Мятежная клетка. Рак, эволюция и наука о жизни

Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу британского генетика и популяризатора науки Кэт Арни «Мятежная клетка. Рак, эволюция и наука о жизни» (перевод Марии Смирновой).

Рак встречается почти у всех видов животных и поражает людей с тех пор, как наш вид начал ходить по земле. В книге «Мятежная клетка» Кэт Арни раскрывает секреты нашего самого грозного врага среди болезней. Прежде всего автор показывает, что рак не столько внешний захватчик, сколько своеобразный «двойной агент»: рак накрепко вплетен в фундаментальные процессы самой жизни. Новые научные данные свидетельствуют, что этот недуг — результат тех же эволюционных изменений, которые позволили человечеству процветать. Эволюция научила нас, как можно перехитрить окружающую среду, но она же помогает делать это и раку — причем в его случае, увы, «окружающей средой» оказываемся мы сами. Объясняя, почему наши представления о раке по большей части ошибочны, Арни знакомит читателей с последними исследованиями клеток-«мошенниц», восстающих против жестко организованного биологического «сообщества», каким является тело, и устремляющихся прямиком в анархию.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Познакомьтесь: амебы-«мошенницы»

Живущая в почве слизистая плесень Dictyostelium discoideum (сокращенно Dicty) проводит дни, слоняясь без дела, как и подобает одноклеточной амебе, — по крайней мере до тех пор, пока жизнь хороша, а вкусных бактерий для пропитания хватает. Однако когда запасы еды заканчиваются, одиночные клетки начинают посылать друг другу сигналы бедствия, побуждающие их сбиваться вместе. До 100 000 клеток объединяются, образуя небольшой слизистый сгусток длиной всего несколько миллиметров — его незамысловато именуют слизняком, — который скользит в поисках хорошего ярко освещенного места с подходящей температурой и влажностью. Найдя желаемое, слизняк вновь меняет форму. На этот раз он вытягивает вверх вертикальный стебель, увенчанный плодовым телом в форме бутона. В конечном счете бутон раскрывается, разбрасывая вокруг крошечные споры — в надежде обеспечить им условия, подходящие для того, чтобы каждая проросла в новую амебу Dicty и запустила весь цикл снова.

Жизненный цикл Dicty можно считать яркой иллюстрацией преимуществ многоклеточности: отдельные клетки объединяются в нем ради воспроизводства, когда становится тягостно. Но в нем можно обнаружить и обратную сторону клеточного слияния: хотя 80 % клеток, образующих слизняка, в итоге станут спорами и получат еще один шанс на жизнь, оставшиеся 20 %, оказавшиеся в стебле, умрут, пожертвовав собой ради общего блага колонии. Интересно, однако, что даже в столь простом сообществе находятся «жулики», которые нарушают общие правила.

В 1982 году Лео Басс, биолог из Йельского университета, заметил в мире слизистой плесени признаки антисоциального поведения. Он увидел, что определенные клетки родственного вида, Dictyostelium mucoroides, с большей вероятностью попадают в плодовое тело, а не в стебель, и тем самым обеспечивают себе больше шансов выжить и передать гены дальше. Он назвал этих «хитрецов» «соматическими клетками-паразитами»[1]. Четверть века спустя Гэд Шаульски с коллегами из Медицинского колледжа Бейлора в Техасе опубликовал статью, в которой описывалось аналогичное эгоистичное поведение и у Dicty. Оно оказывалось следствием изменений, которые затрагивали любой из более чем 100 генов.

Затем специалисты обнаружили нечто еще более любопытное: «мошенницы» «обманывали» лишь тогда, когда находились в окружении амеб, с которыми они не были родственно связаны. В присутствии генетически отличающихся соседей некоторые семейства вносили скромные 5 % вклада в формирование стебля, но вот зато если их окружали генетически идентичные собратья, целые 20 % «мошенниц» смиренно принимали смерть, отдавая свою жизнь за семью, а не за случайных незнакомцев. Ведь нет никакой пользы в наращивании массы на вершине стебля, если семейные гены всё равно будут передаваться родственниками.

Впрочем, мы должны проявлять осмотрительность и не приписывать этим скользким «мошенницам» наличие субъектности или интеллекта. Они всего лишь следуют заложенной в них генетической программе, которая была сформирована естественным отбором. Когда у амебы возникает генетическая вариация, которая увеличивает ее шансы продвинуться к вершине стебля, носящая ее в себе клетка, скорее всего, выживет и продолжит размножаться, дав жизнь новому поколению «мошенниц», отличающихся той же мутацией. Поразительно то, что такой примитивный организм, как одноклеточная слизистая плесень, содержит столь великое множество генов, которые обеспечивают многоклеточное социальное поведение. Но еще более невероятным представляется кое-что другое: все эти «общественные правила» перестают работать в одном-единственном случае — когда генетическое нарушение, которое претерпела клетка, выгодно в эволюционной перспективе. Ведь вся популяция «эгоистичных» амеб быстро исчезла бы, если бы в ней отсутствовали особи, готовые пожертвовать собой ради образования стебля.

Dicty — лишь типичный пример из множества других: мир переполнен «обманщиками» и «жуликами», которые сплошь и рядом нарушают правила своих сообществ. В 1970-е годы группа математически ориентированных биологов-эволюционистов, описывающая поведение молодых самцов благородного оленя, придумала термин «осеменитель-подпольщик»[2]. Не имея возможности обеспечить себя персональным гаремом, они спариваются с самками в то время, когда более взрослые и более крупные самцы бьются между собой за право обладания ими. Генетические исследования показывают, что из этих мимолетных союзов появляется на редкость много оленят Бэмби, что служит наилучшим подтверждением эффективности подобной стратегии спаривания. Подобные репродуктивные гамбиты позже были выявлены и в других популяциях животных.

Наконец, есть еще и пример южноафриканской медоносной пчелы (Cape honey bee). Подобно большинству социальных насекомых, эти создания живут колониями со строгой внутренней иерархией, разделенными на самок-тружениц и самцов-трутней, которыми управляет пчелиная матка. Она является единственной самкой в улье, которая может спариваться, производя мощные гормоны, подавляющие половые устремления рабочих пчел. Если пчелиная матка находится в отлучке, рабочие пчелы могут вновь активировать работу своих яичников и начать откладывать неоплодотворенные яйца, из которых вылупляются исключительно самцы-трутни. Однако время от времени рабочие пчелы поднимают своеобразное восстание: они перестраивают свои репродуктивные процессы, генерируя женское потомство и маточные феромоны, невзирая на присутствие матки. (Это явление известно как телитокия — от греческих слов thelys и tokos, сочетание которых означает «женское потомство».)

Способность активировать «режим матки» позволяет обычным рабочим пчелам превращаться в «мошенниц», пренебрегающих своей обычной деятельностью и предающихся вместо этого производству потомства. Затем группы фальшивых маток вторгаются в соседние ульи родственных подвидов медоносных пчел , отодвигая на второй план местную матку вместе с подчиненными ей местными рабочими пчелами и генерируя еще больше псевдоматок. По мере того как улей заполняется потомством этих маток-«мошенниц», сокращается количество пчел-тружениц, обязанных заниматься сбором нектара и опылением растений, а это нередко приводит к гибели колонии.

Примечательно открытие группы немецких и южноафриканских исследователей, которая обнаружила, что способность стать маткой-«мошенницей» предопределяется заменой лишь одной «буквы» в геноме пчелы; эта «буква» локализована в гене, функция которого в настоящее время остается неясной. Пчелы-«мошенницы» процветают на северо-востоке Южной Африки — несмотря на то что их активность губит их собственные колонии и наносит убытки местным пчеловодам.

Тем не менее с эволюционной точки зрения способность заново заселить рой пчелами-работницами и новой маткой является чрезвычайно полезной. В Южной Африке, где обычно живут описанные выше насекомые, очень ветрено, и поэтому подлинных маток, выбирающихся из пчелиного гнезда, часто уносит ветром. В столь суровых условиях готовность смириться с появлением псевдоматки кажется незначительной платой за обеспечение выживания вида в целом.

Острая проблема

К началу мая на территории Университета штата Аризона в Темпе так печет, что глазные яблоки при сухой сорокаградусной жаре ссыхаются, а кожа покрывается мурашками. Это не лучшее место для бледной британской писательницы, мгновенно обгорающей на солнце, но зато оно идеально подходит для кактусов. Одно из последних новшеств в благоустройстве университетской территории — небольшая коллекция кристатных кактусов, размещенная на гравийной гряде между двумя зданиями факультетов. Это необычные растения. Вместо того чтобы указывать в небо округлыми «пальцами», их низкорослые стебли, покрытые пышными вздувшимися наростами, тяготеют к земле. Глядя на эти буйные колючие образования, невозможно не заметить их сходства с раковыми опухолями, набухающими внутри человеческого тела.

Эта параллель очевидна для Атэны Актипис, женщины, посадившей эти растения. Она возглавляет университетскую лабораторию кооперации и конфликта и является соруководителем проекта с интригующим названием «Человеческая щедрость» (Human Generosity Project) — масштабной междисциплинарной исследовательской программы, изучающей общества и культуры по всему миру в поисках тех факторов, которые заставляют людей быть щедрыми. После получения докторской степени за исследование, посвященное эволюции сотрудничества в человеческих обществах, ее заинтересовала гипотеза о том, что принципы функциональных (и дисфункциональных) обществ могут также работать и на клеточном уровне. Однако, обратившись к клеточному сообществу, она начала не с рака, а с кристатного кактуса.

«Я нашла веб-сайт, на котором были размещены удивительные фотографии кристатных кактусов, — говорит она мне, когда мы сидим в ее офисе, затерянном в недрах психологического факультета. — Есть что-то поразительное в том факте, что с раком знакомы не только животные, но и те формы жизни, которые внешне ничуть не похожи на нас. Растения биологически не имеют отношения к тому, как мы представляем себя самих и других животных, но именно они заставили меня осознать, что рак является фундаментальной частью жизни».

Вместо того чтобы, подобно большинству других исследователей рака, сосредоточиться на клетках, молекулах и генах, Актипис задумалась над тем, не помогут ли ее знания о взаимодействии индивидов в социуме взглянуть на онкологическую тему по-новому. Опираясь на свою диссертацию, описывающую социум как сеть автономных индивидов, объединяемых общностью ресурсов и необходимостью отвечать на внешние вызовы, она предположила, что ткани в организме должны вести себя как коллектив добропорядочных клеток, каждая из которых придерживается пяти золотых правил: не допускать чрезмерного распространения, выполнять предписанные задачи, не потреблять больше ресурсов, чем необходимо, всегда убирать за собой и умереть, когда потребуется.

Перечисленные правила обеспечивают нормальное функционирование любого сообщества, в том числе и нашего собственного; соответственно, в каждом из них возникают проблемы, если индивидуальные члены вдруг решают жить по-своему. Раковые клетки «обманывают», нарушая все правила, поначалу лишь одно или другое, но затем, утверждаясь и распространяясь в организме, все сразу. Они бесконтрольно воспроизводятся, пренебрегают нормальным функционированием внутри органа, пожирают кислород и питательные вещества, создают токсичную кислую среду и упорно отказываются умирать, когда приходит пора сделать это.

После миллиардов лет эволюционного развития многоклеточные организмы существуют как сообщества клеток, где каждая единица нацелена не на удовлетворение своих автономных потребностей, а на выполнение определенной роли в поддержании общего блага и воспроизводстве вида. Этот иерархический порядок не оставляет места для непринужденного образа жизни, который отличал наших одноклеточных предков. Деление клетки находится под строгим контролем, оно управляется множеством сложных, взаимосвязанных молекулярных и генетических процессов, гарантирующих, что каждая клетка будет делиться только там и тогда, где и когда это необходимо. Беспорядок в этом деле недопустим, а для поврежденных или своевольных клеток нет места. Возмутителей спокойствия вынуждают совершить самоубийство ради блага всех остальных, а старые клетки мирно усыпляют. Именно такой режим, каким бы суровым он ни казался, поддерживает наше здоровье.

Тем не менее в любом организованном обществе — человеческом, животном или клеточном — всегда найдутся отдельные единицы, нарушающие правила. (Кстати, я уверена, что каждый из нас делал это лично, особенно когда мы не сомневались, что содеянное сойдет нам с рук.) Подобно тому как человеческий социум процветает и растет, если люди действуют сообща и следуют общественно-правовым нормам, пресекающим конкуренцию или обман, эволюция многоклеточных организмов тоже требует подавления клеточного «мошенничества». Чем больше в таком организме клеток и чем дольше им предстоит сосуществовать бок о бок, тем сложнее этого добиться. В ходе эволюции многоклеточных животных невероятные усилия были потрачены на то, чтобы разработать механизмы подавления клеток-«мошенниц». Чем крупнее живое существо, тем больше членов входит в его клеточное сообщество; в соответствующей пропорции возрастает и вероятность «обмана», заставляющая совершенствовать контрольные механизмы.

Отдельной клетке, ставшей членом крупного многоклеточного проекта, предписывается отказаться от собственной автономии и управления своей эволюционной судьбой. Клетка соглашается на это, рассчитывая, что тело, частью которого она становится, до своей кончины успеет передать ее гены дальше. Тем не менее всегда могут найтись причины, подталкивающие к тому, чтобы нарушить правила, сбросить оковы клеточного коллектива и начать безудержно воспроизводиться.

К несчастью, в подобных случаях незамедлительно возникает очевидная проблема. Клеточный «обман» нарушает баланс между долгосрочной целью всего организма — прожить достаточно долго, чтобы успеть воспроизвести себя, — и внутренним стремлением «мошенницы» быстро получить индивидуальную выгоду за счет соседей. Эта выгода приобретается путем перерождения мятежной клетки в злокачественную опухоль, вопреки даже тому, что в итоге жертвой процесса оказывается и сама его инициаторша. Впрочем, всегда существует естественный количественный предел случаев обмана, с которыми любое сообщество готово мириться: если бы все одновременно решили обманывать, то и многоклеточное животное, и человеческий социум погрузились бы в состояние хаоса, воспроизводя антиутопию в стиле «Безумного Макса».

[1] Я склонна именовать их «амебами-подлецами».

[2] Автор использует здесь термин sneaky fucker. Буквальный перевод этого словосочетания не представляется возможным, но предложенная версия вполне передает его смысл. — Прим. ред.