Ученые завершили крупнейший проект картографии путей, ведущих к раку

Мутационные подписи, вредное омолаживание и салат из ДНК

В начале февраля завершился большой международный проект Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) по сбору и анализу данных, касающихся раковых опухолей. Благодаря сотрудничеству ученых с четырех континентов из 744 научно-исследовательских учреждений удалось сделать детальный анализ более 2600 опухолевых образцов 38 типов тканей. Универсального лекарства от рака проект не обещает и порождает новые вопросы о механизмах, с помощью которых болезнь ежегодно уносит миллионы человеческих жизней. Но ученые полагают, что он позволит вывести знания человечества о генетике рака на принципиально новый уровень, а, значит, сделает его ближе к победе над болезнью.

Пришлось изучить тысячи образцов опухолей, взятые у разных людей. Иначе нельзя разобраться, как устроен рак

Совокупность раковых заболеваний является второй причиной смертности в мире; ежегодно от рака умирает около 8 миллионов людей, и, по некоторым прогнозам, это число увеличится на 50% в ближайшие пару десятилетий. Несмотря на то, что на проведение исследований, связанных с раком, уходит, по разным оценкам, до 90% общего финансирования биологических и медицинских наук в мире, выяснение причин возникновения и развития многих типов рака, а также разработка методов эффективной их диагностики и лечения, все еще недостижимо. Ответ на вопрос, почему так происходит, состоит в самой природе возникновения раковых заболеваний.

Раковая опухоль, по сути своей, является бессмертной, способной к бесконтрольному размножению, защищенной от воздействия иммунитета самостоятельной системой; более того, придти к такому состоянию она может самыми разными путями. Единого универсального способа развития опухолей, который можно было бы легко отследить и «заблокировать», не существует. Поэтому надежда победить эту болезнь окончательно кроется не во внезапном озарении и подборе одной гениальной концепции, а в максимально масштабном и при этом детальном исследовании всех возможных типов опухолей, которые возникают, развиваются, реагируют на успешное или неуспешное лечение, проявляются вторично и так далее.

На данный момент одной из самых крупных платформ, посвященных сбору и анализу всевозможных данных по раковым опухолям, является программа The Cancer Genome Atlas (TCGA), возникшая в 2006 году. Она предоставляет более 2,5 петабайт данных, лежащих в открытом доступе для анализа их учеными по всему миру. Помимо TCGA такими исследованиями на глобальном уровне занимается консорциум International Cancer Genome Consortium (ICGC).

Обе эти платформы (TCGA и ICGC) и являются основными участниками проекта Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG). В названии этого проекта, которое переводится как «пан-раковый полногеномный анализ», частица «пан» подразумевает, что анализируется широкий спектр геномов. Традиционно термин «пангеном» относится к бактериям, потому что внутри одного их вида даже число генов в геномах разных представителей может сильно различаться. Совокупность всех генов у всех известных представителей некоторого вида или рода и называют пангеномом. В случае бактерий число генов в пангеноме и внутри генома одной особи может отличаться на порядок — здесь становится понятным, что полной картины, прочитав геном всего одной особи, не получишь. У высших же организмов, в особенности, животных, такого, как правило, не бывает. У двух разных людей с огромной долей вероятности будет одинаковое число генов, хотя сами гены эти, разумеется, будут обладать отличиями.

Тем не менее, авторы проекта сочли разнообразие всевозможных генетических характеристик раковых опухолей столь значительным, что назвали свой проект «пан-раковым». Всего в рамках PCAWG было прочитано 2658 геномов раковых опухолей, причем к каждому из них также был прочитан и «контрольный» образец, то есть образец здоровой ткани того же самого человека.

Изучали не только гены, но и ту часть генома, которую раньше считали «мусором». Межгенные пространства ДНК тоже влияют на развитие рака

В отличие от многих других проектов, участники PCAWG анализировали не только гены, но весь геном, в том числе межгенные пространства, которые у человека составляют не менее 98% генома, но функции и структура которых все еще недостаточно хорошо ясны.

Хотя человеческий геном прочитан уже почти двадцать лет назад, знание последовательности «букв» вовсе не означает понимания того, что в нем записано. В человеческом геноме около трех миллиардов «букв». Примерно 1-2% из них относятся к генам, то есть кодируют белки — это около двадцати тысяч генов, каждый из которых состоит из десятков тысяч «букв». В пространствах между генами расположены всевозможные регуляторные участки, необходимые для правильной координации работы генов, а также, например, множество «мобильных элементов», которые, на первых взгляд, кажутся то ли мусором, то ли паразитическими объектами вроде вирусов, использующими наш геном как площадку для собственного размножения и распространения.

Однако в последнее время становится все яснее, что «просто мусора» в ДНК, по-видимому, почти нет, и даже пресловутые мобильные элементы играют в эволюции и в жизни своих хозяев множество разных ролей. Именно они стали причиной возникновения, например, механизмов приобретенного иммунитета у млекопитающих. Недавние исследования показали, что в мозге они, по всей видимости, участвуют в когнитивных процессах и формировании памяти в течение жизни человека. Кроме того, новые встройки активных мобильных элементов иногда вызывают рак.

Люди еще очень многого не знают как о межгенных пространствах, так и о функциях и способах взаимодействия генов. Получение новых данных о последовательностях геномов, РНК или белков в тех или иных клетках не подразумевает автоматического понимания того, что именно мы при этом наблюдаем. Но именно широкомасштабное сравнение данных из образцов людей, о которых что-то известно, позволяет получать все более полную картину о генетике человека и о причинах его заболеваний. Поэтому были собраны не только данные из образцов опухолей, но и о пациентах, от которых эти образцы получены.

Кроме того, было также проанализированоы 1188 раковых транскриптомов — совокупностей РНК в клетках; исследование РНК позволяет понять, какие участки ДНК в данном образце экспрессируются, т. е. «работают», а какие нет.

Естественно, подобные проекты подразумевает титанический труд, как в лабораториях, так и в рамках компьютерной обработки полученных данных, то есть «биоинформатической» части. Речь идет о сотнях терабайтов данных и сложных алгоритмах на облачных серверах, которые обычно называют «пайплайнами» (из-за сходства со скрепленными в ряд трубочками, сквозь которые «прогоняют» данные). После биоинформатической обработки зачастую необходимо вновь возвращаться к лабораторной части — ведь найденные с помощью компьютерного анализа мутации, например, обязательно нужно подтверждать экспериментально.

Ученые нашли множество механизмов возникновения и развития опухолей — вплоть до геномных катастроф, делающих из ДНК «салат»

В февральском выпуске журнала Nature опубликовано семь статей, касающихся проекта PCAWG.

Геномные катастрофы

Первая является общим обзором данных, полученных в ходе проекта. Ученые сообщают, что в среднем каждый раковый геном содержит 4-5 «драйверных» мутаций, которые дают клеткам селективное преимущество и позволяют опухоли развиваться внутри организма. Из всех исследованных опухолей только 5% не содержали выявленных мутаций такого типа.

Более того, многие типы рака демонстрируют проявление «геномных катастроф»: в клетках появляется не несколько мутаций, а целая лавина геномных перестроек. Катастрофы случаются в результате множественных разрывов цепей ДНК в одной или нескольких хромосомах и последующих случайных их сшивок (эти события называются хромоплексией или хромотрипсисом, в зависимости от характера и масштаба перестроек). После этого цепь ДНК внутри хромосомы может напоминать салат, нарезанный из случайных кусков, ранее находившихся в стройном порядке. Масштаб подобных явлений стал понятен совсем недавно, потому что раньше чувствительность методов анализа ДНК не позволяла этот «салат» правильно рассмотреть — ученые работали со слишком маленькими кусочками ДНК или с недостаточным их количеством, и поэтому и не в полной мере могли отследить степень их перемешивания.

Участники проекта PCAWG сообщают о случаях хромоплексии и хромотрипсиса в 18-22% раковых образцов; в случае акральной меланомы, например, утверждается, что они предшествуют появлению каких-либо других раковых мутаций, и могут являться изначальной причиной возникновения опухолей.

Рецепт клеточного бессмертия

Другая статья посвящена некодирующим областям генома. Авторам удалось выявить новые, ранее неизвестные участки ДНК, структурные изменения в которых могут вызывать появление опухолей. Так, например, было показано частое появление в раковых образцах мутаций в некодирующем участке, относящемся к гену TERT, которая приводит к чрезмерному повышению работы этого гена — увеличению выработки фермента теломеразы.

Теломераза известна как ключ к «клеточному бессмертию», поскольку она необходима для приращивания новых кусочков ДНК к концам хромосом, которые укорачиваются при каждом делении клетки. У мышей, например, теломеразы работают всю жизнь, а вот у человека большинство клеток во взрослом возрасте ее не производят, так что ее изучению посвящено немало исследовательских проектов, связанных со старением.

Нельзя просто «включить» повсюду теломеразу и обрести «хорошее» бессмертие. Дело в том, что активация теломеразы выключает в человеческих клетках важные сигналы, касающиеся запрограммированной клеточной смерти, необходимой в случае, например, когда клетка уже имеет ряд мутаций и рискует превратиться в раковую. В результате «опасная» клетка выживает, не совершив клеточного самоубийства (апоптоза), как ей было положено. В сущности, именно так в раковых опухолях часто и происходит — теломераза активируется в результате структурного изменения ДНК, клетка становится бессмертной (не подвергается апоптозу, хотя геном ее продолжает быть нестабильным). При появлении некоторых дополнительных мутаций запускается механизм ее бесконтрольного деления и она превращается в настоящую раковую клетку.

Мутационные подписи и раковые часы

Это направление исследований модификаций ДНК возникло относительно недавно. В случае, когда в ДНК обнаруживаются мутации — например, одни ее «буквы» оказываются заменены на другие по сравнению с контрольными «здоровыми» клетками, можно изучать не только то, какие именно буквы подверглись изменениям, но и то, в каком окружении это произошло, то есть каковы были их ближайшие буквы-соседи, и нет ли в этой последовательности какой-нибудь закономерности. Если закономерность обнаруживается, это может позволить понять, что послужило исходной причиной перерождения: ошибки в системе репликации ДНК, влияние генотоксинов (например, табака или ультрафиолетового излучения) и т. п. Эти буквенные контексты и называются подписями; разные подписи ассоциированы с разными типами рака.

В новой работе удалось идентифицировать и описать 97 разных подписей, причем впервые были описаны подписи, связанные с крупными перестановками участков ДНК (СNV), а не только с ближайшими несколькими соседями мутировавшей «буквы».

Еще одно исследование было посвящено «молекулярным часам» опухолей. Ученые разработали методику, которая позволяет оценить, когда именно и в какой последовательности возникали мутации в данной конкретной опухоли — эта информация очень важна для понимания того, как происходит злокачественное перерождение клеток.

Один из авторов работы, заведующий группой в Институте Броуда Игнатий Лещинер так описал суть метода: «Если коротко, „тайминг“ основан на реконструкции порядка возникновения записанных в геноме мутаций: когда часть хромосом амплифицируются, мутации, которые появились до амплификации, дублируются, а те, что появились после — закрепляются только на одной копии. Зная это, можно оценить когда именно каждая из амплификаций произошла во времени — это позволяет смотреть на много лет назад в историю развития конкретной опухоли».

Такое исследование, в частности, позволяет понять, какими бывают мутационные «траектории» у опухолевых клеток, то есть по какому сценарию может идти накопление мутаций, приводящих клоны к преимущественным или, наоборот, невыигрышным позициям. Выяснилось, в частности, что драйверные, самые важные мутации, происходят, как правило, на ранних стадиях зарождения опухоли — это порой означает, что необходимые для возникновения рака мутации в клетках человека могут появляться за годы до того, как у ему поставят соответствующий диагноз.

С помощью этого же анализа выяснилось также, что мутационные подписи в раковых клетках с развитием опухоли зачастую (не менее чем в 40% случаев) меняются. Вклад влияния внешних факторов на уже существующую опухоль оказался, в частности, переоценен, а вклад нарушения систем починки (репарации) ДНК — недооценен.

Испорченные гены

В исследовании, касающемся 1188 транскриптомов — анализе состава «работающих» участков ДНК, с которых считывается РНК, — ученые пытались выяснить вклад мутаций в работу генов. Они выяснили, что основным фактором, существенно влияющим на экспрессию генов в клетке, являются крупные структурные модификации ДНК (CNV). Однако были найдены и более мелкие мутации, впервые описанные и оказавшиеся значимыми для раковых процессов. Они приводят, например, к тому, что некодирующий участок ДНК превращался в часть гена и этим «портил» его последовательность; в других случаях два гена могли, например, «склеиваться» друг с другом и также менять свои функции, участвуя в развитии опухоли.

Отдельно отмечаются 87 образцов, в которых на уровне генома мутаций обнаружено не было, а на уровне РНК были выявлены изменения, которые и привели, по-видимому к возникновению раковых процессов.

Мобильные элементы

Специальный проект был посвящен исследованию генетических мобильных элементов, которые занимают не менее 50% человеческого генома. Некоторые из них способны к «движению» внутри генома; например, активные представители семейства LINE1 умеют считывать собственную последовательность ДНК и копировать ее в новые локации. В обычных клетках эти их способности подавляются, но иногда «блоки» могут сниматься — например, в определенные фазы размножения клеток.

Известно, что новые встройки мобильных элементов могут приводить к нарушению работы генов-онкосупрессоров или к активации работы онкогенов, и в конечном итоге служить причиной развития опухолей. В работе было показано, что новые встройки обнаруживаются не менее чем в 35% раковых образцов, и что их роль особенно значима в появлении структурных изменений ДНК при развитии аденокарцином пищевода, раковых образований головы и шеи (head and neck cancer) и колоректальных раках.

Накопление данных порождает много новых вопросов. Но других способов когда-нибудь победить рак нет

В целом, огромное количество данных — это новая ступень в понимании процессов, связанных с возникновением, развитием, диагностикой и методами лечения рака. С другой стороны, больший объем данных рождает все новые вопросы. Не покидает ощущение, что чем больше копаешь, тем больше обнаруживается разнообразных механизмов, позволяющих раку уносить ежегодно миллионы жизней. Количество этих механизмов порой вызывает сомнения в возможностях современной науки.

Однако способ борьбы против незнания, по-прежнему, только один — это получение новых знаний. И именно поэтому ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Каждый месяц появляются сотни новых статей; способов лечения, которых раньше не было совсем, появляется все больше. Так что в масштабных проектах типа PCAWG действительно кроется надежда людей понять и победить рак.

Анна Казнадзей