, что все нормально, и их следует оставить в покое.

КРОМЕ ТОГО, РАКОВЫЕ КЛЕТКИ МОГУТ НАПРЯМУЮ ВМЕШИВАТЬСЯ В РАБОТУ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕДОБРОСОВЕСТНОГО КЛЕТОЧНОГО ПОВЕДЕНИЯ, КОТОРОЙ ОСНАЩЕНЫ ИММУННЫЕ КЛЕТКИ.

Обычно в нашей иммунной системе работает система сдержек и противовесов, позволяющая ей не только реагировать на угрозы (вроде раковых клеток и болезнетворных микробов), но и возвращаться в спокойное, выжидающее состояние после того, как опасность миновала. С этой целью используются так называемые иммунные контрольные точки, которые останавливают иммунный ответ, если получают информацию об отсутствии угрозы. По сути, они проверяют отсутствие в среде обитания недобросовестных клеток – и если таковые не обнаруживаются, то иммунной системе дается команда о прекращении активных действий. Эта способность вовремя останавливать иммунный ответ играет важнейшую роль для нашего здоровья – без нее мы бы страдали от аутоиммунных реакций и чрезмерного воспаления. Проблема в том, что такие контрольные точки становятся нашим слабым местом: раковые клетки могут научиться в ходе своей эволюции вырабатывать факторы, обманом заставляющие их останавливать иммунный ответ.

Один из самых многообещающих подходов в иммунотерапии связан с прекращением этой способности раковых клеток прекращать иммунный ответ. Так, можно блокировать молекулы, вырабатываемые раковыми клетками для деактивации иммунной реакции. Терапия показала хорошие результаты в лечении различных форм рака, прежде считавшихся неизлечимыми, включая меланому и рак легких у некоторых пациентов.

Несмотря на некоторые начальные неудачи, иммунотерапия в настоящее время является одним из наиболее перспективных направлений противораковой терапии. Тем не менее у раковых клеток в ходе эволюции может вырабатываться устойчивость и к этой форме лечения тоже – не только к традиционным. Это означает, что и в иммунотерапии не обойтись без контроля клеточной эволюции.

Прекращение сотрудничества

Как мы узнали из предыдущей главы, раковые клетки в ходе эволюции могут учиться не только недобросовестному поведению, нарушая основы многоклеточного сотрудничества, но и сотрудничеству между собой для более эффективной эксплуатации ресурсов организма-носителя. Звучит зловеще. Но это наводит на мысль о другой потенциальной стратегии в борьбе с раком. Возможно, мы сможем нарушать контакт между раковыми клетками, затрудняя дальнейшее развитие рака. Так, нарушив адгезию в циркулирующих клеточных скоплениях, мы могли бы уменьшить вероятность образования метастазов (потому что скопления клеток, как было доказано, лучше справляются с метастазированием, чем отдельные клетки). Нарушение скоординированной передачи сигналов раковыми клетками – еще одна потенциальная стратегия сдерживания болезни.

Наш организм в ходе эволюции наверняка уже обзавелся различными стратегиями подавления сотрудничества между этими проблемными клетками, которым лучше не взаимодействовать. Это подсказывает нам один потенциальный подход к лечению. Может, мы могли бы сами не давать раковым клеткам сотрудничать между собой, чтобы не допускать поздних стадий развития опухоли, когда идет активный процесс образования метастазов по всему организму? Более того, мы могли бы нарушать сотрудничество и препятствовать скоординированным действиями в колониях раковых клеток для более эффективного лечения метастатического рака?

Я поделилась этими идеями и вопросами с Гюнтером Янсеном, специалисту по инфекционным заболеваниям, который, подобно Эндрю Риду, был не удовлетворен многими традиционными подходами к лечению инфекционных заболеваний. Мы оба были заинтригованы идеей о применении стратегии борьбы с инфекционными заболеваниями для сдерживания рака – в частности, чтобы найти способы нарушения коммуникации и сотрудничества между недобросовестными клетками.

Гасители кворума – это биологические инструменты, применяемые в лечении инфекционных заболеваний. Эти молекулы блокируют другие, используемые бактериями для коммуникации и сотрудничества. Они успешно применялись для сокращения размеров популяций бактерий, а также предотвращения формирования бактериальных структур наподобие биопленок, которые способствуют формированию устойчивости к лекарствам. На рынке существуют препараты, воздействующие на молекулы, используемые раковыми клетками для обмена сигналами между собой, такими как факторы роста, ангиогенеза и подавления иммунитета. Проблема в том, что производители обычно отбирают противораковые препараты, отталкиваясь от их способности разрушать раковые клетки. Возможно, нам следует искать и применять лекарства, которые нарушают сотрудничество между раковыми клетками, мешая им обмениваться между собой сигналами, пускай напрямую их и не истребляя.

Нам также следует рассмотреть вариант создания лекарств, которые препятствуют образованию скоплений раковых клеток. Так, если мы помешаем раковым клеткам слипаться в процессе их циркуляции в нашем кровотоке, тем самым можем уменьшить вероятность образования метастазов. Эти циркулирующие скопления сцепляются между собой с помощью липких молекул под названием плакоглобины. Высокий уровень плакоглобинов связан с менее благоприятным исходом для пациента, что делает эти молекулы потенциальным кандидатом для терапевтического вмешательства.

ЕСЛИ НАМ УДАСТСЯ ЗАТРУДНИТЬ СЛИПАНИЕ РАКОВЫХ КЛЕТОК МЕЖДУ СОБОЙ, ТО, ВОЗМОЖНО, ТЕМ САМЫМ МЫ СНИЗИМ ВЕРОЯТНОСТЬ МЕТАСТАЗИРОВАНИЯ.

Помимо сотрудничества друг с другом, раковые клетки также могут злоупотреблять склонностью к этому, присущей нормальным клеткам, запрашивая у них защиту, ресурсы и другие блага. Правильные клетки нашего организма настроены на взаимовыручку, потому что на этом строится все многоклеточное сообщество. В результате эволюции многоклеточных организмов клетки пришли к максимально эффективному сотрудничеству между собой, без которого невозможно само существование многоклеточной жизни. А неотъемлемой составляющей этой связи является готовность помогать другим клеткам и реагировать на посылаемые ими сигналы. Раковые клетки используют эту систему коммуникации, тем самым эксплуатируя клеточное сотрудничество, лежащее в основе многоклеточной жизни. Кроме того, они могут обманом управлять иммунным ответом и заручатся поддержкой вспомогательных клеток для формирования среды, способствующей их выживанию и пролиферации. Эксплуатируя иммунные и вспомогательные клетки нашего организма, раковые клетки помогают себе, тем самым создавая экологическую нишу, в которой могут процветать в ущерб интересам всего многоклеточного организма. Вот почему иммунотерапия является важнейшим инструментом в арсенале методов лечения рака на основе эволюционного подхода.

Когда полностью поймем, как устроено сотрудничество раковых клеток – его эволюцию и проявления в межклеточных взаимодействиях, – мы сможем разрабатывать методы лечения, направленные на его дестабилизацию. Одним из примеров таких вмешательств является нарушение производства общественных благ. Как мы уже видели, контакт между раковыми клетками может играть особенно важную роль в процессе инвазии и метастазирования, так как колонизация новых тканей является невероятно сложной задачей. Если нам удастся помешать взаимовыгодным взаимодействиям между раковыми клетками, которые помогают им выживать в процессе инвазии и колонизации новых тканей, тем самым сможем значительно снизить опухолевую нагрузку. Аналогично, если мы разберемся в эволюционных механизмах, которые приводят к появлению сотрудничества между раковыми клетками, то сможем более эффективно менять эволюционную траекторию раковых клеток, чтобы не допускать появления у них столь губительного для нас взаимодействия.

Исцеление и сдерживание

Ждет ли нас в будущем исцеление от рака? Ответ зависит от того, что именно мы подразумеваем под этим. Означает ли исцеление полное уничтожение всех клеток опухоли и их потомков? Или же это будет способность удерживать опухоль под контролем, чтобы она не росла, не проникала в соседние ткани и не угрожала жизни пациента?

Мы уже знаем, что рак является результатом эволюции клеток нашего организма, и эволюционный подход говорит о том, что бесконтрольное поведение является неотъемлемой частью природы рака. В этом и заключается вся его суть: в нарушении всех неписанных правил межклеточного сотрудничества. Рак – это результат клеточной эволюции, протекающей внутри нашего организма, из-за которой отбор идет в пользу клеток, не выполняющих своих функций по поддержанию его жизнедеятельности. При нормальных условиях организм эффективно обнаруживает недобросовестные клетки и борется с ними, однако клеточная эволюция выходит из-под контроля, когда мы сталкиваемся с раком, особенно на его более поздних стадиях.

Нам также известно, что рак продолжает эволюционировать, даже (особенно) когда мы пытаемся его лечить. Таким образом, вылечить позднюю стадию рака путем уничтожения раковых клеток – чрезвычайно сложная задача, так как рак может изменяться в ответ на любой применяемый метод лечения. Поэтому существует и другой вариант: мы можем попытаться вылечить рак, контролируя его.

Рак эволюционирует, однако есть возможность предвосхищать ее направление и стратегически планировать терапию. Мы можем перехитрить его, завести в тупик, сделать более уязвимым и превратить в нечто, с чем можно спокойно жить. Если нам удастся разработать лечение, способствующее отбору в пользу менее агрессивных клеток, поддержке нормальных клеток и ограничению размеров опухоли – как это происходит при адаптивной терапии, – то нам, возможно, удастся взять рак под контроль и удерживать его под наблюдением.

СДЕРЖИВАНИЕ РАКА ДОЛЖНО СТАТЬ ЦЕЛЬЮ В СЛУЧАЯХ, КОГДА ИСЦЕЛЕНИЕ (ТО ЕСТЬ ПОЛНАЯ РЕМИССИЯ С НИЗКОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ РЕЦИДИВА) С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРАДИЦИОННОЙ ТЕРАПИИ МАЛОВЕРОЯТНО.

Если продолжать использовать традиционную военную аналогию в размышлениях о возможных вариантах лечения рака, то прекращение лечения можно назвать «проигрышем» битвы или «сдачей в плен». В своем эссе, посвященном личной борьбе с раком, ныне покойный эволюционный биолог Стивен Джей Гулд написал: «Я предпочитаю считать смерть своим злейшим врагом и не нахожу ничего предосудительного в тех, кто отчаянно с ней борется». Между тем война не обязательно должна строиться только на боеприпасах и агрессии. В войне можно также пытаться предугадать действия противника, чтобы потом его перехитрить.

Мы многое выиграем, если примем тот факт, что рак является неотъемлемой частью нас, и начнем готовиться к долгосрочному стратегическому взаимодействию с этим почти не предсказуемым и гибким противником. Требуется мужество, чтобы принять это и смириться с неопределенностью, которую таит в себе рак, вместо того чтобы отчаянно цепляться за ложную надежду, что однажды мы найдем волшебное оружие, с помощью которого раз и навсегда избавим от этой болезни весь мир.

Многие исследователи в области онкологии работают над выявлением ключевых параметров (такими как индексами Эво и Эко), которые могут быть использованы при принятии стратегических решений в лечении рака, в частности адаптивной терапии. Цель в данном случае – идентифицировать эти параметры и использовать их для принятия обдуманных решений о том, когда агрессивное лечение с прицелом на полное уничтожение предпочтительнее контроля и сдерживания. Такой сдвиг в нашем мышлении позволит рассматривать рак в качестве хронической болезни, поддающейся контролю, что откроет новые пути для лечения и профилактики болезни.

Так что же следует делать, когда организму не удается удерживать рак под контролем? В конечном счете правильный ответ будет зависеть от конкретного вида рака, его стадии, а также того, как пациент предпочитает прожить остаток своей жизни. Если рак хорошо поддается лечению и/или находится на ранней стадии развития, то направленная на исцеление агрессивная терапия может оказаться правильным выбором.

Это возвращает нас к дифференциальному подходу Афины и Ареса, упомянутому мной в самом начале этой книги. Афина – богиня мудрости и войны, использует свою мудрость и стратегические способности для сдерживания врагов, избегая тем самым затратных сражений. Арес, бог только войны, живет ради самой агрессии, подпитываясь хаосом битвы. Нам нужно научиться контролировать врага, вместо того чтобы оставлять за собой смерть и разрушение, причиняя огромный сопутствующий ущерб. Стандартная высокодозная химиотерапия – это политика Ареса. Адаптивная терапия и некоторые из других рассмотренных в этой главе стратегий – это подход Афины.

РАК КАСАЕТСЯ КАЖДОГО ИЗ НАС. ЭТО ВТОРАЯ ПО ЗНАЧИМОСТИ ПРИЧИНА СМЕРТИ В МИРЕ. ОН ЗАТРАГИВАЕТ НАШИ СЕМЬИ И СООБЩЕСТВА, НАШ МИР И МИРОВОЗЗРЕНИЕ.

Но его охват куда шире: он выходит далеко за рамки современного человечества, вплоть до истоков многоклеточной жизни, по пути проходя по всему древу жизни. Рассматривая рак с этой более широкой эволюционной точки зрения, мы видим, что не одиноки в нашей борьбе со злокачественными заболеваниями – многоклеточная жизнь боролась с ними с момента своего зарождения. И как мы видели, эволюция – это одновременно и причина, по которой мы болеем раком, и наша надежда на то, что его все-таки удастся взять под контроль.

Мы сможем построить лучшее будущее для человеческого здоровья и благополучия, если поймем и признаем наше общее с раком эволюционное прошлое. Он был частью жизни с момента появления простейших многоклеточных организмов и с тех пор эволюционировал параллельно с нами. Он был постоянным спутником человека на протяжении всей эволюционной истории. Мы с самого начала сожительствовали с этим соседом-нахлебником, с этим иждивенцем. Тем не менее, несмотря на его непрошеное сопровождение, нам удалось прийти к эволюционному успеху.

Эволюция – мощная сила. Она сформировала все разнообразие жизни на планете, а также клеток внутри нашего организма, каждую со своей собственной резистентностью. Лучшее, что мы можем сделать, чтобы рак стал для нас менее серьезной проблемой, – взять эту силу в свои руки: начать направлять эволюцию рака по траектории, которая не даст ему перерасти в нечто, способное нас убить. В нечто, что мы не в состоянии контролировать. С одной стороны, эволюция рака протекает в нашем организме бесконтрольно. С другой, однако, мы, возможно, в состоянии контролировать траекторию этого процесса куда в большей степени, чем думаем, – управлять за счет измерения динамики развития опухоли и применения методов лечения, которые направляют эволюцию опухоли по выгодному для нас пути.

Эволюционная биология, экология и теория сотрудничества дают нам отправные точки для разработки некоторых из этих инструментов. Подходы наподобие индексов Эво и Эко, которые дают количественную оценку экологической и эволюционной динамике опухоли, чтобы помочь предсказать ее реакцию на применяемое лечение, могут помочь нам определять, насколько эффективной будет традиционная высокодозная терапия в лечение конкретного случая рака и не лучше ли использовать другие подходы вроде адаптивной терапии. Вместо того чтобы вести с раком глобальную войну, мы могли бы активно использовать разведку, собирая информацию из разных источников, чтобы принимать более взвешенные решения о том, как следить за раком и превратить его в спутника, с которым мы сможем жить.

Рак – часть нашего прошлого, и он практически наверняка будет и частью нашего будущего. Между тем, каким именно будет будущее рака, продолжит ли он быть нашим непобедимым врагом, или же мы научимся его трансформировать – зависит от нас. У нас есть возможность использовать коллективные знания человечества, чтобы научиться лучше сдерживать рак и жить более долгой и здоровой жизнью. Для достижения этой цели необходимо междисциплинарное сотрудничество, эффективная коммуникация, а также срочное осознание наличия у нас общей цели – найти более эффективные способы сдерживания рака и поддержки человеческого благополучия. Рак – это болезнь, которой чужды любые границы между дисциплинами. Она вторгается во все аспекты жизни и проникает на любую территорию нашего расселения. Таким образом, для понимания его природы и поиска наиболее эффективных способов лечения нам необходимо максимальное сотрудничество представителей максимального количества разных научных областей.

Нам, может, и не удастся полностью избавить человечество от рака, однако мы можем сотворить мир, в котором под исцелением будет подразумеваться долгосрочное сдерживание рака. Мы можем сосредоточиться на наибольшем сохранении человеческой жизни и ее качества. Добиться такого будущего нам под силу.

Список литературы

Abegglen, Lisa M., Aleah F. Caulin, Ashley Chan, Kristy Lee, Rosann Robinson, Michael S. Campbell, Wendy K. Kiso, et al. “Potential Mechanisms for Cancer Resistance in Elephants and Comparative Cellular Response to DNA Damage in Humans”. Journal of the American Medical Association 314, no. 17 (November 2015): 1850–60.

Abegglen, Lisa M., Cristhian Toruno, Lauren N. Donovan, Rosann Robinson, Mor Goldfeder, Genevieve Couldwell, Wendy K. Kiso, et al. “Abstract A25: Elephant p53 (EP53) Enhances and Restores p53Mediated Apoptosis in Human and Canine Osteosarcoma”. Clinical Cancer Research 24, no. 2 suppl. (January 2018): 48–49.

Aceto, Nicola, Aditya Bardia, David T. Miyamoto, Maria C. Donaldson, Ben S. Wittner, Joel A. Spencer, Min Yu, Adam Pely, Amanda Engstrom, and Huili Zhu. “Circulating Tumor Cell Clusters Are Oligoclonal Precursors of Breast Cancer Metastasis”. Cell 158, no. 5 (2014): 1110–22.

Agrios, G. N. Plant Pathology. Boston: Elsevier Academic Press, 2005.

Aktipis, A. “Principles of Cooperation across Systems: From Human Sharing to Multicellularity and Cancer”. Evolutionary Applications 9, no. 1 (2015): 17–36.

Aktipis, A., L. Cronk, D. Sznycer, J. Alcock, J. Ayers, C. Baciu, D. Balliet, et al. “Understanding Cooperation through Fitness Interdependence”. Nature Human Behavior 2 (2018): 429–431.

Aktipis, C. A. “Is Cooperation Viable in Mobile Organisms? Simple Walk Away Rule Favors the Evolution of Cooperation in Groups”. Evolution and Human Behavior 32, no. 4 (2011): 263–76.

Aktipis, C. A. “Know When to Walk Away: Contingent Movement and the Evolution of Cooperation”. Journal of Theoretical Biology 231, no. 2 (2004): 249–60.

Aktipis, C. A., A. M. Boddy, R. A. Gatenby, J. S. Brown, and C. C. Maley. “Life History Trade-Offs in Cancer Evolution”. Nature Reviews Cancer 13, no. 12 (2013): 883–92.

Aktipis, C. A., Amy M. Boddy, G. Jansen, U. Hibner, M. E. Hochberg, C. C. Maley, and G. S. Wilkinson. “Cancer across the Tree of Life: Cooperation and Cheating in Multicellularity”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0219.

Aktipis, C. A., and E. FernandezDuque. “Parental Investment without Kin Recognition: Simple Conditional Rules for Parent – Offspring Behavior”. Behavioral Ecology and Sociobiology 65, no. 5 (May 2011): 1079–91.

Aktipis, C. A., C. C. Maley, and J. W. Pepper. “Dispersal Evolution in Neoplasms: The Role of Disregulated Metabolism in the Evolution of Cell Motility”. Cancer Prevention Research 5, no. 2 (2012): 266–75.

Aktipis, C. A., and R. M. Nesse. “Evolutionary Foundations for Cancer Biology”. Evolutionary Applications 6, no. 1 (2013): 144–59.

Aktipis, C. Athena, Bruce J. Ellis, Katherine K. Nishimura, and Robert A. Hiatt. “Modern Reproductive Patterns Associated with Estrogen Receptor Positive but Not Negative Breast Cancer Susceptibility”. Evolution, Medicine, and Public Health 2015, no. 1 (2015): 52–74. https://dx.doi.org/10.1093/emph/eou028.

Allam, Bassem, and David Raftos. “Immune Responses to Infectious Diseases in Bivalves”. Journal of Invertebrate Pathology 131 (October 2015): 121–36.

Alston, D. G. The Integrated Pest Management (IPM) Concept. Logan: Utah State University Extension and Utah Plant Pest Diagnostic Laboratory, 2011.

Alvarado, L. C. “Do Evolutionary Life-History Trade-Offs Influence Prostate Cancer Risk? A Review of Population Variation in Testosterone Levels and Prostate Cancer Disparities”. Evolutionary Applications 6, no. 1 (2013): 117–33.

Archetti, Marco. “Cooperation between Cancer Cells”. Evolution, Medicine, and Public Health 2018, no. 1 (January 2018): 1.

Archetti, Marco, and Kenneth J. Pienta. “Cooperation among Cancer Cells: Applying Game Theory to Cancer”. Nature Reviews Cancer 19, no. 2 (February 2019): 110–17.

Axelrod, R., D. E. Axelrod, and K. J. Pienta. “Evolution of Cooperation among Tumor Cells”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103, no. 36 (2006): 13474–79.

Axelrod, Robert, and W. D. Hamilton. “The Evolution of Cooperation”. Science 211, no. 4489 (1981): 1390–96.

Bagnardi, V., M. Rota, E. Botteri, I. Tramacere, F. Islami, V. Fedirko, L. Scotti, et al. “Alcohol Consumption and Site-Specific Cancer Risk: A Comprehensive Dose-Response Meta-Analysis”. British Journal of Cancer 112, no. 3 (February 2015): 580–93.

Belov, Katherine. “The Role of the Major Histocompatibility Complex in the Spread of Contagious Cancers”. Mammalian Genome 22, no. 1–2 (February 2011): 83–90.

Ben, Qiwen, Yunwei Sun, Rui Chai, Aihua Qian, Bin Xu, and Yaozong Yuan. “Dietary Fiber Intake Reduces Risk for Colorectal Adenoma: A MetaAnalysis”. Gastroenterology 146, no. 3 (March 2014): 689–99.

Bergmüller, Ralph, Rufus A. Johnstone, Andrew F. Russell, and Redouan Bshary. “Integrating Cooperative Breeding into Theoretical Concepts of Cooperation”. Behavioural Processes 76, no. 2 (2007): 61–72.

Bhatt, Aadra P., Matthew R. Redinbo, and Scott J. Bultman. “The Role of the Microbiome in Cancer Development and Therapy”. CA: A Cancer Journal for Clinicians 67, no. 4 (July 2017): 326–44.

Bissell, M. J., and W. C. Hines. “Why Don’t We Get More Cancer? A Proposed Role of the Microenvironment in Restraining Cancer Progression”. Nature Medicine 17, no. 3 (2011): 320–29.

Bissell, M. J., and D. Radisky. “Putting Tumours in Context”. Nature Reviews Cancer 1, no. 1 (2001): 46–54.

Bockoven, Alison A., Shawn M. Wilder, and Micky D. Eubanks. “Intraspecific Variation among Social Insect Colonies: Per sis tent Regional and Colony-level Differences in Fire Ant Foraging Behavior”. PloS One 10, no. 7 (2015): e0133868.

Boddy, A. M., H. Kokko, F. Breden, G. S. Wilkinson, and C. A. Aktipis. “Cancer Susceptibility and Reproductive Trade-Offs: A Model of the Evolution of Cancer Defences”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0220.

Bonner, John Tyler. “The Origins of Multicellularity”. Integrative Biology: Issues, News, and Reviews 1, no. 1 (1998): 27–36.

Bouvard, Véronique, Dana Loomis, Kathryn Z. Guyton, Yann Grosse, Fatiha El Ghissassi, Lamia BenbrahimTallaa, Neela Guha, Heidi Mattock, Kurt Straif, and International Agency for Research on Cancer Monograph Working Group. “Carcinogenicity of Consumption of Red and Processed Meat”. Lancet Oncology 16, no. 16 (December 2015): 1599–1600.

“BRCA Mutations: Cancer Risk and Genetic Testing”. National Cancer Institute, February 5, 2018. https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/genetics/brca-fact-sheet.

Brown, J. S., and C. A. Aktipis. “Inclusive Fitness Effects Can Select for Cancer Suppression into Old Age”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0160.

Broxterman, H. J., H. M. Pinedo, C. M. Kuiper, L. C. Kaptein, G. J. Schuurhuis, and J. Lankelma. “Induction by Verapamil of a Rapid Increase in ATP Consumption in MultidrugResistant Tumor Cells”. FASEB Journal 2, no. 7 (April 1988): 2278–82.

Bullock, A. N., and A. R. Fersht. “Rescuing the Function of Mutant p53”. Nature Reviews Cancer 1, no. 1 (October 2001): 68–76.

Burns, Kathleen H. “Transposable Elements in Cancer”. Nature Reviews Cancer 17, no. 7 (July 2017): 415–24.

Buss, L. W. “Somatic Cell Parasitism and the Evolution of Somatic Tissue Compatibility”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 79, no. 17 (September 1982): 5337–41.

Buss, Leo W. The Evolution of Individuality. Prince ton, NJ: Prince ton University Press, 1987.

Cairns, J. “Mutation Selection and the Natural History of Cancer”. Nature 255, no. 5505 (1975): 197–200.

Campisi, Judith. “Cancer and Ageing: Rival Demons?” Nature Reviews Cancer 3, no. 5 (May 2003): 339–49.

Capasso, Luigi L. “Antiquity of Cancer”. International Journal of Cancer 113, no. 1 (January 2005): 2–13.

“Carcinogens Listed in the Eleventh Report”. In The Report on Carcinogens, 11th ed. Durham, NC: National Toxicology Program, U. S. Department of Health and Human Ser vices, 2011.

https://web.archive.org/web/20090507123840if_/http://ntp.niehs.nih.gov/ntp/roc/eleventh/known.pdf.

Caulin, A. F., and C. C. Maley. “Peto’s Paradox: Evolution’s Prescription for Cancer Prevention”. Trends in Ecology and Evolution 26, no. 4 (February 2011): 175–82.

Cavallo, F., C. De Giovanni, P. Nanni, G. Forni, and P. L. Lollini. “2011: The Immune Hallmarks of Cancer”. Cancer Immunology, Immunotherapy 60, no. 3 (2011): 319–26.

Chakrabarty, A. M. “Microorganisms and Cancer: Quest for a Therapy”. Journal of Bacteriology 185, no. 9 (May 2003): 2683–86.

Chapman, Anna, Laura Fernandez del Ama, Jennifer Ferguson, Jivko Kamarashev, Claudia Wellbrock, and Adam Hurlstone. “Heterogeneous Tumor Subpopulations Cooperate to Drive Invasion”. Cell Reports 8, no. 3 (August 2014): 688–95.

Chiarella, Paula, Juan Bruzzo, Roberto P. Meiss, and Raúl A. Ruggiero. “Concomitant Tumor Resistance”. Cancer Letters 324, no. 2 (November 2012): 133–41.

Churchill, Winston S. November 11, 1947. The International Churchill Society. https://winstonchurchill.org/resources/quotes/the-worst-form-of-government/

ClavelChapelon, F., and E3N Group. “Cumulative Number of Menstrual Cycles and Breast Cancer Risk: Results from the E3N Cohort Study of French Women”. Cancer Causes and Control 13, no. 9 (November 2002): 831–38.

Cline, Melissa S., Rachel G. Liao, Michael T. Parsons, Benedict Paten, Faisal Alquaddoomi, Antonis Antoniou, Samantha Baxter, et al. “BRCA Challenge: BRCA Exchange as a Global Resource for Variants in BRCA1 and BRCA2”. PLoS Genetic s 14, no. 12 (December 2018): e1007752.

Coan, P. M., G. J. Burton, and A. C. Ferguson-Smith. “Imprinted Genes in the Placenta – A Review”. Placenta 26, suppl. A (2005): S10– S20.

Collado, Manuel, Maria A. Blasco, and Manuel Serrano. “Cellular Senescence in Cancer and Aging”. Cell 130, no. 2 (July 2007): 223–33.

Connor, Stephen R., Bruce Pyenson, Kathryn Fitch, Carol Spence, and Kosuke Iwasaki. “Comparing Hospice and Nonhospice Patient Survival among Patients Who Die within a ThreeYear Window”. Journal of Pain and Symptom Management 33, no. 3 (March 2007): 238–46.

Correa, Raul, Philip C. Thornton, Susan M. Rosenberg, and P. J. Hastings. “Oxygen and RNA in Stress-Induced Mutation”. Current Genetic s 64, no. 4 (August 2018): 769–76.

Cougnoux, Antony, Guillaume Dalmasso, Ruben Martinez, Emmanuel Buc, Julien Delmas, Lucie Gibold, Pierre Sauvanet, et al. “Bacterial Genotoxin Colibactin Promotes Colon Tumour Growth by Inducing a Senescence-Associated Secretory Phenotype”. Gut 63, no. 12 (December 2014): 1932–42.

Cronk, Lee, Colette Berbesque, Thomas Conte, Matthew Gervais, Padmini Iyer, Brighid McCarthy, Dennis Sonkoi, Cathryn Townsend, and Athena Aktipis.

“Managing Risk through Cooperation: NeedBased Transfers and Risk Pooling among the Societies of the Human Generosity Project”. In Global Perspectives on Long-term Community Resource Management, edited by L. Lozny and T. McGovern, 41–75. New York: Springer, 2019.

Cuzick, Jack, Florian Otto, John A. Baron, Powel H. Brown, John Burn, Peter Greenwald, Janusz Jankowski, et al. “Aspirin and NonSteroidal AntiInflammatory Drugs for Cancer Prevention: An International Consensus Statement”. Lancet Oncology 10, no. 5 (May 2009): 501–7.

Dalmasso, Guillaume, Antony Cougnoux, Julien Delmas, Arlette DarfeuilleMichaud, and Richard Bonnet. “The Bacterial Genotoxin Colibactin Promotes Colon Tumor Growth by Modifying the Tumor Microenvironment”. Gut Microbes 5, no. 5 (2014): 675–80.

Daum, Hagit, Tamar Peretz, and Neri Laufer. “BRCA Mutations and Reproduction”. Fertility and Sterility 109, no. 1 (January 2018): 33–38.

Davis, S., D. K. Mirick, and R. G. Stevens. “Night Shift Work, Light at Night, and Risk of Breast Cancer”. Journal of the National Cancer Institute 93, no. 20 (October 2001): 1557–62.

Dawkins, Richard. The Selfish Gene. Oxford: Oxford University Press, 1976.

de Martel, Catherine, Jacques Ferlay, Silvia Franceschi, Jérôme Vignat, Freddie Bray, David Forman, and Martyn Plummer. “Global Burden of Cancers Attributable to Infections in 2008: A Review and Synthetic Analysis”. Lancet Oncology 13, no. 6 (June 2012): 607–15.

Diaz, Luis A., Jr., Richard T. Williams, Jian Wu, Isaac Kinde, J. Randolph Hecht, Jordan Berlin, Benjamin Allen, et al. “The Molecular Evolution of Acquired Resistance to Targeted EGFR Blockade in Colorectal Cancers”. Nature 486, no. 7404 (June 2012): 537–40.

Dobzhansky, Theodosius. “Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution”. American Biology Teacher 35, no. 3 (March 1973): 125–29.

Dugatkin, Lee Alan. “Animal Cooperation among Unrelated Individuals”. Die Naturwissenschaften 89, no. 12 (December 2002): 533–41.

Dunn, Gavin P., Allen T. Bruce, Hiroaki Ikeda, Lloyd J. Old, and Robert D. Schreiber. “Cancer Immunoediting: From Immunosurveillance to Tumor Escape”. Nature Immunology 3, no. 11 (November 2002): 991–98.

Dvorak, Harold F. “Tumors: Wounds That Do Not Heal”. New England Journal of Medicine 315, no. 26 (December 1986): 1650–59.

Eisenhoffer, George T., Patrick D. Loftus, Masaaki Yoshigi, Hideo Otsuna, ChiBin Chien, Paul A. Morcos, and Jody Rosenblatt. “Crowding Induces Live Cell Extrusion to Maintain Homeostatic Cell Numbers in Epithelia”. Nature 484, no. 7395 (April 2012): 546–49.

Elser, James J., Marcia M. Kyle, Marilyn S. Smith, and John D. Nagy. “Biological Stoichiometry in Human Cancer”. PloS One 2, no. 10 (2007): e1028.

Ember, Melvin, Carol R. Ember, and Bobbi S. Low. “Comparing Explanations of Polygyny”. Cross-Cultural Research 41, no. 4 (November 2007): 428–40.

EnriquezNavas, Pedro M., Yoonseok Kam, Tuhin Das, Sabrina Hassan, Ariosto Silva, Parastou Foroutan, Epifanio Ruiz, et al. “Exploiting Evolutionary Principles to Prolong Tumor Control in Preclinical Models of Breast Cancer”. Science Translational Medicine 8, no. 327 (February 2016): 327ra24.

Ewald, Paul W. “An Evolutionary Perspective on Parasitism as a Cause of Cancer”. In Advances in Parasitology, vol. 68, 21–43. Cambridge, MA: Academic Press, 2009.

Featherston, J., and P. M. Durand. “Cooperation and Conflict in Cancer: An Evolutionary Perspective”. South African Journal of Science 108, no. 9–10 (January 2012).

Fernandez, André A., and Paul R. Bowser. “Selection for a Dominant Oncogene and Large Male Size as a Risk Factor for Melanoma in the Xiphophorus Animal Model”. Molecular Ecology 19, no. 15 (August 2010): 3114–23.

Ferreri, Andrés J. M., Silvia Govi, Elisa Pasini, Silvia Mappa, Francesco Bertoni, Francesco Zaja, Carlos Montalbán, et al. “Chlamydophila Psittaci Eradication with Doxycycline as FirstLine Targeted Therapy for Ocular Adnexae Lymphoma: Final Results of an International Phase II Trial”. Journal of Clinical Oncology 30, no. 24 (August 2012): 2988–94.

Finn, Olivera J. “ Human Tumor Antigens Yesterday, Today, and Tomorrow”. Cancer Immunology Research 5, no. 5 (May 2017): 347–54.

Fleming, J. M., K. E. Creevy, and D. E. L. Promislow. “Mortality in North American Dogs from 1984 to 2004: An Investigation into Age, Size, and BreedRelated Causes of Death”. Journal of Veterinary Internal Medicine 25, no. 2 (March 2011): 187–98.

Fletcher, J. A., and Michael Doebeli. “A Simple and General Explanation for the Evolution of Altruism”. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 276, no. 1654 (2009): 13–19.

Flossmann, Enrico, Peter M. Rothwell, and British Doctors Aspirin Trial and the U. K. TIA Aspirin Trial. “Effect of Aspirin on Long-term Risk of Colorectal Cancer: Consistent Evidence from Randomised and Observational Studies”. Lancet 369, no. 9573 (May 2007): 1603–13.

Frank, S. A., and M. A. Nowak. “Cell Biology: Developmental Predisposition to Cancer”. Nature 422, no. 6931 (2003): 494.

Gabrilovich, D., and V. Pisarev. “Tumor Escape from Immune Response: Mechanisms and Targets of Activity”. Current Drug Targets 4, no. 7 (2003): 525–36.

Gaines, Sara, Ashley J. Williamson, Neil Hyman, and Jessica Kandel. “How the Microbiome Is Shaping Our Understanding of Cancer Biology and Its Treatment”. Seminars in Colon and Rectal Surgery 29, no. 1 (March 2018): 12–16.

Gale, K. B., A. M. Ford, R. Repp, A. Borkhardt, C. Keller, O. B. Eden, and M. F.

Greaves. “Backtracking Leukemia to Birth: Identification of Clonotypic Gene Fusion Sequences in Neonatal Blood Spots”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 94, no. 25 (December 1997): 13950–54.

Gandhi, Manish J., and D. Michael Strong. “Donor Derived Malignancy Following Transplantation: A Review”. Cell and Tissue Banking 8, no. 4 (April 2007): 267–86.

Gärtner, H. V., C. Seidl, C. Luckenbach, G. Schumm, E. Seifried, H. Ritter, and B.

Bültmann. “Genetic Analysis of a Sarcoma Accidentally Transplanted from a Patient to a Surgeon”. New England Journal of Medicine 335, no. 20 (November 1996): 1494–96.

Gatenby, Robert A. “A Change of Strategy in the War on Cancer”. Nature 459, no. 7246 (2009): 508–9.

Gatenby, Robert A., and Robert J. Gillies. “A Microenvironmental Model of Carcinogenesis”. Nature Reviews Cancer 8, no. 1 (January 2008): 56–61.

Gatenby, Robert A., Ariosto S. Silva, Robert J. Gillies, and B. Roy Frieden. “Adaptive Therapy”. Cancer Research 69, no. 11 (June 2009): 4894–903.

Gerlinger, M., A. J. Rowan, S. Horswell, J. Larkin, D. Endesfelder, E. Gronroos, P.

Martinez, et al. “Intratumor Heterogeneity and Branched Evolution Revealed by Multiregion Sequencing”. New England Journal of Medicine 366, no. 10 (2012): 883–92.

Gerlinger, Marco, Stuart Horswell, James Larkin, Andrew J. Rowan, Max P. Salm, Ignacio Varela, Rosalie Fisher, et al. “Genomic Architecture and Evolution of Clear Cell Renal Cell Carcinomas Defined by Multiregion Sequencing”. Nature Genetic s 46, no. 3 (March 2014): 225–33.

Germain, PierreLuc, and Lucie Laplane. “Metastasis as SupraCellular Selection? A Reply to Lean and Plutynski”. Biology and Philosophy 32, no. 2 (March 2017): 281–87.

Ghoul, Melanie, Ashleigh S. Griffin, and Stuart A. West. “Toward an Evolutionary Definition of Cheating”. Evolution: International Journal of Organic Evolution 68, no. 2 (February 2014): 318–31.

Goodman, Brian, and Humphrey Gardner. “The Microbiome and Cancer”. Journal of Pathology 244, no. 5 (April 2018): 667–76.

Goodwin, Andrew C., Christina E. Destefano Shields, Shaoguang Wu, David L. Huso, Xinqun Wu, Tracy R. MurrayStewart, Amy HackerPrietz, et al. “Polyamine Catabolism Contributes to Enterotoxigenic Bacteroides FragilisInduced Colon Tumorigenesis”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, no. 37 (September 2011): 15354–59.

Gould, Stephen J. “The Median Isn’t the Message”. Discover 6, no. 6 (1985): 40–42.

Greaves, M. “Does Every one Develop Covert Cancer?” Nature Reviews Cancer 14, no. 4 (2014): 209–10.

Greaves, M., and C. C. Maley. “Clonal Evolution in Cancer”. Nature 481 (2012): 306–13.

Greaves, M. F. Cancer: The Evolutionary Legacy. Oxford: Oxford University Press, 2000.

Greaves, Mel. “A Causal Mechanism for Childhood Acute Lymphoblastic Leukaemia”. Nature Reviews Cancer 18, no. 8 (August 2018): 471–84.

Greaves, Mel, and William Hughes. “Cancer Cell Transmission via the Placenta”. Evolution, Medicine, and Public Health 2018, no. 1 (April 2018): 106–15.

Greaves, Mel F., Ana Teresa Maia, Joseph L. Wiemels, and Anthony M. Ford. “Leukemia in Twins: Lessons in Natural History”. Blood 102, no. 7 (October 2003): 2321–33.

Green, Jane, Benjamin J. Cairns, Delphine Casabonne, F. Lucy Wright, Gillian Reeves, and Valerie Beral. “Height and Cancer Incidence in the Million Women Study: Prospective Cohort, and MetaAnalysis of Prospective Studies of Height and Total Cancer Risk”. Lancet Oncology 12, no. 8 (August 2011): 785–94.

Grosberg, Richard K., and Richard R. Strathmann. “The Evolution of Multicellularity: A Minor Major Transition?” Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 38, no. 1 (December 2007): 621–54.

Gugel, E. A., and M. E. Sanders. “Needle-Stick Transmission of Human Colonic Adenocarcinoma”. New England Journal of Medicine 315, no. 23 (December 1986): 1487.

Gurven, M., and H. Kaplan. “Longevity among Hunter-gatherers: A Cross-Cultural Examination”. Population and Development Review 33, no. 2 (2007): 321–65. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.17284457.2007.00171.x.

Haeger, Anna, Katarina Wolf, Mirjam M. Zegers, and Peter Friedl. “Collective Cell Migration: Guidance Principles and Hierarchies”. Trends in Cell Biology 25, no. 9 (September 2015): 556–66.

Haig, David. “Genomic Imprinting and the Theory of Parent-Offspring Conflict”. Seminars in Developmental Biology 3 (1992): 153–60.

Haig, David. “Maternal-Fetal Conflict, Genomic Imprinting and Mammalian Vulnerabilities to Cancer”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (July 2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0178.

Hamilton, W. D. “The Genetic al Evolution of Social Behaviour. I”. Journal of Theoretical Biology 7, no. 1 (July 1964): 1–16.

Hamilton, W. D. “The Genetic al Evolution of Social Behaviour. II”. Journal of Theoretical Biology 7, no. 1 (July 1964): 1–16.

Hamilton, W. D., R. Axelrod, and R. Tanese. “Sexual Reproduction as an Adaptation to Resist Parasites (a Review)”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 87, no. 9 (May 1990): 3566–73.

Hanahan, D., and R. A. Weinberg. “The Hallmarks of Cancer”. Cell 100, no. 1 (2000): 57–70.

Hanahan, Douglas, and Robert A. Weinberg. “Hallmarks of Cancer: The Next Generation”. Cell 144, no. 5 (March 2011): 646–74.

Hansen, Elsa, Robert J. Woods, and Andrew F. Read. “How to Use a Chemotherapeutic Agent When Resistance to It Threatens the Patient”. PLoS Biology 15, no. 2 (2017): e2001110.

Hardy, Kathy, and Philip John Hardy. “1st Trimester Miscarriage: Four Decades of Study”. Translational Pediatrics 4, no. 2 (April 2015): 189–200.

Hauser, David J., and Norbert Schwarz. “The War on Prevention: Bellicose Cancer Metaphors Hurt (Some) Prevention Intentions”. Personality and Social Psychology Bulletin 41, no. 1 (January 2015): 66–77.

Hawkes, K., J. F. O’Connell, N. G. Jones, H. Alvarez, and E. L. Charnov. “Grandmothering, Menopause, and the Evolution of Human Life Histories”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, no. 3 (February 1998): 1336–39.

Health Resources and Services Administration. “Organ Donation Statistics”. Просмотрено 19 декабря 2017. https://www.organdonor.gov/statisticsstories/statistics.html.

Higa, Kelly C., and James DeGregori. “Decoy Fitness Peaks, Tumor Suppression, and Aging”. Aging Cell 18, no. 3 (June 2019): e12938.

Hodi, F. Stephen, Steven J. O’Day, David F. McDermott, Robert W. Weber, Jeffrey A. Sosman, John B. Haanen, Rene Gonzalez, et al. “Improved Survival with Ipilimumab in Patients with Metastatic Melanoma”. New England Journal of Medicine 363, no. 8 (August 2010): 711–23.

Hölldobler, Bert, and Edward O. Wilson. The Superorganism: The Beauty, Elegance, and Strangeness of Insect Societies. New York: W. W. Norton and Company, 2009.

Hosseini, Hedayatollah, Milan M. S. Obradović, Martin Hoffmann, Kathryn L.

Harper, Maria Soledad Sosa, Melanie WernerKlein, Lahiri Kanth Nanduri, et al. “Early Dissemination Seeds Metastasis in Breast Cancer”. Nature 540, no. 7634 (December 2016): 552–58.

Huang, Sui. “The War on Cancer: Lessons from the War on Terror”. Frontiers in Oncology 4 (October 2014): 293.

Huang, Yuhui, Shom Goel, Dan G. Duda, Dai Fukumura, and Rakesh K. Jain. “Vascular Normalization as an Emerging Strategy to Enhance Cancer Immunotherapy”. Cancer Research 73, no. 10 (May 2013): 2943–48.

Hussell, T., P. G. Isaac son, J. E. Crabtree, and J. Spencer. “Helicobacter Pylori-Specific Tumour-Infiltrating T Cells Provide Contact Dependent Help for the Growth of Malignant B Cells in LowGrade Gastric Lymphoma of Mucosa-Associated Lymphoid Tissue”. Journal of Pathology 178, no. 2 (February 1996): 122–27.

Iida, Noriho, Amiran Dzutsev, C. Andrew Stewart, Loretta Smith, Nicolas Bouladoux, Rebecca A. Weingarten, Daniel A. Molina, et al. “Commensal Bacteria Control Cancer Response to Therapy by Modulating the Tumor Microenvironment”. Science 342, no. 6161 (November 2013): 967–70.

Jansen, G., R. Gatenby, and C. A. Aktipis. “Opinion: Control vs. Eradication: Applying Infectious Disease Treatment Strategies to Cancer”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, no. 4 (2015): 937–38.

Jenkins, Russell W., David A. Barbie, and Keith T. Flaherty. “Mechanisms of Resistance to Immune Checkpoint Inhibitors”. British Journal of Cancer 118, no. 1 (January 2018): 9–16.

Johnson, A., and J. R. Giles. “The Hen as a Model of Ovarian Cancer”. Nature Reviews Cancer 13, no. 6 (2013): 432–36.

Jones, Aria. “An Open Letter to People Who Use the ‘ Battle’ Metaphor for Other People Who Have the Distinct Dis plea sure of Cancer”. McSweeney’s Internet Tendency. San Francisco: McSweeney’s Publishing, October 19, 2012.

https://www.mcsweeneys.net/articles/an-open-letter-to-people-who-use-the-battle-metaphor-for-other-people-who-have-the-distinct-displeasure-of-cancer.

Jones, S., W. D. Chen, G. Parmigiani, F. Diehl, N. Beerenwinkel, T. Antal, A. Traulsen, et al. “Comparative Lesion Sequencing Provides Insights into Tumor Evolution”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105, no. 11 (2008): 4283–88.

Kajita, Mihoko, Kaoru Sugimura, Atsuko Ohoka, Jemima Burden, Hitomi Suganuma, Masaya Ikegawa, Takashi Shimada, et al. “Filamin Acts as a Key Regulator in Epithelial Defence against Transformed Cells”. Nature Communications 5 (July 2014): 4428.

Kam, Yoonseok, Tuhin Das, Haibin Tian, Parastou Foroutan, Epifanio Ruiz, Gary Martinez, Susan Minton, Robert J. Gillies, and Robert A. Gatenby. “Sweat but No Gain: Inhibiting Proliferation of Multidrug Resistant Cancer Cells with ‘ersatzdroges’ ”. International Journal of Cancer 136, no. 4 (2015): E188–96.

Kauffman, H. Myron, Maureen A. McBride, Wida S. Cherikh, Pamela C. Spain, and Francis L. Delmonico. “Transplant Tumor Registry: Donors with Central Nervous System Tumors”. Transplantation 73, no. 4 (February 2002): 579–82.

Kauffman, H. Myron, Maureen A. McBride, Wida S. Cherikh, Pamela C. Spain, William H. Marks, and Allan M. Roza. “Transplant Tumor Registry: Donor Related Malignancies”. Transplantation 74, no. 3 (August 2002): 358–62.

Keoun, Brad. “Ashkenazim Not Alone: Other Ethnic Groups Have Breast Cancer Gene Mutations, Too”. Journal of the National Cancer Institute 89, no. 1 (January 1997): 8–9.

Knoll, Andrew H., and David Hewitt. “Phylogenetic, Functional and Geological Perspectives on Complex Multicellularity”. In The Major Transitions in Evolution Revisited, edited by Brett Calcott and Kim Sterelny, 251–70. Cambridge, MA: MIT Press, 2011.

Kostadinov, Rumen L., Mary K. Kuhner, Xiaohong Li, Carissa A. Sanchez, Patricia C. Galipeau, Thomas G. Paulson, Cassandra L. Sather, et al. “NSAIDs Modulate Clonal Evolution in Barrett’s Esophagus”. PLoS Genetic s 9, no. 6 (June 2013): e1003553.

Kuchenbaecker, Karoline B., John L. Hopper, Daniel R. Barnes, KellyAnne Phillips, Thea M. Mooij, MarieJosé RoosBlom, Sarah Jervis, et al. “Risks of Breast, Ovarian, and Contralateral Breast Cancer for BRCA1 and BRCA2 Mutation Carriers”. Journal of the American Medical Association 317, no. 23 (June 2017): 2402–16.

Kurbel, Sven, Stjepko Plestina, and Damir Vrbanec. “Occurrence of the Acquired Immunity in Early Vertebrates due to Danger of Transmissible Cancers Similar to Canine Venereal Tumors”. Medical Hypotheses 68, no. 5 (2007): 1185–86.

Kurian, Allison W., Yun Li, Ann S. Hamilton, Kevin C. Ward, Sarah T. Hawley, Monica Morrow, M. Chandler McLeod, Reshma Jagsi, and Steven J. Katz. “Gaps in Incorporating Germline Genetic Testing into Treatment Decision-Making for Early-Stage Breast Cancer”. Journal of Clinical Oncology 35, no. 20 (July 2017): 2232–39.

Kwiatkowski, Fabrice, Marie Arbre, Yannick Bidet, Claire Laquet, Nancy Uhrhammer, and YvesJean Bignon. “BRCA Mutations Increase Fertility in Families at Hereditary Breast/Ovarian Cancer Risk”. PloS One 10, no. 6 (June 2015): e0127363.

Landis, T. D., and R. K. Dumroese, “Integrated Pest Management – An Overview and Update”. Forest Nursery Notes (2014).

https://www.researchgate.net/profile/R_Kasten_Dumroese/publication/272682105_Integrated_pest_managementan_overview_and_update/links/54ebbce10cf2082851be7e2b.pdf.

Lean, Christopher, and Anya Plutynski. “The Evolution of Failure: Explaining Cancer as an Evolutionary Process”. Biology and Philosophy 31, no. 1 (January 2016): 39–57.

Lecuit, Marc, Eric Abachin, Antoine Martin, Claire Poyart, Philippe Pochart, Felipe Suarez, Djaouida Bengoufa, et al. “Immuno-proliferative Small Intestinal Disease Associated with Campylobacter Jejuni”. New England Journal of Medicine 350, no. 3 (January 2004): 239–48.

“Leukemia – Cancer Stat Facts”. Surveillance, Epidemiology, and End Results Program, National Cancer Institute, просмотрено 20 июня 2019 года, https://seer.cancer.gov/statfacts/html/leuks.html.

Luebeck, Georg E., William D. Hazelton, Kit Curtius, Sean K. Maden, Ming Yu, Kelly T. Car ter, Wynn Burke, et al. “Implications of Epigenetic Drift in Colorectal Neoplasia”. Cancer Research 79, no. 3 (February 2019): 495–504.

Maley, Carlo C., Athena Aktipis, Trevor A. Graham, Andrea Sottoriva, Amy M. Boddy, Michalina Janiszewska, Ariosto S. Silva, et al. “Classifying the Evolutionary and Ecological Features of Neoplasms”. Nature Reviews Cancer 17, no. 10 (October 2017): 605–19.

Marin, Ioana, and Jonathan Kipnis. “Learning and Memory… and the Immune System”. Learning and Memory 20, no. 10 (September 2013): 601–6.

Marlowe, Frank W. “The Mating System of Foragers in the Standard Cross-Cultural Sample”. Cross-Cultural Research 37, no. 3 (August 2003): 282–306.

Martincorena, Inigo, Joanna C. Fowler, Agnieszka Wabik, Andrew R. J. Lawson, Federico Abascal, Michael W. J. Hall, Alex Cagan, et al. “Somatic Mutant Clones Colonize the Human Esophagus with Age”. Science 362, no. 6417 (November 2018): 911–17.

Martincorena, Inigo, Amit Roshan, Moritz Gerstung, Peter Ellis, Peter Van Loo, Stuart McLaren, David C. Wedge, et al. “Tumor Evolution: High Burden and Pervasive Positive Selection of Somatic Mutations in Normal Human Skin”. Science 348, no. 6237 (May 2015): 880–86.

Marusyk, Andriy, Doris P. Tabassum, Philipp M. Altrock, Vanessa Almendro, Franziska Michor, and Kornelia Polyak. “Non-Cell-Autonomous Driving of Tumour Growth Supports Sub-Clonal Heterogeneity”. Nature 514, no. 7520 (October 2014): 54–58.

Maynard Smith, John. “Group Selection and Kin Selection ”. Nature 201 (March 1964): 1145.

Maynard Smith, John, and Eörs Szathmáry. The Major Transitions in Evolution. Oxford: Oxford University Press, 1995.

Mazzone, M., D. Dettori, R. Leite de Oliveira, S. Loges, T. Schmidt, B. Jonckx, Y. M. Tian, et al. “Heterozygous Deficiency of PHD2 Restores Tumor Oxygenation and Inhibits Metastasis via Endothelial Normalization”. Cell 136, no. 5 (2009): 839–51.

McKeown, Thomas, and R. G. Record. “The Influence of Placental Size on Foetal Growth according to Sex and Order of Birth”. Journal of Endocrinology 10, no. 1 (November 1953): 73–81.

MeierAbt, Fabienne, Mohamed BentiresAlj, and Christoph Rochlitz. “Breast Cancer Prevention: Lessons to Be Learned from Mechanisms of Early Pregnancy-Mediated Breast Cancer Protection”. Cancer Research 75, no. 5 (March 2015): 803–7.

Merlo, Lauren F., J. W. Pepper, Brian J. Reid, and Carlo C. Maley. “Cancer as an Evolutionary and Ecological Process”. Nature Reviews Cancer 6, no. 12 (2006): 924–35.

Metzger, Michael J., and Stephen P. Goff. “A Sixth Modality of Infectious Disease: Contagious Cancer from Devils to Clams and Beyond”. PLoS Pathogens 12, no. 10 (October 2016): e1005904.

Meza, R., E. G. Luebeck, and S. H. Moolgavkar. “Gestational Mutations and Carcinogenesis”. Mathematical Biosciences 197, no. 2 (2005): 188–210.

Moller, Henrik. “Lessons for Invasion Theory from Social Insects”. Biological Conservation 78, no. 1 (October 1996): 125–42.

Monk, M., and C. Holding. “Human Embryonic Genes ReExpressed in Cancer Cells”. Oncogene 20, no. 56 (December 2001): 8085–91.

Moore, A. E., C. P. Rhoads, and C. M. Southam. “Homotransplantation of Human Cell Lines”. Science 125, no. 3239 (January 1957): 158–60.

Morange, Michel. “What History Tells Us XXVIII. What Is Really New in the Current Evolutionary Theory of Cancer?” Journal of Biosciences 37, no. 4 (September 2012): 609–12.

Moslehi, Roxana, Ranjana Singh, Lawrence Lessner, and Jan M. Friedman. “Impact of BRCA Mutations on Female Fertility and Offspring Sex Ratio”. American Journal of Human Biology 22, no. 2 (March 2010): 201–5.

Muehlenbachs, Atis, Julu Bhatnagar, Carlos A. Agudelo, Alicia Hidron, Mark L. Eberhard, Blaine A. Mathison, Michael A. Frace, et al. “Malignant Transformation of Hymenolepis Nana in a Human Host”. New England Journal of Medicine 373, no. 19 (November 2015): 1845–52.

Muñoz, Nubia, Xavier Castellsagué, Amy Berrington de González, and Lutz Gissmann. “Chapter 1: HPV in the Etiology of Human Cancer”. Vaccine 24, suppl. 3 (August 2006): S3/1–10.

Murchison, E. P. “Clonally Transmissible Cancers in Dogs and Tasmanian Devils”. Oncogene 27, suppl. 2 (December 2008): S19– S30.

Murgia, Claudio, Jonathan K. Pritchard, Su Yeon Kim, Ariberto Fassati, and Robin A. Weiss. “Clonal Origin and Evolution of a Transmissible Cancer”. Cell 126, no. 3 (August 2006): 477–87.

Nahta, Rita, Dihua Yu, MienChie Hung, Gabriel N. Hortobagyi, and Francisco J. Esteva. “Mechanisms of Disease: Understanding Resistance to HER2Targeted Therapy in Human Breast Cancer”. Nature Clinical Practice Oncology 3, no. 5 (May 2006): 269–80.

National Cancer Institute. “NCI Dictionary of Cancer Terms”. Просмотрено 2 февраля 2011 года. https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms.

Nesse, Randolph M. “Natural Selection and the Regulation of Defenses: A Signal Detection Analysis of the Smoke Detector Principle”. Evolution and Human Behavior 26, no. 1 (2005): 88–105.

Noë, Ronald, and Peter Hammerstein. “Biological Markets: Supply and Demand Determine the Effect of Partner Choice in Cooperation, Mutualism and Mating”. Behavioral Ecology and Sociobiology 35, no. 1 (1994): 1–11.

Nougayrède, JeanPhilippe, Stefan Homburg, Frédéric Taieb, Michèle Boury, Elzbieta Brzuszkiewicz, Gerhard Gottschalk, Carmen Buchrieser, Jörg Hacker, Ulrich Dobrindt, and Eric Oswald. “Escherichia Coli Induces DNA DoubleStrand Breaks in Eukaryotic Cells”. Science 313, no. 5788 (August 2006): 848–51.

Nowell, Peter C. “The Clonal Evolution of Tumor Cell Populations”. Science 194, no. 4260 (1976): 23–28.

Nunney, Leonard. “Lineage Selection and the Evolution of Multistage Carcinogenesis”. Proceedings of the Royal Society of London, Series B 266, no. 1418 (March 7, 1999): 493–98.

Nunney, Leonard, Carlo C. Maley, Matthew Breen, Michael E. Hochberg, and Joshua D. Schiffman. “Peto’s Paradox and the Promise of Comparative Oncology”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (July 2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0177.

Odes, Edward J., Patrick S. RandolphQuinney, Maryna Steyn, Zach Throckmorton, Jacqueline S. Smilg, Bernhard Zipfel, Tanya N. Augustine, Frikkie de Beer, et al. “Earliest Hominin Cancer: 1. 7MillionYearOld Osteosarcoma from Swartkrans Cave, South Africa”. South African Journal of Science 112, no. 7/8 (July 2016). https://doi.org/10.17159/sajs.2016/20150471.

Office for National Statistics. “ Causes of Death over 100 Years”. September 18, 2017. https://www.ons.gov.uk/peoplepopulationandcommunity/birthsdeathsandmarriages/deaths/articles/causesofdeathover100years/20170918.

Olson, Peter D., Kristine Yoder, Luis F. Fajardo, Aileen M. Marty, Simone van de Pas, Claudia Olivier, and David A. Relman. “Lethal Invasive Cestodiasis in Immunosuppressed Patients”. Journal of Infectious Diseases 187, no. 12 (June 2003): 1962–66.

Oronsky, Bryan, Corey A. Car ter, Vernon Mackie, Jan Scicinski, Arnold Oronsky, Neil Oronsky, Scott Caroen, Christopher Parker, Michelle Lybeck, and Tony Reid. “The War on Cancer: A Military Perspective”. Frontiers in Oncology 4 (2014): 387.

Pal, Tuya, David Keefe, Ping Sun, Steven A. Narod, and Hereditary Breast Cancer Clinical Study Group. “Fertility in Women with BRCA Mutations: A Case-Control Study”. Fertility and Sterility 93, no. 6 (April 2010): 1805–8.

Pardoll, Drew M. “The Blockade of Immune Checkpoints in Cancer Immunotherapy”. Nature Reviews Cancer 12, no. 4 (March 2012): 252–64.

Parvinen, Kalle. “Evolutionary Suicide”. Acta Biotheoretica 53, no. 3 (2005): 241–64.

Penn, I., C. G. Halgrimson, and T. E. Starzl. “De Novo Malignant Tumors in Organ Transplant Recipients”. Transplantation Proceedings 3, no. 1 (March 1971): 773–78.

Pepper, John W. “Drugs That Target Pathogen Public Goods Are Robust against Evolved Drug Resistance”. Evolutionary Applications 5, no. 7 (November 2012): 757–61.

Perri, Angela, Chris Widga, Dennis Lawler, Terrance Martin, Thomas Loebel, Kenneth Farnsworth, Luci Kohn, and Brent Buenger. “New Evidence of the Earliest Domestic Dogs in the Americas”. bioRxiv, June 27, 2018. https://doi.org/10.1101/343574.

Pesavento, Patricia A., Dalen Agnew, Michael K. Keel, and Kevin D. Woolard. “Cancer in Wildlife: Patterns of Emergence”. Nature Reviews Cancer 18, no. 10 (October 2018): 646–61.

Peto, R., F. J. Roe, P. N. Lee, L. Levy, and J. Clack. “Cancer and Ageing in Mice and Men”. British Journal of Cancer 32, no. 4 (October 1975): 411–26.

Peto, Richard. “Epidemiology, Multistage Models, and Short-term Mutagenicity Tests”. International Journal of Epidemiology 45, no. 3 (1977): 621–37.

Pfister, G. “Multisensor/Multicriteria Fire Detection: A New Trend Rapidly Becomes State of the Art”. Fire Technology 33, no. 2 (May 1997): 115–39.

Pierce, Robert A., II, Jason Sumners, and Emily Flinn. “Antler Development in WhiteTailed Deer: Implications for Management”. University of Missouri Extension, January 2012. https://extension2.missouri.edu/g9486.

Proksch, Ehrhardt, Johanna M. Brandner, and JensMichael Jensen. “The Skin: An Indispensable Barrier”. Experimental Dermatology 17, no. 12 (December 2008): 1063–72.

Pye, Ruth J., David Pemberton, Cesar Tovar, Jose M. C. Tubio, Karen A. Dun, Samantha Fox, Jocelyn Darby, et al. “A Second Transmissible Cancer in Tasmanian Devils”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113, no. 2 (January 2016): 374–79.

Quinlan, Robert J., and Marsha B. Quinlan. “Evolutionary Ecology of Human Pair-Bonds: Cross-Cultural Tests of Alternative Hypotheses”. Cross-Cultural Research 41, no. 2 (May 2007): 149–69.

Rankin, Erinn B., and Amato J. Giaccia. “Hypoxic Control of Metastasis”. Science 352, no. 6282 (April 2016): 175–80.

Read, Andrew F. “The Selfish Germ”. PLoS Biology 15, no. 7 (July 2017): e2003250.

Rebbeck, Clare A., Rachael Thomas, Matthew Breen, Armand M. Leroi, and Austin Burt. “Origins and Evolution of a Transmissible Cancer”. Evolution: International Journal of Organic Evolution 63, no. 9 (September 2009): 2340–49.

Reik, Wolf, Miguel Constância, Abigail Fowden, Neil Anderson, Wendy Dean, Anne FergusonSmith, Benjamin Tycko, and Colin Sibley. “Regulation of Supply and Demand for Maternal Nutrients in Mammals by Imprinted Genes”. Journal of Physiology 547, pt. 1 (February 2003): 35–44.

Robey, Ian F., Brenda K. Baggett, Nathaniel D. Kirkpatrick, Denise J. Roe, Julie Dosescu, Bonnie F. Sloane, Arig Ibrahim Hashim, et al. “Bicarbonate Increases Tumor pH and Inhibits Spontaneous Metastases”. Cancer Research 69, no. 6 (March 2009): 2260–68.

Rogozin, Igor B., and Youri I. Pavlov. “Theoretical Analysis of Mutation Hotspots and Their DNA Sequence Context Specificity”. Mutation Research 544, no. 1 (September 2003): 65–85.

Rosalie, David A., and Michael R. Zimmerman. “Cancer: An Old Disease, a New Disease or Something in Between?” Nature Reviews Cancer 10, no. 10 (2010): 728–33.

Rosenberg, S. M. “Evolving Responsively: Adaptive Mutation”. Nature Reviews Genetic s 2, no. 7 (July 2001): 504–15.

Rothschild, Bruce M., Brian J. Witzke, and Israel Hershkovitz. “Metastatic Cancer in the Jurassic”. Lancet 354, no. 9176 (July 1999): 398.

Rothwell, Peter M., F. Gerald R. Fowkes, Jill F. F. Belch, Hisao Ogawa, Charles P. Warlow, and Tom W. Meade. “Effect of Daily Aspirin on Long-term Risk of Death due to Cancer: Analysis of Individual Patient Data from Randomised Trials”. Lancet 377, no. 9759 (January 2011): 31–41.

SantamaríaFríes, M., L. F. Fajardo, M. L. Sogin, P. D. Olson, and D. A. Relman. “Lethal Infection by a Previously Unrecognised Metazoan Parasite”. Lancet 347, no. 9018 (June 1996): 1797–1801.

Scanlon, E. F., R. A. Hawkins, W. W. Fox, and W. S. Smith. “Fatal Homotransplanted Melanoma: A Case Report”. Cancer 18 (June 1965): 782–89.

Schiffman, Joshua D., and Matthew Breen. “Comparative Oncology: What Dogs and Other Species Can Teach Us about Humans with Cancer”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 370, no. 1673 (July 2015). https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0231.

Schiffman, Joshua D., Richard M. White, Trevor A. Graham, Qihong Huang, and Athena Aktipis. “The Darwinian Dynamics of Motility and Metastasis”. In Frontiers in Cancer Research, 135–76. New York: Springer, 2016.

Scott, Alasdair J., Claire A. Merrifield, Jessica A. Younes, and Elizabeth P. Pekelharing. “Pre, Proand Synbiotics in Cancer Prevention and Treatment— A Review of Basic and Clinical Research”. ecancermedicalscience 12 (September 2018): 869.

Siddle, Hannah V., and Jim Kaufman. “A Tale of Two Tumours: Comparison of the Immune Escape Strategies of Contagious Cancers”. Molecular Immunology 55, no. 2 (September 2013): 190–93.

Siegel, R. L., K. D. Miller, and A. Jemal. “Cancer Statistics, 2018”. CA: A Cancer Journal for Clinicians 68, no. 1 (2018): 7–30.

Smith, K. R., H. A. Hanson, G. P. Mineau, and S. S. Buys. “Effects of BRCA1 and BRCA2 Mutations on Female Fertility”. Proceedings of the Royal Society of London, Series B 279, no. 1732 (2011): 1389–95. https://doi.org/10.1098/rspb.2011.1697.

Sober, Elliott, and David Sloan Wilson. Unto Others: The Evolution and Psychology of Unselfish Behavior. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1998.

Sonnenschein, C., and A. M. Soto. The Society of Cells: Cancer and Control of Cell Proliferation. New York: Springer, 1999.

Sprouffske, Kathleen, C. Athena Aktipis, Jerald P. Radich, Martin Carroll, Aurora M. Nedelcu, and Carlo C. Maley. “An Evolutionary Explanation for the Presence of Cancer Non-stem Cells in Neoplasms”. Evolutionary Applications 6, no. 1 (January 2013): 92–101.

Ståhl, Patrik L., Henrik Stranneheim, Anna Asplund, Lisa Berglund, Fredrik Pontén, and Joakim Lundeberg. “Sun-Induced Nonsynonymous p53 Mutations Are.Extensively Accumulated and Tolerated in Normal Appearing Human Skin”. Journal of Investigative Dermatology 131, no. 2 (February 2011): 504–8.

Sulak, Michael, Lindsey Fong, Katelyn Mika, Sravanthi Chigurupati, Lisa Yon, Nigel P. Mongan, Richard D. Emes, and Vincent J. Lynch. “TP53 Copy Number Expansion Is Associated with the Evolution of Increased Body Size and an Enhanced DNA Damage Response in Elephants”. eLife 5 (September 2016). https://doi.org/10.7554/eLife.11994.

Summers, K., J. da Silva, and M. A. Farwell. “Intragenomic Conflict and Cancer”. Medical Hypotheses 59, no. 2 (August 2002): 170–79.

Sun Tzu. The Art of War: Complete Texts and Commentaries. Translated by the Denma Translation Group. Boulder, CO: Shambhala Classics, 2005.

Tai, Guangping, Michael Tai, and Min Zhao. “Electrically Stimulated Cell Migration and Its Contribution to Wound Healing”. Burns and Trauma 6 (July 9, 2018): 20.

Temel, Jennifer S., Joseph A. Greer, Alona Muzikansky, Emily R. Gallagher, Sonal Admane, Vicki A. Jackson, Constance M. Dahlin, et al. “Early Palliative Care for Patients with Metastatic Non-Small-Cell Lung Cancer”. New England Journal of Medicine 363, no. 8 (August 2010): 733–42.

Thomas, Frédéric, Thomas Madsen, Mathieu Giraudeau, Dorothée Misse, Rodrigo Hamede, Orsolya Vincze, François Renaud, Benjamin Roche, and Beata Ujvari. “Transmissible Cancer and the Evolution of Sex”. PLoS Biology 17, no. 6 (June 2019): e3000275.

Tiede, Benjamin, and Yibin Kang. “From Milk to Malignancy: The Role of Mammary Stem Cells in Development, Pregnancy and Breast Cancer”. Cell Research 21, no. 2 (February 2011): 245–57.

Tollis, Marc, Jooke Robbins, Andrew E. Webb, Lukas F. K. Kuderna, Aleah F.

Caulin, Jacinda D. Garcia, Martine Bèrubè, et al. “Return to the Sea, Get Huge, Beat Cancer: An Analysis of Cetacean Genomes Including an Assembly for the Humpback Whale (Megaptera Novaeangliae)”. Molecular Biology and Evolution 36, no. 8 (August 2019): 1746–63.

Topalian, Suzanne L., F. Stephen Hodi, Julie R. Brahmer, Scott N. Gettinger, David C. Smith, David F. McDermott, John D. Powderly, et al. “Safety, Activity, and Immune Correlates of AntiPD-1 Antibody in Cancer”. New England Journal of Medicine 366, no. 26 (June 2012): 2443–54.

Trigos, Anna S., Richard B. Pearson, Anthony T. Papenfuss, and David L. Goode. “Altered Interactions between Unicellular and Multicellular Genes Drive Hallmarks of Transformation in a Diverse Range of Solid Tumors”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114, no. 24 (June 2017): 6406–11.

Trivers, Robert L. “The Evolution of Reciprocal Altruism”. Quarterly Review of Biology 46, no. 1 (March 1971): 35–57.

Turajlic, Samra, and Charles Swanton. “Metastasis as an Evolutionary Process”. Science 352, no. 6282 (April 2016): 169–75.

Turner, Kristen M., Viraj Deshpande, Doruk Beyter, Tomoyuki Koga, Jessica Rusert, Catherine Lee, Bin Li, et al. “Extrachromosomal Oncogene Amplification. Drives Tumour Evolution and Genetic Heterogeneity”. Nature 543 (February 2017): 122.

Ukraintseva, Svetlana V., Konstantin G. Arbeev, Igor Akushevich, Alexander Kulminski, Liubov Arbeeva, Irina Culminskaya, Lucy Akushevich, and Anatoli I. Yashin. “Trade-Offs between Cancer and Other Diseases: Do They Exist and Influence Longevity?” Rejuvenation Research 13, no. 4 (August 2010): 387–96.

Vaughan, Thomas L., Linda M. Dong, Patricia L. Blount, Kamran Ayub, Robert D. Odze, Carissa A. Sanchez, Peter S. Rabinovitch, and Brian J. Reid. “NonSteroidal Anti-Inflammatory Drugs and Risk of Neoplastic Progression in Barrett’s Oesophagus: A Prospective Study”. Lancet Oncology 6, no. 12 (December 2005): 945–52. https://doi.org/10.1016/S14702045(05)704319.

Vousden, Karen H., and Xin Lu. “Live or Let Die: The Cell’s Response to p53”. Nature Reviews Cancer 2, no. 8 (August 2002): 594–604.

Waldman, Katy. “ We’re Finally Winning the Battle against the Phrase ‘ Battle with Cancer’ ”. Slate, July 30, 2015. https://slate.com/human-interest/2015/07/how-battle-with-cancer-is-being-replaced-by-journey-with-cancer.html

Walsh, Justin T., Simon Garnier, and Timothy A. Linksvayer. “Ant Collective Behavior Is Heritable and Shaped by Selection ”. bioRxiv (March 2019): 567503.

Wang, Xu, Donald C. Miller, Rebecca Harman, Douglas F. Antczak, and Andrew G. Clark. “Paternally Expressed Genes Predominate in the Placenta”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, no. 26 (June 2013): 10705–10.

Wang, Yu, Chenzhou Zhang, Nini Wang, Zhipeng Li, Rasmus Heller, Rong Liu, Yue Zhao, et al. “Genetic Basis of Ruminant Headgear and Rapid Antler Regeneration”. Science 364, no. 6446 (June 2019). https://doi.org/10.1126/science.aav6335.

Wasielewski, H., J. Alcock, and A. Aktipis. “Resource Conflict and Cooperation between Human Host and Gut Microbiota: Implications for Nutrition and Health”. Annals of the New York Academy of Sciences 1372, no. 1 (2016): 20–28.

Whisner, C., and A. Aktipis. “The Role of the Microbiome in Cancer Initiation and Progression: How Microbes and Cancer Cells Utilize Excess Energy and Promote One Another’s Growth”. Current Nutrition Reports 8, no. 1 (March 2019): 42–51.

White, Philip R., and Armin C. Braun. “A Cancerous Neoplasm of Plants: Autonomous Bacteria-Free Crown-Gall Tissue”. Cancer Research 2, no. 9 (1942): 597–617.

Wirén, Sara, Christel Häggström, Hanno Ulmer, Jonas Manjer, Tone Bjørge, Gabriele Nagel, Dorthe Johansen, et al. “Pooled Cohort Study on Height and Risk of Cancer and Cancer Death”. Cancer Causes and Control 25, no. 2 (February 2014): 151–59.

Witherow, Beth Ann, Gregory S. Roth, Mark A. Carrozza, Ronald W. Freyberg, Jonathan E. Kopke, Rita R. Alloway, Joseph F. Buell, et al. “The Israel Penn International Transplant Tumor Registry”. AMIA Annual Symposium Proceedings (2003): 1053.

Wu, Shaoguang, KiJong Rhee, Emilia Albesiano, Shervin Rabizadeh, Xinqun Wu, HungRong Yen, David L. Huso, et al. “A Human Colonic Commensal Promotes. Colon Tumorigenesis via Activation of T Helper Type 17 T Cell Responses”. Nature Medicine 15, no. 9 (September 2009): 1016–22.

Wynendaele, Evelien, Frederick Verbeke, Matthias D’Hondt, An Hendrix, Christophe Van De Wiele, Christian Burvenich, Kathelijne Peremans, Olivier De Wever, Marc Bracke, and Bart De Spiegeleer. “Crosstalk between the Microbiome and Cancer Cells by Quorum Sensing Peptides”. Peptides 64 (February 2015): 40–48.

Yokoyama, Akira, Nobuyuki Kakiuchi, Tetsuichi Yoshizato, Yasuhito Nannya, Hiromichi Suzuki, Yasuhide Takeuchi, Yusuke Shiozawa, et al. “Age-Related Remodelling of Oesophageal Epithelia by Mutated Cancer Drivers”. Nature 565, no. 7739 (January 2019): 312–17.

Zhang, Jingsong, Jessica J. Cunningham, Joel S. Brown, and Robert A. Gatenby.

“Integrating Evolutionary Dynamics into Treatment of Metastatic Castrate-Resistant Prostate Cancer”. Nature Communications 8, no. 1 (November 2017): 1816.

Отзыв российского специалиста

Эта книга заставит вас посмотреть на рак по-другому! В этом заявлении нет ничего сенсационного. Любое явление в биологии можно рассмотреть с точки зрения различных дисциплин. Об онкологических заболеваниях мы знаем, как об одной из самых распространенных причин смертности в мире. К сожалению, с этим заболеванием напрямую или нет сталкивались очень многие. Мы с облегчением узнаем о новых методах лечения. Мы знаем, что курение, долгое нахождение на солнце и другие факторы повышают риск новообразований. Но мало кто задумывается, почему рак существует?

В этой книге посмотрим на рак глазами специалиста по эволюционной биологии и психологии, а также биологии рака Афины Актипис.

Эта книга поможет осмыслить, что онкологические заболевания – это часть нас самих. И не только человека, но и любого многоклеточного существа: от кактуса до тасманийского дьявола. Рак возникает из-за того, что в организмах, где нужно скоординировать работу стольких клеток, неизбежно возникают недобросовестные клетки, которые отказываются подчиняться правилам.

Другой интересный вопрос – почему такие клетки побеждают? И тут мы снова посмотрим на рак с точки зрения эволюции и экологии. Ведь в наших организмах практически целая экосистема со своими правилами и законами, к которой раковым клеткам предстоит приспособиться путем естественного отбора и создать злокачественную опухоль или быть побежденными организмом, который противодействует этому.

Казалось бы, зачем нужен такой подход? Как он поможет людям, страдающим от онкологических заболеваний? На самом деле, понимание рака со всех сторон необходимо для того, чтобы разрабатывать новые подходы к его лечению.

Мы все больше узнаем о молекулярных и клеточных причинах развития рака, но понимание его экологии и эволюции только начинается. Эта книга – прекрасное резюме того, что мы знаем сейчас, и предисловие к тому, что нам еще предстоит узнать.

Рекомендую книгу всем: от онкологов и специалистов по биологии рака до людей, столкнувшихся с онкологическими заболеваниями.

ЕКАТЕРИНА ГРАЧЕВА доктор естественных наук (doctor rerum naturalium), молекулярный и клеточный биолог, популяризатор науки, автор блога @vnizgolovoi

* * *