Нобелевский лауреат рассказал, как из обычных клеток возникает рак
Отдельные участки ДНК человека, спонтанно мутируя или будучи зараженными вирусом, начинают производить необычные белки, заставляющие клетки неконтролируемо делиться и образовывать злокачественную опухоль. Об этих участках, называемых онкогенами, рассказал на прошедшем в МГУ фестивале NAUKA 0+ один из авторов этого открытия Харольд Вармус, нобелевский лауреат по физиологии и медицине, профессор Корнелльского университета и Нью-Йоркского геномного центра "Гены и рак".
Птичий вирус и человеческий рак
В 1910 году сотрудник Института Рокфеллера Пейтон Раус
провел изящный опыт, чтобы установить природу раковой опухоли — саркомы у домашней курицы. Он взял больные ткани из мышц груди птицы, измельчил, смешал с песком и пропустил через очень мелкий фильтр, задерживающий все, кроме микроорганизмов. Затем ввел фильтрат здоровому цыпленку от другой родительской линии, и у него развилась саркома.
Научная группа из Имперского колледжа в Японии выполнила похожие эксперименты независимо от Рауса, еще одно подтверждение пришло из Копенгагена, где ученые вызвали у кур лейкемию. Стало ясно, что рак может быть запущен вирусом, позже его так и назвали: вирус саркомы Рауса (RSV).
Однако в то время на эксперименты не обратили особого внимания, поскольку считалось, что вирус не способен вызвать рак у человека, а птичий рак изучать бесполезно. Примерно тогда же высказали гипотезу о генах как носителях наследственной информации. Но то, что они есть и у вирусов, поняли спустя три десятка лет. И вспомнили об опытах Рауса.
Опухоли инфекционной природы обнаружили у кроликов, мышей, кошек, приматов. Первый вирус, связанный с человеческим раком, нашли в 1960-х, — это вирус Эпштейна — Барр (герпеса).
Загадка онкогенов
Открытый Раусом RSV принадлежит к классу ретровирусов, чей генетический аппарат упакован в виде РНК. К ним относится много человеческих инфекций, в том числе ВИЧ. В 1957 году американские ученые Хауард Темин и Гарри Рубин установили, что RSV заставляет обычную клетку живого организма менять поведение.
Взяв ткани эмбриона птицы, они вырастили из них культуру в чашке Петри, капнули туда вирус саркомы Рауса и наблюдали, как здоровые клетки превращались в раковые — бесконтрольно делились и формировали опухоль. Любопытно, что новообращенные клетки сохраняли злокачественную природу. Достаточно было одной частицы вируса, чтобы полностью изменить зараженную клетку.
В 1970 году Стивен Мартин из Университета Калифорнии (Беркли, США) вывел мутантный штамм RSV, который "портил" нормальные клетки при температуре 35 градусов Цельсия. При более высоком нагреве рак останавливался, а при 41 градусе больные клетки приходили в норму. Это означало, что в геноме вируса есть участок, только трансформировавший клетку-хозяйку, а гена, запускающего воспроизводство вирусных частиц, не было. Так открыли первый онкоген и соответствующий ему ген, позднее названный sarc.
Онкоген — это обычный участок ДНК, который выполняет важные функции в клетке, но при стечении обстоятельств (до конца еще не ясных) "сходит с ума" и вызывает рак. Эти потенциально вредоносные гены есть у всех живых организмов и вирусов. От "оригиналов" они отличаются одной мутацией: отсутствием или заменой одного аминокислотного остатка, нарушением последовательности на одну букву.
Геном большинства естественных штаммов RSV содержит и онкогены, и гены, запускающие воспроизводство вируса. В этом его уникальность. Когда же вирус попадает в организм птицы и принимается трансформировать зараженные клетки в раковые, его способность к репликации подавляется. Все другие ретровирусы, несущие в геноме онкоген, — дефектны: у них изначально отсутствуют гены репликации. Вероятно, воспроизводство — эволюционно менее значимая функция, чем переделка живых зараженных клеток в раковые.
Вирус ворует полезные гены
В 1961 году студент Гарварда Харольд Вармус, изучавший английскую литературу, приехал в Москву с другом. Это было время, когда немного ослаб железный занавес, наступила оттепель. Друзей разместили в кампусе МГУ, где тогда проходил Пятый Международный биохимический конгресс. Они пришли на лекцию американского ученого Маршалла Ниренберга о расшифровке генетического кода и синтезе белков. Перспективы, открывающиеся в биологии, настолько увлекли Вармуса, что, вернувшись в Соединенные Штаты, он поступил в Медицинскую школу Колумбийского университета и впоследствии занялся генетикой рака.
Вармус с коллегами решили проверить гипотезы о природе вирусных онкогенов, поэтому они экспериментировали с геном sarc. В норме он отвечает за синтез белкового фермента (тирозинкиназы), управляющего ростом клеток эмбриона птиц и других позвоночных.
Его мутированный вариант (онкоген) был обнаружен в вирусе саркомы Рауса и получил название v-src. Попав в организм животного, он так же, как обычный ген sarc, вырабатывает тирозинкиназу, но теперь она запускает рост опухоли.
Постепенно Вармус пришел к идее о том, что у вирусных онкогенов есть родительские гены в ДНК животных. Когда вирус заражает клетку, он встраивает в свой геном немного измененную часть ее ДНК. Так был обнаружен клеточный вариант гена sarc — c-src. Именно он играет роль онкогена для живого организма.
Sarc — один из самых часто мутирующих генов у позвоночных, включая человека, как и MYC, RAS, ERBB, ABL. В норме они выполняют обычные функции: отвечают за синтез белков или управляют разными молекулами в клетке. Но в какой-то момент проявляют свою патогенную природу и запускают рост злокачественных новообразований: некоторых видов лейкемий, нейробластомы, глиобластомы, лимфомы b-клеток, меланомы, рака поджелудочной железы.
Из двадцати тысяч генов в ДНК человека — несколько сотен потенциальные или уже доказанные онкогены.
Онкогены подсказывают путь для борьбы с раком
Осталось выяснить, почему тирозинкиназа, закодированная онкогеном v-scr, заставляет клетки превращаться в раковые. К 1980 году Вармус и его коллеги нашли ответ на этот вопрос. Они выяснили, что канцерогенным этот фермент становится из-за разницы всего в несколько нуклеотидов. Причем, чтобы он начал свою разрушительную деятельность, достаточно небольшого его количества — гораздо меньше, чем нормального фермента для выполнения своих обычных функций в клетке.
Далее Вармус и другие научные группы, подключившиеся к исследованиям, обнаружили, что такой же, как у млекопитающих, онкоген c-scr есть в раковых клетках беспозвоночных животных — насекомых, червей, губок. Получается, что он выжил в естественном отборе и сохранился до наших дней у большого числа видов.
Когда механизм действия онкогенов и синтезированных ими белков стал понятен, появилась идея блокировать их препаратами, чтобы остановить рак. В конце 1990-х разработали вещества, которые избирательно влияют на раковые клетки и нейтрализуют тирозинкиназу.
Первым клинические испытания прошел иматиниб. Он направлен против фермента, вырабатываемого онкогеном c-ABL, расположенным на девятой хромосоме у человека и связанным с лейкемией. Сейчас его используют в таргетной терапии. Больные принимают лекарство в виде таблеток, побочных эффектов у него мало. Раньше после постановки диагноза пациенты с этим видом рака погибали в среднем через пять лет, теперь у них нормальная продолжительность жизни — при условии постоянного лечения.
Препараты похожего действия разработаны для некоторых видов рака груди, легких, меланомы. Одновременно выяснилось, что они эффективны против опухолей, которые развили резистентность к первичной терапии.
Есть еще другая группа таргетных препаратов, которая не блокирует, а изменяет канцерогенный фермент так, что его распознает иммунная система. Это служит сигналом для уничтожения раковых клеток силами организма.
Борьба науки с раком длится уже столетие. Сейчас успешно лечат многие виды опухолей, раньше считавшиеся безнадежными, в том числе благодаря открытию онкогенов. Неслучайно Раус, Ниренберг, Темин, Вармус были удостоены в разные годы Нобелевских премий. До окончательной победы еще далеко, однако полная расшифровка генома человека и удешевление методов секвенирования дают надежду на открытие новой эры в исследовании генетики рака.