Хромосомы в раковых клетках

Канцерогенез как видообразование
Кирилл Стасевич, Компьюлента

По мнению группы учёных, причиной рака служат масштабные хромосомные перестройки, а вовсе не точечные мутации в нескольких генах. Раковые клетки в итоге получают собственный, относительно стабильный кариотип, который позволяет назвать очередной рак новым биологическим видом.

Мысль о том, что рак – это не только болезнь, но и этап видообразования, далеко не нова; подобные взгляды высказывал, например, биолог-эволюционист Джулиан Хаксли в 1956 году. Критерием нового вида для него была автономность: как только клетка становится независимой от своего окружения, её можно считать если и не новым видом, то по крайней мере уверенно вставшей на путь видообразования.

Раковые клетки действительно обладают такой способностью: они не подчиняются законам хозяйского организма и сами решают, где, как и когда им жить и размножаться. Наконец, есть пример долгоживущих линий раковых клеток вроде HeLa. Попытки описать развитие раковых клонов в терминах эволюционной теории предпринимались, но в случае со злокачественными опухолями перед эволюционистами вставала одна проблема: кариотип раковых клеток не отличается постоянством.

Питер Дьюсберг и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли в своей статье в журнале Cell Cycle (Is carcinogenesis a form of speciation?) описывают канцерогенез как один из способов видообразования, исходя как раз из нестабильности кариотипа раковых клеток. При этом г-н Дьюсберг покушается на господствующую ныне теорию, объясняющую злокачественное перерождение множественными мутациями, которые попадают в какие-то ключевые гены. Напротив, по убеждению исследователей, причиной канцерогенеза служат хромосомные неполадки: удвоения, делеции, перемонтирование хромосом, когда к одной пришивается кусок другой, и т. п. Эти изменения затрагивают даже не десятки, а тысячи генов. В результате таких перестроек появляется новая клетка, которая вполне может претендовать на звание родоначальника нового вида.

Раковые клетки обладают довольно нестабильным, подвижным хромосомным набором, что отличает их от обычных биологических видов. Но при этом им нет нужды беспокоиться о размножении, которое у всех прочих в первую очередь страдает от хромосомных перестроек. Злокачественная клетка делится митотически, и, пока гены, управляющие митозом, не затронуты, она может позволить себе значительные подвижки в кариотипе. Исследователи проанализировали кариотипы нескольких раковых клеточных линий в пределах нескольких поколений. Оказалось, что в пределах одной линии набор и строение хромосом у клеток не меняются, но при этом могут сильно отличаться от хромосомного набора опухоли иного типа или даже от опухоли такого же рака, но взятого у другого пациента. Самым выдающимся примером тут служит опять-таки линия клеток HeLa, которую в 1951 году взяли у больной Генриетты Лакс: с тех пор эта линия существует автономно, вне организма и обладает вполне стабильным кариотипом по сравнению с тем, который у неё был в первые годы её существования.

Хромосомный набор нормальной (слева) и раковой клетки (рисунок авторов исследования).

По словам учёных, в рамках такой гипотезы можно объяснить и долгий временной интервал, разделяющий начальную хромосомную перестройку и появление полноценного рака: далеко не всякая вариация в наборе хромосом может привести к появлению самостоятельного, видоспецифичного кариотипа.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Беркли: Are cancers newly evolved species?

В 1950-х годах исследователи обнаружили в раковых клетках хромосомы, которые были необычайно большими и иногда будто бы закольцовывались. Эти так называемые неохромосомы были выявлены примерно в 3% раковых опухолей (и почти в четверти случаев рака костей и липидной ткани). Но никто из учёных не знал, как именно они формируются и за что отвечают. Теперь же Дэвид Томас (David Thomas) из Гарванского института в Сиднее, Австралия, вместе со своими коллегами изучил последовательности генов этих гигантских хромосом и реконструировал их эволюционную историю.

Исследователи проверили три различных популяции выращенных в лаборатории клеток липосаркомы — рака жировой и соединительной ткани. В некоторых неохромосомах учёные обнаружили ДНК, принадлежавшую многим другим хромосомам. Более того, гены, важные для развития раковой опухоли , могли повторяться в такой хромосоме от 60 до 100 раз, существенно усиливая своё влияние на "поломанную" клетку. Некоторые неохромосомы также были в три раза длиннее, чем самые крупные нормальные хромосомы.

Моделирование показало, что основные изменения в структуре таких неохромосом не происходят постепенно. Напомним, как ведёт себя нормальная хромосома. Когда она теряет теломеры — концевые участки, она разрушается на части. Такой процесс был открыт лишь в 2010 году и назван хромотрипсис.

Механизмы природного восстановления ДНК, конечно, потом запускаются и заново складывают кусочки, однако возникает путаница и обычно клетка умирает. Но иногда такой странный хромосомный винегрет оставляет клетку в живых. "Хромосомная путаница" существует уже без каких-либо теломер, соединив концы разных обрывков в кольцо.

"У этой хромосомы задатки настоящего монстра Франкенштейна, – комментирует Томас. – Каждое последующее деление клетки разрывает эти круговые хромосомы неравномерно: одна половина получает больше сечений, чем другая, то есть теряет некоторые гены и множит другие. В ходе тысяч таких делений она принимает фрагменты ДНК из любых других хромосом, которые также оказываются разрушенными ".

Самый неприятный вариант событий – монструозная хромосома, заполучившая много копий генов, важных для развития рака . В определённый момент круг перестаёт расти и закольцованная неохромосома превращается в линейную: у неё получается захватить теломеры других хромосом и приобрести стабильность.

Чтобы проверить, помогают ли раковые гены неохромосомам выживать, исследователи постарались их заблокировать. Когда, наконец, им это удалось, клетки погибли. Эксперты были поражены этим открытием. Оно помогает понять, как раковые клетки могут выбирать те элементы ДНК, которые способствуют их пролиферации и выживанию, а ненужные генетические элементы отсеивают. Конечно, это лишь небольшой шаг на долгом пути постижения раковых заболеваний, однако он крайне важен. Поскольку в неохромосомах массово усиливаются именно конкретные гены, это означает, что они важны для выживания такой хромосомы.

Новое открытие является примером обширных скачков эволюции, но теоретически оно может привести и к созданию медикаментов, способных остановить губительный процесс. По словам Томаса, основной мишенью для грядущих исследований должен стать именно медицинский препарат, который будет способен выключать такие гены. И такие работы уже ведутся.

Доктор биологических наук А. ЛУЧНИК

Рак - одна из самых тяжелых и загадочных болезней. Существует множество причин, казалось бы, совершенно различных, которые могут стать "спусковым крючком" болезни, началом неконтролируемого деления злокачественных клеток. Но каковы внутренние, молекулярные механизмы рака? Возможно, все дело в структуре хромосом опухолевых клеток.

Главной причиной смерти человека в ХХ веке наряду с сердечно-сосудистыми заболеваниями стал рак. Отсюда и повышенное внимание к исследованиям причин рака и нахождению способов его лечения. Однако все надежды, что будет найдена некая противоопухолевая "панацея", рушились по мере того, как расширялись знания о природе рака. Более того, к концу ХХ века ученые окончательно пришли к выводу, что опухоль каждого вида имеет свои механизмы бесконтрольного роста. А значит, нельзя найти общий принцип лечения всех видов рака.

И все же универсальный механизм роста злокачественных опухолей существует. Этот механизм, или, вернее сказать, "адская машина", есть в каждой злокачественной опухоли, и устроен он на удивление просто. Его работа не зависит от конкретных причин возникновения опухолей. Причины бывают разными, однако все они, в конечном счете, вызывают определенные изменения структуры генома, то есть хромосом, содержащих наследственную информацию.

Превращение нормальной клетки в опухолевую происходит в два этапа: трансформация и малигнизация (злокачественность). На первом этапе клетки начинают бесконтрольно делиться, причем уже в лабораторных условиях - в колбе с питательным раствором. Однако такие клетки в большинстве случаев не вызывают злокачественного роста в живом организме. Механизмы трансформации изучены достаточно хорошо - главную роль здесь играют онкогены.

Второй этап - приобретение злокачественности - позволяет таким клеткам размножаться внутри организма. При этом клетки опухоли растут не сами по себе - организм животного или человека помогает им это делать. Активно подхлестывая рост опухоли, плоть больного совершает медленное самоубийство. Организм делает все возможное для того, чтобы опухоль росла. Он бережно пронизывает ее тысячами новых кровеносных сосудов и капилляров, он приобщает окружающие здоровые клетки, а также клетки крови и лимфы к обслуживанию опухоли, позволяя ей расти вширь. В этом процессе задействованы сотни биохимических реакций.

Отчего это происходит? Здесь мы подошли к самому главному. Ответ на этот вопрос звучит до смешного просто: организм воспринимает растущую опухоль как незаживающую рану, которую следует залечить путем стимуляции роста ее клеток. Эта мысль пришла в голову автору этой статьи почти 20 лет тому назад, во время беседы с покойным отцом - профессором Н.В. Лучником, лучшим специалистом своего времени по хромосомным аберрациям (видимым под микроскопом разломам хромосом). Кстати, теперь никто не сомневается, что именно эти аберрации - причина рака при радиоактивном облучении организма. Работы моего отца по малым дозам радиации были срочно востребованы после Чернобыльской катастрофы.

В то время, к которому относится моя памятная беседа с отцом, я учился в аспирантуре на кафедре генетики Московского государственного университета. Тогда я не стал публиковать свое открытие. Почему? Я решил, что понятое мной лежит прямо на поверхности, ведь механизм настолько прост и очевиден, и кто-нибудь через год-два обязательно придет к тем же выводам, а может быть, в момент, когда меня осенило, уже кто-то сидит и пишет статью на эту тему. Однако прошло более 20 лет, а публикаций все не было, и я решил представить на суд научной общественности свою концепцию.

Бросив все остальное, я залез в Интернет - слава Богу, к этому времени он уже появился. За один месяц мне удалось перелопатить такое огромное количество научных публикаций, какого я никогда не смог бы просмотреть, сидя в лучших библиотеках 10 лет подряд. Да я и не нашел бы нужных журналов - тех, которые молекулярный генетик никогда не читает, например медицинских журналов, посвященных лечению травм и ранений. К своему изумлению, я обнаружил, что никто и близко не подошел к моему давнему умозаключению. Однако за 20 лет ученые собрали столько новых фактов, подтверждающих эту концепцию, что в ее правильности у меня не оставалось более никаких сомнений.

В 2000 году я написал статью в журнал "Онтогенез", выпускаемый Институтом биологии развития Российской академии наук. В этой статье злокачественная опухоль называется незаживающей раной. Почему так? Начнем с раны заживающей: если вы случайно порезали руку, немедленно начинается процесс заживления раны. Свертывание крови и агрегация клеток крови на поверхности раны - первый и исключительно важный этап заживления. Агрегирующие клетки крови (макрофаги, гранулоциты и тромбоциты) начинают выделять цитокины - белки, регулирующие деление клеток. Наиболее известные цитокины - факторы роста клеток. Говоря упрощенно, эти факторы вызывают рост новых клеток, заполняющих рану. Почему кровь сворачивается? Сигналом служат поврежденные или мертвые клетки на поверхности раны. (В пробирке кровь сворачивается от контакта с чужеродной стеклянной поверхностью.) Более того, тысячи клеток на поверхности раны, которые вы убили кухонным ножом, не молчат. Они вопиют о своей погибели - сами выделяют факторы роста и другие цитокины, стимулирующие рост и миграцию клеток. Цитокины кровяных клеток и мертвых клеток вызывают отек ткани: межклеточное пространство заполняется лимфой, и туда ползут лимфоциты и некоторые другие клетки, участвующие в ранозаживлении. В дальнейшем изложении мы для упрощения будем говорить только о росте новых клеток, потому что это самое главное. Чтобы описать другие детали процесса заживления раны, потребуется целая книга.

Таким образом, главным сигналом к делению клеток являются мертвые клетки на поверхности самой раны. Эти клетки не просто мертвые - они погибли путем некроза. Существует другой тип гибели клеток - апоптоз. Это когда организм в ходе нормальной жизнедеятельности уничтожает некоторые собственные клетки - образно говоря, производит очередную замену деталей в ходе "техосмотра". (См. "Наука и жизнь" № 8, 2001 г. - Ред. ) Подконтрольно гибнущие клетки не способны запустить каскад биохимических событий, заживляющих рану. Сделать это могут только некротически погибшие клетки. Так погибают клетки либо от физического повреждения, либо от случайных, не подвластных организму разломов хромосом. Некроз клеток происходит, например, при радиоактивном облучении (за исключением лимфоидных клеток). Радиация рвет молекулу ДНК в каких-то случайных местах. Разрывы ДНК (обеих нитей двойной спирали) активно залечиваются клеткой, однако 100% разрывов клетке удается залечить не всегда. Из незалеченных разрывов образуются разломы хромосом, видимые под микроскопом. Если клетка с разломанной хромосомой делится, две дочерние клетки с большой вероятностью умирают от некроза (вследствие нарушения баланса генетического материала у дочерних клеток). Такие клетки организм воспринимает как погибшие от случайного ранения, например от пореза руки кухонным ножом.

При заживлении раны деление клеток заканчивается, когда образуется рубец из полностью заполнивших рану новых клеток. Остановка деления клеток - завершающий этап заживления раны. Если рану порезать еще раз, опять начнется процесс деления клеток. Сигналом к нему послужат новые некротически погибшие клетки. В экспериментах с животными, у которых риск заболеть раком очень высок (высокораковые линии), стоит порезать одну и ту же рану несколько раз, чтобы вызвать злокачественный рост опухоли. У нормальных животных или человека этого бывает недостаточно.

Но если опухоль по тем или иным причинам уже возникла, ее клетки обязательно приобретают одно исключительно важное свойство - генетическую нестабильность, выражающуюся в том, что в каждом поколении клеток возникают случайные разломы хромосом с частотой примерно 1-30%. Потомство этих клеток, как мы уже знаем, нежизнеспособно: дочерние клетки гибнут от некроза. Если их, скажем, 10%, то этого вполне достаточно, чтобы система заживления ран набросилась на опухоль и стала стимулировать ее клетки к делению. Деление клеток опухоли автоматически приведет к появлению еще 10% мертвых клеток, а они опять подхлестнут систему заживления ран, и так до бесконечности, вернее, до физической смерти человека или животного. Заметим, что, жертвуя мертвыми клетками, опухоль растет медленнее, чем росли бы нормальные клетки, но взамен она получает возможность расти неограниченно - пусть медленно, но верно, и в конце концов она убьет организм. Это как многоголовый дракон из русской сказки: отрубишь ему одну голову - вырастут две.

На этом месте я мог бы остановиться, однако читатель спросит: а почему в раковых клетках с высокой частотой возникают разломы хромосом, вызывающие некротическую гибель клеток?

Факт высокой частоты случайных хромосомных разломов в опухолевых клетках считается общепризнанным. "Мертвую петлю" обратной связи между умирающими и делящимися клетками мы уже описали. Однако, если не понять причину высокой частоты случайных разломов хромосом в раковых клетках, нельзя целенаправленно бороться с опухолевым ростом.

Причина этих разломов, как я берусь утверждать, кроется в неспособности раковой клетки ремонтировать двойные разрывы ДНК, которые и приводят к разломам хромосом. Нормальная клетка с высокой скоростью и эффективностью ремонтирует сотни разрывов ДНК, например после облучения.

И снова вернемся на двадцать лет назад. Работая над кандидатской диссертацией, я сделал вывод о том, что для ремонта разорванной молекулы ДНК требуется вторая копия, не имеющая разлома в том же самом месте. Молекулы "прижимаются" одна к другой, и генетическая информация с неповрежденной молекулы копируется в поврежденную, восстанавливая таким образом ее первоначальную структуру. Свои опыты я проводил на различных линиях дрожжей - тех самых, которые идут на приготовление пива, хлеба или пышных пирогов. Дело в том, что молекула ДНК и облегающие ее белки - гистоны устроены совершенно одинаково у всех организмов, имеющих клеточное ядро (эукариот). В некоторых штаммах дрожжей есть интересное исключение, которое и позволило мне сделать диссертационную работу.

В здоровых клетках человека двойные разрывы ДНК залечиваются с огромной эффективностью. Откуда же берется для этого вторая копия ДНК? А она есть в составе каждой хромосомы, предположил я и вскоре опубликовал сначала теоретическую, а позднее ряд эксперименталь ных работ, подтверждающих это.

Научное сообщество не сразу восприняло утверждение, замахивающееся на взгляды целого поколения ученых, которое в 60-х годах ХХ века решило, что в каждой хромосоме содержится одна длинная молекула ДНК и информация о ней нигде не дублирована. (Для специалистов: гомологичные хромосомы не повторяют одна другую полностью, а соматическая конъюгация и рекомбинация, даже после облучения, - крайне редкие события). Надо сказать, что в 60-е годы в науке боролись две школы: одна отстаивала однонитчатую хромосому (где нить - это двойная спираль ДНК), а другая - многонитчатую. Постепенно стало ясно, что многонитчатые хромосомы встречаются у некоторых организмов или в некоторых тканях как исключение, а у большинства организмов и тканей хромосомы однонитчатые. В шуме многочисленных перепалок не заметили, что вместе с водой выплеснули ребенка. На том этапе развития науки никто из сторонников однонитчатой модели не мог утверждать, что в хромосоме имеется только одна молекула ДНК, а не две, главное, стало ясно, что их не великое множество. С точки зрения этих исследователей, одна или две - было не важно. Решили, что, скорее всего, одна, иначе зачем клетке утруждать себя содержанием и обслуживанием второй копии? Это предположение осталось чисто умозрительным, потому что о проблеме надежности генома думал лишь небольшой круг генетиков, занимавшихся репарацией (ремонтом) ДНК. Однако, учитывая вышеизложенное, наличие второй копии, а значит, и репарация двойных разрывов ДНК на этой основе приобретают колоссальное биологическое значение.

Защитив диссертацию, я крепко задумался о природе вещей и решил, что иначе, как две копии в хромосоме человека, и быть не может, не то роду человеческому пришел бы конец. (Вторая копия повышает надежность генома примерно в 100 000 - 1 000 000 раз, а третья почти не повышает, поэтому-то их и две.) И я написал большую статью в "Journal of Theoretical Biology", в которой проанализировал все опубликованные доводы в пользу однонитчатой модели и не нашел ни одного убедительного. Да и сами авторы этих статей никогда не утверждали, что есть только одна копия, они лишь говорили, что не 20 и не 100. Позднее на одной конференции в США я с удивлением узнал, что американский профессор преподносит мою работу студентам как пример аналитического научного мышления. В перерыве между заседаниями он рассказал мне о российском ученом А.Н. Лучнике, которого он представлял седовласым профессором, и очень удивился, узнав, что Лучник - это я (а мне тогда не было и 30 лет).

Итак, я опубликовал статью о двух нитях ДНК в одной хромосоме, с которой никто не выразил несогласия. Как эти нити организованы в хромосоме, видно из рисунка, приведенного внизу. Вскоре открыли метод полимеразной цепной реакции - тот самый, с помощью которого теперь идентифицируют человеческую личность по одному волосу или по костям покойника, долго пролежавшим в земле (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г. - Ред. ). Например, так устанавливали подлинность останков семьи Николая II. Я использовал этот метод для проверки вопроса о числе копий ДНК в хромосоме. Новый метод позволял амплифицировать (многократно приумножить) ДНК одной-единственной клетки и получить ответ на вопрос о количестве копий ДНК в хромосоме. Сначала у меня ничего не получалось, но помог мой друг Павел Иванов, вернувшийся из Англии, где он занимался идентификацией останков царской семьи. Он открыл мне небольшое ноу-хау, которое в статьях почему-то не упоминалось.

Эксперименты мы ставили вместе с моей аспиранткой Ларисой Ветровой и сотрудником другой лаборатории нашего института Михаилом Слезингером. Для работы нам нужны были человеческие сперматозоиды. Доноров спермы найти не удалось, и пришлось мне "ставить опыты на себе". Партия моих сперматозоидов хранилась в замороженном состоянии в лабораторном морозильнике. Это вызывало большое количество шуток, особенно со стороны женского персонала. Потом была разработана оригинальная методика, и мы смогли обходиться без сперматозоидов. По результатам работы была опубликована статья в международном журнале "Biochemistry and Molecular Biology International". Статью рецензировал академик В.П. Скулачев. Я получил премию на общеинститутском конкурсе научных работ, однако быстрой реакции на статью не последовало. Но это тем приятнее, если осознаешь, что ты опередил свое время хотя бы на 3-4 года, тем более что с момента моей первой статьи на эту тему прошло почти 20 лет. Только теперь, в XXI веке, появились работы других ученых, указывающие на двунитчатую (бинемную) структуру хромосом человека.

Вернемся к раку. Я обещал ответить на вопрос о генетической нестабильности раковых клеток. Если хромосома бинемна (то есть имеет две нити, вернее, две двойные спирали ДНК), то большая часть случайных разрывов ДНК залечивается полностью. Случайные разрывы ДНК у каждого человека возникают ежедневно (общая длина ДНК в одной клетке человека - около полутора метров). Если в хромосоме имеется однонитчатый (однодуплексный) участок, то разрывы дуплексов в этом месте не залечиваются, что ведет к разлому хромосомы и гибели дочерних клеток. Опираясь на уже опубликованную мной и другими авторами информацию, я сформулировал общий принцип генетической нестабильности в злокачественных клетках. Вот он: раковая клетка имеет наследуемые однонитчатые (однодуплексные) участки в одной или нескольких хромосомах или даже во всем геноме (последнее обнаружено при исследовании многих лейкозов). Теперь становится понятным, почему такая клетка с высокой вероятностью дает случайные разломы хромосом и гибель дочерних клеток. Что происходит в результате появления большого количества некротически гибнущих клеток, уже изложено в начале статьи.

Становится понятным также, почему рак лечат облучением, перегревом (гипертермией), избытком кислорода (гипероксигенацией) или некоторыми мутагенами. Все эти воздействия бьют по ДНК, а повреждения однонитчатых (однодуплексных) участков в отсутствие второй копии клетка отремонтировать не в состоянии; в результате раковые клетки, в отличие от нормальных, подвергаются массовой гибели. Все эти методы лечения не дают 100%-ной гарантии излечения многих видов рака. Но теперь мы знаем врага в лицо, и можно надеяться на успех в борьбе с ним.

Доктор биологических наук А. ЛУЧНИК.

P.S. Моими единомышленниками из числа сотрудников РАН была выделена биологически активная фракция из морских организмов-долгожителей (около 200 лет), не подверженных инфекционным и онкологическим заболеваниям и имеющим беспрецедентно совершенный механизм заживления ран. Предварительные результаты испытаний на пациентах дали положительные результаты. В настоящее время проводятся более детальные исследования.

Агрегация - скопление клеток на чужеродной поверхности.

Амплификация - многократное приумножение числа идентичных копий молекулы ДНК.

Ангиогенез - прорастание ткани новыми кровеносными сосудами и капиллярами.

Коагуляция - свертывание белков крови.

Мембранные рецепторы - молекулы или группы молекул на внешней либо внутренней стороне клеточной мембраны, воспринимающие сигналы от гормонов или иных молекул в крайне низкой концентрации.

Протеолиз - расщепление пептидных связей, которое происходит под действием протеолитических ферментов.

Протеолитический процессинг - разрезание макропептида до биологически активных компонентов.

Таксис - движение клеток по градиенту химического сигнала.

Фибринолиз - разрушение белковых молекул крови, образовавших сгусток на месте поверхности раны.

Хромосомные аберрации - видимые под микроскопом разломы хромосом.

Цитокины - вещества, регулирующие деление и движение клетки.

Экстрацеллюлярный матрикс - внеклеточный белково-мукополисахаридный каркас (скелет), составляющий жесткую основу для расположения клеток в ткани.

Эндотелий - слой специфических клеток, выстилающих поверхность ткани.

Деление клеток опухоли

Характерной чертой злокачественной опухоли является постоянное деление ее клеток, обеспечивающее рост опухоли.

Само по себе деление клеток — это главный атрибут существования и развития жизни.

Как известно, деление клеток происходит при развитии организма, его тканей и органов как в эмбриональном, так и в постнатальном (послеэмбриональном) периодах.

Непонятно также, что заставляет в какой-то момент времени, при каких-то условиях этот ген отключиться и прекратить деление клетки. Считают, что сам организм, его нервная система каким-то образом управляет включением и отключением соответствующего гена. А чем же отличается деление раковых клеток от деления нормальных клеток?

Таким образом, для объяснения феномена постоянного деления раковых клеток ученые вынуждены к генам, регулирующим деление нормальных клеток, добавить еще и онкогены, которые регулируют деление злокачественных клеток. Но от этого не стало яснее, когда и каким образом начинается, происходит и заканчивается деление клеток как нормальных, так и раковых.

Начало формирования опухоли

Проблема формирования опухолева зачатка имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Если опухоль развивается только из зачатка путем деления его клеток и при этом в процесс развития опухоли не вовлекаются нормальные клетки, то при лечении достаточно хирургическим путем удалить этот опухолевый зачаток или уже в определенной степени сформировавшуюся опухоль, чтобы прекратить процесс развития раковой опухоли. Если же в процесс развития опухоли вовлекаются и нормальные клетки, то хирургическое удаление опухоли может оказаться недостаточным.

Как видим, и по этой проблеме пока еще идут дискуссии, и ни одна из предложенных гипотез не доказана ни теоретически, ни экспериментально, поэтому у ученых не сложилось общего мнения по данному вопросу. А неопределенность в этом вопросе может существенно влиять на результаты лечения раковой болезни.

Изменения в геноме

Это весьма интересная и важная в теоретическом плане проблема онкологии. В нормальных клетках организма обычно поддерживается постоянство генома и числа хромосом. Так, у человека нормальным принято считать число хромосом в диплоидном наборе 2n = 46.

При развитии раковой опухоли происходят генные и хромосомные изменения. Причем эти изменения нарастают в процессе развития опухоли, т. е. с возрастом опухоли. В результате в опухоли образуются группы (клоны) клеток с различными геномами и различным числом хромосом. Опухоль превращается в новое независимое от организма хозяина существо, живущее самостоятельной паразитической жизнью.

В своей книге Г.Н. Лобко и Г.М. Порубова пишут: «Злокачественная опухоль представляет собой гетерогенную клеточную популяцию, состоящую из различных клонов. Еще в 50-х годах установлено, что число хромосом в клетке колеблется в широких пределах — от величины, значительно меньшей 2n, до величины, большей 4n. Многочисленные результаты опытов, проведенных на перевиваемых опухолях экспериментальных животных, свидетельствуют о широкой вариабельности хромосомных наборов.

Такие весьма различные и противоречивые результаты исследований изменений в геномах раковых опухолей пока не удалось объяснить с позиций современной онкологии и, по-видимому, не удастся и впредь, пока не будет выяснена истинная биологическая причина ракового заболевания.

Эволюция раковых опухолей

В процессе развития опухоли изменяется обмен веществ ее клеток, как полагают, в результате нарушения специализации клеток. При этом происходит уменьшение органелл вплоть до их полного исчезновения, что приводит к нарушению тех функций клеток, которые органеллы обеспечивают в нормальных условиях. По мере развития опухолей скорость их роста увеличивается, как считают некоторые исследователи, не в результате укорочения цикла деления клеток, а за счет увеличения массы делящихся клеток. При этом клетки опухоли все больше и больше становятся независимыми от управляющих воздействий организма.

По мере развития опухоли ее клетки постепенно теряют способность вызывать защитную реакцию иммунной системы организма. И поэтому даже при нормальной компетентности иммунной системы опухолевые клетки имеют возможность для выживания и развития. Более того, в процессе своего развития опухоль приобретает резистентность (сопротивляемость) к различным лекарственным воздействиям. Причем все описанные выше изменения в опухоли могут происходить в различные моменты развития опухоли и появляться в различной последовательности.

Так как все изменения в раковых клетках сопровождаются существенными изменениями в геноме — от отдельных мутаций и до хромосомных нарушений, — то все эти приобретенные опухолью признаки в процессе ее развития являются наследственными. Поэтому развитие раковых опухолей можно рассматривать как некий эволюционный процесс, протекающий аналогично эволюции видов одноклеточных и многоклеточных организмов, А так как деление клеток и рост раковой опухоли обычно не прекращается, то, следовательно, и эволюция злокачественных опухолей происходит постоянно.

Итак, ученые установили, что злокачественные опухоли являются своеобразными организмами, которые эволюционируют так же, как и другие организмы. Следовательно, и движущие силы эволюции должны быть теми же самыми: изменчивость и естественный отбор. Именно с таких позиций и объясняют эволюцию раковых опухолей Г.Н. Лобко и Г.М. Порубова: «Согласно концепции клональной эволюции, многие клеточные варианты, возникающие в популяции опухолевых клеток, оказываются нежизнеспособными.

Поэтому все эти предположения и догадки обычно вызывают массу вопросов, без разрешения которых наши знания о предмете исследований невозможно использовать ни в научном, ни в практическом плане. Такие сведения трудно причислить к научным знаниям.

Вот и в этом разделе об эволюции раковых опухолей имеется настоятельная необходимость высказать ряд вопросов и замечаний:

1. Каковы причины нарушения дифференцировки (специализации) клетки, вызвавшей изменения обмена веществ? А может изменения обмена веществ вызвали нарушения специализации клеток?

2. В результате чего и как клегки раковой опухоли выходят из под контроля факторов организма, регулирующих рост и размножение клеток, т. е. почему они становятся неуправляемыми? А факторы организма — что это такое?

3. Почему нормальные клетки жизнеспособны, а раковые клетки нежизнеспособны? Тем не менее они не только выживают, но развиваются, количественно растут и вытесняют, уничтожают жизнеспособные нормальные клетки.

Очень умный отбор! Все понимает!

Воздействия среды

Как известно, мутации бывают спонтанные (без видимых причин), а также индуцированные внешним воздействием на организм. В качестве таких воздействий, индуцирующих мутации, называют воздействия ионизирующих излучений, ультрафиолетовых излучений, различных химических веществ и др.

Наличие индуцированного мутагенеза доказывает влияние окружающей среды на развитие злокачественной опухоли и на передачу по наследству тех изменений в опухоли, которые появились под воздействием окружающей среды и сопровождались индуцированными мутациями. Кроме того, как полагают, в процессе развития опухоли нарушаются нормальные взаимодействия между клетками, что также способствует росту опухоли.

Но каков механизм индуцирования мутаций? Как, например, изменение химического состояния окружающей клетку среды через две мембраны клетки и ядра воздействуют непосредственно на геном и изменяют его содержание, т. е. индуцируют мутацию? Причем мутацию ни где попало, а в определенном месте и определенного гена. Действительно, связь между изменениями окружающей среды и изменениями в геноме клетки объективно существует, доказана многими экспериментаторами и в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений.

Но конкретный механизм этой связи, закономерности индуцирования мутаций до сих пор еще неизвестны. Если, например, в физике индукция — это вполне определенное, конкретное явление, протекающее по определенному закону, описываемому конкретными математическими уравнениями, то в генетике слово индукция призвано в определенной мере сгладить наше незнание механизма воздействия окружающей среды на геном клетки.

На самом деле пока можно говорить лишь о том, что химическое (или физическое) воздействие окружающей среды на клетку вызывает те или иные мутации в ее геноме. А какие мутации конкретно и каким образом они вызываются — это нам пока неизвестно. Я подчеркиваю, воздействия не на геном, а на клетку.

И эти неизвестные механизмы и закономерности воздействия окружающей среды на клетку представляют собой весьма и весьма важную проблему как биологии, так и медицины, как с теоретической, так и с практической точек зрения. Эту проблему мы рассмотрим во второй и в третьей частях книги.

О различии в развитии

Существенный теоретический и практический интерес ученых-онкологов вызывает вопрос о различиях в закономерностях развития нормальных и злокачественных клеток. С одной стороны, как нормальные, так и злокачественные клетки являются живыми организмами и, следовательно они должны развиваться по одним и тем же закономерностям живой природы.

Итак, признано, что раковые клетки развиваются по тем же законам, что н нормальные клетки. Тем не менее раковые клетки достаточно зрелой опухоли существенно отличаются от нормальных клеток целым рядом различных признаков: непрекращающимися делениями, выходом из под контроля организма, более частыми мутациями и хромосомными перестройками и др.

Поэтому естественно возникают вопросы: почему у раковых клеток появляются эти признаки, а у нормальных клеток они не появляются? Какова биологическая причина возникновения таких признаков у раковых клеток? Эти вопросы также пока остаются без ответов.

Реверсия опухоли

Все это говорит о том, что в принципе раковые заболевания излечимы и при помощи лекарственных препаратов, если онкологи сумеют разработать необходимые для этого лекарства и, главное, методики и дозы их применения в каждом конкретном случае. А это значит, что онкологи должны научиться управлять реверсией злокачественной опухоли. Такие работы проводятся в различных направлениях.

Например, при помощи химиопрепаратов пытаются стимулировать дифференцировку злокачественных клеток, т. е. вернуть их к той специализации, которую они имели до заболевания. Считают, что дифференцировка приведет к реверсии опухоли. Исследуются и другие возможные способы управления реверсией.

Как известно, развитие злокачественной опухоли сопровождается существенными изменениями генома и хромосомными перестройками. Поэтому возникает вопрос: как эти изменения и перестройки будут влиять на дифференцировку и на реверсию раковых клеток? А можно ли без дифференцировки нормализовать опухолевые клетки?

В монослойных культурах in vitro осуществить реверсию можно и без дифференцировки, а вот в условиях in vivo, т. е. непосредственно в организме, добиться нормализации опухолевых клеток можно только при дифференцировке.

Таким образом, в принципе имеется реальная возможность целенаправленно осуществлять реверсию раковых опухолей путем определенных терапевтических воздействий. Это эффективный путь лечения раковых болезней. Однако, несмотря на уже имеющиеся примеры реверсий, эта возможность останется в области привлекательных гипотез и благих намерений до тех пор, пока не будет выяснена главная проблема онкологии — биологическая причина и механизм развития злокачественной опухоли, в том числе и реверсии, как частного случая ее развития.