Эволюция как сопротивление энтропии Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции. Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Почему одни виды рака бывают часто, а другие редко

30.01.2015

Рис. 1. Деление и дифференцировка стволовых клеток. А -- стволовые клетки, В -- незрелые клетки-предшественники, С -- зрелые дифференцированные клетки. 1 -- симметричное деление стволовых клеток, 2 -- асимметричное деление стволовых клеток, 3 -- деление клеток-предшественников, 4 -- конечная дифференцировка. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Уже более ста лет врачам известно, что в некоторых типах тканей раковые опухоли возникают сравнительно часто, а в других -- намного реже, иногда в миллионы раз. До сих пор этому факту не было убедительного объяснения. Авторы рассматриваемой работы показали, что вероятность образования опухоли может быть связана с общим количеством делений нормальных стволовых клеток, присутствующих в любой самообновляющейся ткани. И, по-видимому, только треть форм рака связана с факторами риска окружающей среды или с нас ледственной предрасположенностью.

Риск человека на протяжении жизни заболеть раком того или иного органа различается во много раз. Так, вероятность рака легких составляет ~7%, а рака хряща гортани -- ~0,00072%. Некоторые из этих различий связаны с хорошо известными факторами риска: курением, употреблением алкоголя, ультрафиолетовым излучением, хроническими инфекциями, вызванными вирусами папилломы или гепатита С, и др. Но эти факторы риска не объясняют, почему, например, в различных участках пищеварительного тракта вероятность возникновения рака мож т отличаться в 24 раза (4,82% в толстом кишечнике и 0,20% в тонком). Или почему частота рака тонкого кишечника, подвергающегося воздействию многих факторов риска, в 3 раза меньше, чем некоторых опухолей мозга, огражденного гемато-энцефалическим барьером?

Другой хорошо известный провокатор рака -- это врожденные генетические аномалии. Наследственный компонент свойственен 5-10% раков. И опять-таки, наследственная мутация гена АРС (аденоматозного полипоза кишечника, см. Adenomatous polyposis coli) предрасполагает к раку как толстого, так и тонкого кишечника. Но рак толстого кишечника у носителей этой мутации встречается гораздо чаще, чем рак тонкого кишечника.

Поскольку ни факторы риска окружающей среды, ни наследственные факторы не объясняют различий в вероятности возникновения рака различных органов и тканей, Кристиан Томазетти (Cristian Tomasetti) и Берт Фогельштейн (Bert Vogelstein) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса исследовали влияние третьего возможного фактора -- стохастического (случайного) возникновения мутаций при репликации геномной ДНК клеток. Досто верно установлено, что основной причиной рака являются приобретенные клетками генетические аномалии, на чем и основана общепризнанная теория канцерогенеза как следствия мутаций соматических клеток. Вероятность возникновения мутаций при каждой репликации для всех клеток млекопитающих практически одинакова. Поэтому концепция, принятая авторами, предусматривает строгую количественную корреляцию между числом делений клеток определенного ласса на протяжении средней жизни человека и риском возникновения у него рака. Таким классом клеток являются стволовые клетки любой самообновляющейся ткани, за счет которых происходит ее самообновление.

Стволовые клетки составляют очень небольшую часть ткани. В результате деления стволовой клетки одна из клеток-потомков сохраняется как самообновление стволового клона, другая делится, подвергается дифференцировке и в конечном итоге из нее образуются зрелые клетки данной ткани (рис. 1). Авторы провели достаточно глубокий статистический анализ, сопоставив имеющиеся данные по количественной оценке числа делений стволовых клеток на протяжении жизни в 31 типе ткани с частотой возникновения раковых опухолей соответствую их тканей (рис. 2). С удивлением, как отмечают сами авторы, они обнаружили, что эти два совершенно различных параметра коррелируют с очень высокой степенью достоверности: коэффициент ранговой корреляции Спирмена равен 0,81, а линейный коэффициент корреляции Пирсона равен 0,804 при доверительном интервале 95% (это означает, что 65% -- от 39% до 81% -- вариаций риска возникновения рака в разных тканях может быть объяснено числом делений стволовых клеток в этих тканях). Ни один из известных факторов риска таким свойством не обладал. Таким образом, стохастический эффект репликации ДНК стволовых клеток представля ется основным вкладом в формирование многих типов раковых опухолей человека.

Рис. 2. Соотношение между числом делений стволовых клеток в данной ткани на протяжении средней человеческой жизни и риском возникновения рака этой ткани. По оси абсцисс -- общее число делений стволовых клеток. По оси ординат -- риск возникновения рака. FAP -- семейный аденоматозный полипоз, HCV -- вирус гепатита С, HPV -- вирус папилломы человека, CLL -- хроническая лимфоцитарная лейкемия, AML -- острая миелоидная лейкемия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Далее авторы провели оценку доли вклада в генез различных раков факторов окружающей среды и врожденных мутаций по сравнению с эффектом репликации ДНК. В соответствии с полученными результатами типы раков разделили на две группы -- с количественно выраженным существенным влиянием на онкогенез первой группы факторов (D-опухоли) и с ограниченным или минимальным их влиянием (R-опухоли, рис. 3).

Рис. 3. Стохастические (репликативные) факторы против факторов окружающей среды и наследственных факторов. Величины aERS (adjusted extra risk score — вычисленные показатели дополнительного риска) указаны для каждого из приведенных типов рака. Зеленым обозначены опухоли с негативным aERS — обусловленные стохастическим эффектом репликации ДНК стволовых клеток, синим — опухоли с положительным aERS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, к двум известным факторам риска онкогенеза (компонентам внешней среды и врожденным мутациям) нужно добавить третий -- ошибки репликации генома нормальных стволовых клеток. Последний может быть главным и при существенном влиянии первых двух. Так, при семейном аденоматозном полипозе кишечника вероятность развития рака толстой кишки в ~30 раз выше, чем рака двенадцатиперстной кишки. Возможно, это связано с тем, что клетки последней испытывают примерно в 150 раз меньше делений. Показательно, что у модельн ых мышей закономерность образования раковых опухолей обратная. При этом у них количество делений стволовых клеток толстого кишечника меньше, чем тонкого.

Результаты работы Томазетти и Фогельштейна могут иметь не только очевидное теоретическое, но и практическое значение. Возможно, придется скорректировать общую стратегию предотвращения и диагностики рака. Для D-раков большое значение должны иметь, во-первых, профилактика (исключение влияния негативных внешних факторов) и, во-вторых, ранняя диагностика. Для R-раков попытки профилактики будут, скорее всего, неэффективными, и следует сосредоточить усилия на ранней диагностике. А многим заболевшим раком, которые вели праведный и здор овый образ жизни, утешением, хотя и слабым, может служить факт, что их вины в заболевании нет и им просто не повезло.

Естественно, что эта неординарная публикация вызвала много откликов как ученых, так и общественности. Отклики ученых, как правило, положительны (см. статьи J. Couzin-Frankel ``The bad luck of cancer'' и ``Backlash greets "bad luck' cancer study and coverage'' в Science). Но, например, непонятно, почему авторы не рассматривают такие часто встречающиеся формы рака, как рак молочной железы или рак простаты. Возможно, для этих форм нет достаточного объема данных по стволовым клеткам. А&nb sp;многие журналисты, как часто бывает, не разобравшись, искажают суть дела. Так, факторы внешней среды и наследственность практически не влияют на 2/3 форм, а не случаев рака.

Видимо, столь широким резонансом вызвана и резкая реакция Всемирной организации здравоохранения, озабоченной тем, что эта статья может быть неправильно истолкована и отвлечет внимание от поиска причин того или иного рака и способов его предотвращения (см. Most types of cancer not due to ``bad luck'', в русском заголовке даже доходящая до абсурда: В ВОЗ отвергли утверждения о том, что основная причина возникновения рака -- генетические мутации). Однако еждународное агентство по изучению рака не может отрицать генетические мутации как достоверно установленную причину рака. А Берт Фогельштейн, хорошо известный благодаря своим пионерским исследованиям по молекулярной биологии рака, вряд ли стал бы публиковать сырые результаты.

Источник: Cristian Tomasetti, Bert Vogelstein. Cancer etiology. Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions // Science. 2015. V. 347. P. 78-81.

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

29.01 Эмоциональный опыт ведет к избирательному закреплению воспоминаний о предшествующих событиях

Эмоционально насыщенные переживания способствуют закреплению воспоминаний о незначительных предшествующих событиях и стимулах, которые без этих переживаний были бы забыты. Американские ученые показали, что такое ретроспективное закрепление воспоминаний является избирательным. Запоминаются не все детали недавнего опыта, а лишь связанные по смыслу с обстоятельствами последующего эмоционального переживания. Полученные результаты согласуются с гипотезой <<синаптических меток>>.

28.01 Создан Атлас белков человека

Усилиями большой группы специалистов собраны воедино все имеющиеся данные о белках человеческого тела и их количестве в разных тканях и клетках. Интерактивный <<Атлас белков человека>> позволяет увидеть всю информацию по всем конкретным белкам, причем не только литературные данные, но и авторские экспериментальные изыскания по оценке объемов тканеспецифичных белков и соответствующих транскриптов. Атлас весьма перспективен для поиска новых лекарств, способных сбалансировать нарушенный болезнью метаболизм.

28.01 Ученые просчитали покер

В начале 2015 года в журнале Science вышла статья, в которой было объявлено об успешном завершении просчета одной из версий покера -- хедз-ап в лимитном техасском холдеме. Найденная стратегия на длинной дистанции должна обыгрывать остальные стратегии, при этом получилось, что дилер имеет преимущество перед вторым игроком. Авторы статьи предлагают ведущим профессиональным игрокам в покер опробовать стратегию на практике и убедиться в ее оптимальности.

27.01 Научиться запоминать лица сложнее, чем научиться разбираться в винах

Во многих случаях сравнение конкретного объекта с другими похожими помогает человеку научиться лучше отличать этот объект. Это относится даже к таким забавным примерам, как дегустация вин, умение разбираться в рентгеновских снимках или определение пола цыплят. Команда ученых из Великобритании обнаружила, что сравнение лица человека с лицами других людей не помогает научиться лучше узнавать его. По всей видимости, механизмы для распознавания лиц сложнее, чем для большинства других объектов.

26.01 Рукопожатие австралопитека было вполне человеческим

Международная команда антропологов предложила новый подход к изучению эволюции орудийной деятельности наших пращуров. Они исследовали не сами орудия и даже не внешнюю морфологию костей рук древних людей, а строение губчатой ткани в косточках кистей рук, которое отражает объем и распределение нагрузок на эти кости. По характерным особенностям губчатой ткани у разных представителей гоминид, включая и шимпанзе, удалось показать, что австралопитеки обладали вполне человеческой хваткой.

23.01 Созданы организмы с измененным генетическим кодом, неспособные жить без синтетических аминокислот

Две команды американских биологов создали несколько штаммов генетически модифицированных бактерий, способных расти только в присутствии синтетических аминокислот, не встречающихся в природе. Полученные результаты открывают путь к созданию синтетических организмов, генетически полностью изолированных от обычных живых существ и обладающих принципиально новыми свойствами, недостижимыми в рамках естественного эволюционного процесса.

22.01 Митохондрии -- потенциальная мишень для противораковой терапии

При многих устойчивых к терапии раках в опухолевых клетках наблюдается резкая активация дыхательной функции митохондрий. Ряд исследований, проведенных в последнее время, показал, что применение ингибиторов дыхательной функции митохондрий в комбинации с традиционной терапией может быть эффективно для лечения онкологических заболеваний.

19.01 Удовлетворенность жизнью в разных районах Лондона связана с разными чертами характера

Большой город -- это крайне разнообразная среда обитания. Международная команда ученых исследовала характеры жителей различных микрорайонов почтового Лондона и степень их удовлетворенности жизнью. Оказалось, что на карте города можно выделить целые кластеры, заселенные людьми с определенными чертами характера. Причем где-то жители были тем счастливее, чем более они были открыты для нового опыта, а в других районах удовлетворенность человека жизнью напрямую зависела от его доброжелательности и добросовестности.

18.01 Дарвиновские геммулы преодолели вейсмановский барьер

Итальянские ученые трансплантировали мышам клетки меланомы человека со встроенным геном зеленого флуоресцирующего белка. Через 45 дней молекулы РНК чужеродного гена обнаружились не только в крови подопытных животных, но и в их сперматозоидах. Таким образом, было впервые наглядно продемонстрировано, что -- как и предполагал Чарльз Дарвин в своей теории геммул и пангенезиса и вопреки теории о так называемом вейсмановском барьере -- генетическая информация действительно может быть передана из соматических клеток в поло ые, по крайней мере в форме РНК.