По данным Минздрава, в России выявляют около 625 тысяч случаев онкологических заболеваний в год, и это число постоянно растет. Каждый день более 1700 россиян узнают о своем диагнозе. Но для ученых рак — не только страшная болезнь, но и возможность исследовать происхождение жизни. Автор популярного канала в «Яндекс.Дзене» «Книга животных» Влад Горбачев объясняет, как рак связан с эволюцией, регенерацией и эмбрионами.
Рак, паразиты и многоклеточность
Без изучения эволюции невозможно понять механизмы развития рака и разработать эффективные методы лечения. Сама природа заболевания тесно переплетена с эволюцией жизни на Земле. Так, генетические механизмы подавления опухолей, которые предотвращают образование рака, изначально были необходимы для эволюции многоклеточных организмов.
Сегодня ученые считают рак результатом эволюции клеток внутри организма. Как и в случае с эволюцией в масштабе видов, клетки в организме делятся, накапливая мутации. «Удачные» мутации помогают клеткам лучше приспособиться и повышают их шансы размножиться, оставив «потомство». Клетки даже могут научиться «путешествовать», выживая в других тканях, — так образуются метастазы. Некоторые виды рака пошли еще дальше и приобрели способность передаваться от одного организма к другому — их называют трансмиссивными.
В 2019 году российские биологи даже предположили, что трансмиссивный рак может эволюционировать в одноклеточных паразитов, из которых, в свою очередь, появятся многоклеточные организмы. Звучит фантастически и ничего подобного в природе пока обнаружить не удалось, но теоретически такая возможность существует.
Что общего у эмбриона и опухоли
Исследуя эмбриональное развитие животных, биологи стали находить сходства эмбрионов с онкологическими образованиями. Дело в том, что своим существованием рак обязан фундаментальному процессу, происходящему внутри организма, — делению клетки.
История каждого человека начинается с оплодотворенной яйцеклетки. Благодаря делению за несколько дней она превращается в комок из сотен клеток. Организм взрослого человека состоит уже из триллионов клеток. Процесс деления клеток строго контролируется генами. Они определяют, в какой момент клетка должна делиться и когда пора остановиться. Без этого контроля люди и другие многоклеточные организмы не могли бы существовать.
Рак тоже возможен благодаря делению клеток, но регулировать его генам уже не удается: каждая клетка действует сама по себе и будет делиться, пока не поглотит все питательные вещества. В результате образуется злокачественная опухоль и организм погибает.
Изучив ДНК эмбриона и опухоли, исследователи отметили, что в их развитии принимает участие множество одинаковых генов и их каскадов — src, Wnt/BMP, Hox и других. Они играют решающую роль в развитии плода и в правильности его строения. Но при возникновении мутаций эти каскады срабатывают неверно и могут создать дополнительный, «лишний» орган или запустить процесс канцерогенеза. При «отключении» таких генов ни опухоль, ни зародыш не способны продолжить дальнейшее развитие и вскоре погибают.
Основная причина онкологических заболеваний кроется как раз во включении этих «детских» генов. В уже сформированном организме они сохраняются в спящем режиме. Но если на человека влияют УФ-излучение, канцерогены, вирусы или другие негативные факторы, это приводит к изменениям в генетической структуре клеток и активизирует гены, которые работать не должны.
К счастью, в организме есть гены, задача которых — замечать появление рака на дальних подступах и блокировать его. К таким генам относится TP53, который заставляет опухолевые клетки самоуничтожаться.
Регенерация с помощью рака
Рак напоминает и другой физиологический процесс — регенерацию. Как и онкогенезу, для восстановления органу необходимо много клеток, которые производятся путем деления надвое. Помимо этого, процесс регенерации, например костей, — это точный повтор эмбрионального развития. Клетки на месте раны могут утратить черты «взрослого» организма, как и раковые клетки.
Связь регенерации и рака ученые продемонстрировали, поставив эксперимент с удивительным существом — аксолотлем, личинкой мексиканской амбистомы (вид земноводных). Аксолотль достигает половой зрелости без превращения во взрослую форму, что делает его удобным объектом для научных исследований.
Аксолотль
В ходе эксперимента ученые отрезали аксолотлю половину конечности, после чего блокировали работу каскада генов, который у эмбриона отвечает за развитие скелета — Wnt/beta-catenin. Это снизило способность организма к регенерации. Обычно отрезанные конечности у аксолотля полностью восстанавливаются, но у животных с блокированными в ходе эксперимента генами вместо лапы выростала лишь заостренная культя без пальцев. При этом если каскад Wnt «включится» у взрослого организма, это может привести к раку.
Получается, что одни и те же гены отвечают за развитие рака и регенерацию. Возможно, эти их свойства когда-нибудь пригодятся людям. «Я верю, что мы сможем улучшить заживление тканей при ожогах, научимся устранять осложнения при пересадке органов и даже сможем лечить рак, — надеется биолог Стефан Рой, изучающий генетические механизмы регенерации. — Всё это может произойти в течение ближайших десятилетий».
Благородная цель рака
Интересную гипотезу в свое время предложил российский биолог Андрей Макрушин. Он считает развитие раковых опухолей «наследием» древнего предка всех многоклеточных животных. Тот предок был колонией одноклеточных организмов, часть которой отвечала за образование новых клеток. Так происходило омоложение колонии.
Проблема в том, что этот механизм сохранился у ее потомков. До сих пор некоторые животные в неблагоприятной среде (например, при засухе или холоде) стараются стать «детьми» на клеточном уровне, чтобы потреблять меньше энергии и дождаться удачного момента для восстановления. Раковые опухоли — это такая же попытка организма при экстремальных условиях вернуться к бесполому размножению, образовав зародыши и вернув себе «утраченную молодость».
Получается, что рак преследует благородную цель, стремится защитить организм от вредных факторов. К сожалению, из-за высокой степени дифференциации он не справляется с этой древней задачей, поэтому опухоль только усугубляет негативные процессы и приводит к смерти организма.
Что дальше
Биологи и генетики продолжают исследовать рак как явление и изучать его связь с эволюцией. Например, ученые научились создавать гибридомы, то есть гибриды нормальных и опухолевых клеток, которые производят моноклональные антитела (антитела, которые вырабатываются одним клоном иммунных клеток). Специалисты используют их для разработки лекарств, способных лечить тяжелые заболевания, в том числе рак.
«Рак всегда будет частью жизни, так что нам следует признать его частью нашего эволюционного наследия, — считает автор книги про эволюцию рака The Cheating Cell Афина Актипис. — Переключив внимание с искоренения рака на удержание его под контролем, мы с большей вероятностью найдем эффективное лекарство».
