8 лютого, 2016
Опухоль, гены, геномы
В последние десятилетия онкологическая практика все более тесно переплетается с фундаментальными исследованиями, связанными с изучением генома. Примеров тому множество, и вот один из последних: Нобелевская премия 2015 г. по химии была вручена за исследования в области репарации ДНК, которые впоследствии послужили основой для создания противоопухолевых препаратов.
Престижную награду разделили британец шведского происхождения Томас Линдаль, американец хорватского происхождения Пол Модрич и американец турецкого происхождения Азиз Санкар (Санджар). Лауреаты 2015 г. внесли огромный вклад в изучение репарации ДНК: сегодня известно как минимум шесть разных механизмов ее восстановления, и к исследованию четырех из них нынешние лауреаты имеют непосредственное отношение.
«Их работа дала фундаментальные знания о функциях живых клеток и, например, об их использовании при разработке новых методов лечения рака», – говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета. Ученые на молекулярном уровне показали, как клетки восстанавливают поврежденную ДНК и сохраняют генетическую информацию.
Результаты исследований нынешних лауреатов давно стали классикой, ведь они были получены еще в 70-х гг. прошлого века. В тот период доминировало мнение, что ДНК является невероятно стабильной молекулой, устойчивой к любым воздействиям. Именно профессору Томасу Линдалю принадлежит открытие, что ДНК разлагается, причем такими темпами, что жизнь на Земле была бы невозможна без отлаженного механизма восстановления ДНК. Помимо нарушений, вызванных прямым воздействием канцерогенных веществ, свободных радикалов, ультрафиолетового облучения и других неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды, дефекты ДНК возникают при ее копировании в процессе деления клеток, но самое главное – молекула ДНК нестабильна по своей природе. Ежедневно геном подвергается тысячам спонтанных изменений.
Выяснив, что ДНК с большой скоростью разрушается, профессор Т. Линдал продолжил исследования и в 1979 г. открыл эксцизионную репарацию оснований. Выбрав две простые химические реакции – превращение цитозина в урацил (который встречается в РНК, но не в ДНК) и апуринизацию (отщепление от ДНК аденина или гуанина) – ученый показал, что эти процессы происходят как в изолированной ДНК, так и в живой клетке. Получив молекулу, в которой часть цитозина была заменена на урацил, он обнаружил и фермент, который удалял урацил в виде свободного основания – урацил-ДНК-гликозилазу. По пути эксцизионной репарации оснований происходит удаление и замена небольших поврежденных оснований и апуринизированных нуклеотидов, которые не вносят значительных искажений в структуру ДНК и поэтому не распознаются другими системами репарации. Клетка использует механизм эксцизионной репарации оснований и в других целях: например, та же урацил-ДНК-гликозилаза человека участвует в борьбе с вирусной инфекцией.
Большинство исследований, проведенных профессором Т. Линдалем, напрямую связаны с поиском способов лечения рака. Как известно, в опухолевых клетках некоторые пути репарации заблокированы. Из-за этого их ДНК становится нестабильной, что способствует ее мутациям, а также развитию резистентности к химиотерапии. При этом опухолевые клетки в значительной степени зависят от еще работающей системы репарации: без нее ДНК окажется чересчур поврежденной, что приведет к гибели клеток. Вещества-ингибиторы оставшихся путей, главным образом пути эксцизионной репарации оснований, сейчас рассматриваются как новые многообещающие препараты в онкологии. Подавление механизмов репарации поможет замедлить развитие онкологического заболевания и повысить эффективность воздействия других методов противоопухолевой терапии.
Профессор Азиз Санкар исследовал процесс репарации повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетовым облучением. Будучи аспирантом, он изучил систему ферментативной фотореактивации ДНК в клетках бактерий (E. coli), основным компонентом которой является ДНК-фотолиаза, которая разделяет пиримидиновые димеры, превращая их в нормальные пиримидиновые основания. Он впервые клонировал фотолиазу, то есть выделил кодирующий ее ген и произвел генно-инженерный белок. Эта работа стала переломной для исследования процесса фотореактивации, поскольку позволила производить белок в больших количествах и всесторонне его изучить.
Позднее А. Санкар изучил процесс, называемый темновой репарацией. До его исследований уже было известно, что повреждения ДНК, вызванные ультрафиолетовым облучением устраняются как при наличии, так и при отсутствии освещения; были даже идентифицированы три гена, ответственные за репарацию (uvrA, uvrB и uvrC). Однако сам процесс оставался неизученным: основная проблема заключалась в том, что белки, ответственные за темновую репарацию, присутствуют в клетках в микроскопических количествах. Специально для их изучения А. Санкар изобрел фантастический метод, которым впоследствии пользовались десятки лабораторий для идентификации самых разных белков. Ученый создал бактериальные «макси-клетки», синтезирующие избыток нужного продукта при минимальном загрязнении другими клеточными белками. В итоге были идентифицированы белковые продукты генов uvrA, uvrB и uvrC, образующие комплекс, который назвали эксцинуклеазой – он способен вырезать фрагмент ДНК вокруг тиминового димера. Благодаря этому весь механизм получил название эксцизионной репарации нуклеотидов. Дальнейшие исследования позволили установить, что после вырезания фрагмента, содержащего повреждение, ДНК-полимераза синтезирует нормальный участок цепи ДНК, и процесс репарации завершается ферментом ДНК-лигазой, которая восстанавливает целостность молекулы.
Репарация повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, у человека опирается исключительно на эксцизионную репарацию нуклеотидов. В человеческом организме фотолиаза отсутствует – из всех млекопитающих ее сохранили только сумчатые, у остальных сохранились гомологи фотолиазы – криптохромы, отвечающие за циркадные ритмы (которые также открыл А. Санкар).
Эксцизионная репарация нуклеотидов устраняет самые разнообразные повреждения. И все же, на ее долю приходится около 10% всех повреждений, возникающих в ДНК человека.
Дефект в системе эксцизионной репарации нуклеотидов вызывает тяжелейшее наследственное заболевание – пигментную ксеродерму, при которой пребывание на солнце приводит к ожогам, а со временем – к развитию рака кожи. Для лиц, страдающих пигментной ксеродермой, также характерно такое редкое онкологическое заболевание, как рак кончика языка.
Профессор Пол Модрич изучил механизм мисматч-репарации – системы, которая исправляет ошибки ДНК-полимераз, приводящие к включению в спираль ДНК ошибочных нуклеотидов в процессе ее синтеза. До начала его исследований было известно, что различение материнской и дочерней цепей ДНК основано на метилировании, также были известны гены, ответственные за репарацию. Пол Модрич придумал элегантную систему, основанную на образовании дуплексов между цепочками ДНК бактериофагов, отличающихся одним нуклеотидом. Этот метод позволил ему проследить в деталях, что происходит с неправильно спаренными нуклеотидами, а также исследовать действие изолированных белков системы репарации. В лаборатории П. Модрича были открыты основные принципы мисматч-репарации, а также было выявлено, что система мисматч-репарации у человека похожа на бактериальную, за исключением принципа определения репаративным ферментом материнской и дочерней цепи. Механизм мисматч-репарации уменьшает частоту ошибок в ДНК примерно в тысячу раз. Мутации в генах, ответственных за мисматч-репарацию, приводят к развитию наследственного рака кишечника и служат самой распространенной причиной этого заболевания.
«Давным-давно я нарисовал молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты – и что же? На днях четверым ученым дали Нобелевскую премию за то, что они ухитрились описать эту самую молекулу!», – утверждал Сальвадор Дали в далеком 1962 г., подразумевая американских биологов Френсиса Крика, Джеймса Уотсона и Мориса Уилкинса, а также «слегка» ошибившись в количестве лауреатов. Но кто бы ни стоял за этим открытием, очевидно одно – выявление пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки, приведя к множеству новых открытий. Без результатов изучения ДНК невозможно представить современную онкологию. Как было сказано в Нобелевской речи более 50 лет назад, определение структуры ДНК «открывает самые неожиданные возможности для разгадки механизма контроля и переноса генетической информации». Сегодня мы видим этому подтверждение: начиная с 1962 г., наибольшее количество Нобелевских премий в области физиологии и медицины получают ученые за исследования, так или иначе связанные с изучением ДНК. Кроме того, один из лауреатов Нобелевской премии по химии Фредерик Сангер (Frederick Sanger) был удостоен награды дважды: в 1958 г. он получил ее за расшифровку структуры белка, а в 1980 г. разделил награду с Полом Бергом (Paul Berg) и Уолтером Гилбертом (Walter Gilbert) за фундаментальные исследования, связанные с изучением нуклеиновых кислот. В частности именно Ф. Сангер внес существенный вклад в установление первичной структуры РНК и ДНК. Предложенный им метод основан на ферментативном синтезе радиоактивной комплементарной последовательности с использованием в качестве матрицы изучаемого фрагмента однонитчатой ДНК.
Сегодня ДНК является центральной темой научных исследований в биофизике, биохимии и молекулярной биологии. Эта удивительная молекула скрывает в себе еще много секретов, которые нам предстоит узнать.
К сведению
Начиная с 1901 г. было вручено 172 Нобелевских премии по химии, из них 63 раза – только одному лауреату. Существенная доля премий в области химии присуждена биохимикам, в том числе изучавшим ДНК.
Интересно, что Нобелевская медаль по химии и физике выглядит одинаково. Как указано в официальном описании медали, она содержит изображение Природы в виде богини Исиды, возникающей из облаков, держа в руках рог изобилия. Гений Науки, преклонив перед ней колени, сбрасывает покрывало с ее «холодного и строгого лица».
Источник: www.nobelprize.org
О лауреатах
Томас Роберт Линдаль (Tomas Robert Lindahl) родился 28 января 1938 года в г. Стокгольме (Швеция). В 1964-1967 гг. учился в аспирантуре в Принстонском университете (США). В 1967 г. получил звание профессора, а в 1970 г. – доктора медицины Королевского Каролинского института (Швеция). С 1978 по 1982 гг. работал в Гетеборгском университете (Швеция) на должности профессора медицинской и физиологической химии. Основные усилия профессор Т. Линдаль посвятил изучению генетических предпосылок развития онкологических заболеваний и репарации ДНК: в течение 19 лет (1986-2005) он возглавлял исследовательский центр Cancer Research UK’s Clare Hall Laboratories (Великобритания), почетным директором которого остается и сегодня. Кроме того, профессор Т. Линдаль является почетным главой исследовательской группы при Институте им. Фрэнсиса Крика (Великобритания).
Помимо собственных открытий, Т. Линдаль внес существенный вклад в науку, воспитав множество учеников: именно в его лаборатории обучалось большинство современных лидеров в области изучения репарации ДНК. В июне 2015 года в г. Осло (Норвегия) в честь профессора Т. Линдаля была организована конференция (The Tomas Lindahl Conference on DNA repair), на которую съехались со всего мира многие его ученики.
После присуждения Нобелевской премии журналисты поинтересовались у профессора Т. Линдаля, считает ли он возможным совершенствовать механизмы репарации ДНК до уровня, который позволит людям жить вечно. Ученый ответил, что вообще не верит в бессмертие. Однако он убежден, что в будущем можно будет трансформировать рак в хроническое заболевание, не представляющее прямой опасности для жизни.
Азиз Санкар (Aziz Sancar) родился 8 сентября 1946 года в г. Савуре провинции Мардин на юго-востоке Турции (на границе с Сирией), он был седьмым из восьмерых детей в семье. Оба его родителя были безграмотны, но все дети получили хорошее образование. Азиз Санкар – курд по происхождению, в настоящее время гражданин США и Турции. В 1969 г. окончил медицинский факультет Стамбульского университета, после чего некоторое время работал сельским врачом. В 1973 г. переехал в США, прошел магистратуру и аспирантуру по молекулярной биологии в Университете Техаса в г. Далласе. В 1977-1982 гг. учился в постдокторантуре в Йельском университете. Является профессором Техасского университета (США). С 1988 г. – профессор биохимии и биофизики Медицинской школы при Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (США). Азиз Санкар – первый в истории турецкий ученый, который удостоился Нобелевской премии.
Пол Модрич (Paul Modrich) родился 13 июня 1946 года в г. Ратоне (штат Нью-Мексико, США). Ученый имеет балканское происхождение: его дед по отцовской линии и бабушка (черногорского происхождения) иммигрировали в США из Хорватии. В 1973 г. П. Модричу было присвоено звание профессора Стэнфордского университета, в 1976 г. – профессора биохимии Медицинской школы университета Дьюка (США). С 1995 г. профессор П. Модрич занимается исследованиями на базе Медицинского института Говарда Хьюза (США).
Узнав о присуждении Нобелевской премии по телефону, профессор П. Модрич заявил, что он «ошеломлен» и самую большую радость испытывает от осознания, что разделил награду с двумя другими учеными, которых считает своими друзьями. Действительно, ученого связывает многолетняя тесная дружба с Азизом Санкаром, хотя Нобелевская премия присуждена им за несвязанные между собой исследования, объединяет которые только одно – репарация ДНК.
Природа опухолей: новые воззрения
Оригинальную версию происхождения опухолей предложили астробиологи: профессор Пол Дэвис (Paul Davies) совместно с коллегой Чарльзом Лайнвивером (Charles Lineweaver). Первая публикация на эту тему появилась еще в 2011 г. [1]. Дальнейшие исследования позволили авторам найти некоторые подтверждения своей необычной гипотезы. Сегодня она является последней из предложенных наукой теорий канцерогенеза, активно обсуждается и критикуется. Следует отметить, что исследовательские интересы П. Дэвиса и Ч. Лайнвивера преимущественно сосредоточены в области космологии, квантовой теории поля и астробиологии. Это междисциплинарное исследование стало результатом инициативы Национального института здравоохранения (NIH) по созданию физических научно-онкологических центров, призванных разрушить интеллектуальные барьеры между научными дисциплинами.
Новая теория бросает вызов представлению о том, что рак развивается в каждом организме de novo как результат серии случайных мутаций. Она опирается на факт, что канцерогенез фактически является организованным и систематизированным ответом на тот или иной фактор: хотя рак может быть спровоцирован разнообразными событиями, впоследствии он развивается более или менее предсказуемо.
Профессор П. Дэвис и его коллега предположили, что опухолевые клетки возникают не в результате мутаций, а вследствие перехода клетки в более примитивное состояние за счет восстановления активности «спящих» генов, некогда обеспечивавших жизнедеятельность одноклеточных организмов. Эукариотические клетки при переходе от колониального способа жизни к многоклеточным организмам сформировали так называемые гены клеточного сотрудничества, которые и обусловили развитие многоклеточных организмов миллионы лет назад; нарушения в работе этих генов могут провоцировать развитие рака. Согласно новой теории, рак по своей сути – атавистическое состояние клеток. Оно возникает при генетических или эпигенетических нарушениях, когда восстанавливается доминирование предшествующего слоя древних генов, некогда контролировавших свободно связанные колонии частично дифференцированных клеток, по многим параметрам напоминавших опухолевые. Генетическая программа, приводящая к развитию рака, также задействована на ранних стадиях эмбриогенеза – связь эмбриональных генов и развития опухолей сегодня доказана.
Сравнительный геномный и филогенетический анализ клеток простейших (Metazoa), заднежгутиковых (Opisthokonta) и многоклеточных эукариот должны помочь определить соответствующие гены и последовательность, в которой они развивались. В настоящее время проводятся исследования в этом направлении.
По мнению авторов, предложенная ими теория соответствует современному пониманию рака и объясняет тот парадоксальный факт, что клетки разных опухолей приобретают общие способности.
Таким образом, законы, по которым происходит развитие злокачественного новообразования, существенно отличаются от законов дарвиновской эволюции. Однако возникшие опухолевые клетки попадают под действие классических эволюционных законов. Многие ученые говорят о том, что природу опухолей следует рассматривать с позиций теории эволюции и с их учетом осуществлять поиск методов лечения.
Над этим вопросом работают эволюционные биологи из разных стран. Они указывают, что эволюция многоклеточных организмов, особенно обладающих большой продолжительностью жизни, диктовала необходимость приобретения механизмов подавления опухолевого роста, которые действуют на уровне отдельных клеток, тканей, органов и их систем. Развитие опухоли также проходит ускоренный эволюционный путь с приобретением мутаций, которые позволяют злокачественным клеткам адаптироваться и успешно развиваться от первоначальной крошечной опухоли до метастатического заболевания. На поздних стадиях развития опухоли накопление мутаций происходит лавинообразно – это явление получило название «геномный хаос».
Процессы мутации и естественного отбора являются неотъемлемой частью эволюции раковых клеток на каждом шагу многоступенчатого процесса канцерогенеза. Так опухоль приобретает адаптивные мутации, осуществляет отбор клонов, наиболее подходящих для выживания в конкретных условиях, например, во время химиотерапии. Ученые предполагают, что рассмотрение опухолей с эволюционной и экологической точек зрения позволит создавать более рациональные терапевтические подходы, которые управляют путями эволюции опухоли с пользой для пациента [2].
В 2014 г. профессор Томас Бош (Thomas Bosch) из Кильского университета им. Кристиана Альбрехта (Германия) опубликовал результаты исследований, проведенных под его руководством. Немецкие ученые изучали стволовые клетки и регулирование роста тканей у примитивных многоклеточных. Специалисты выявили у них онкогены, а также описали случаи развития злокачественных опухолей у гидр (Hydra) [3]. Гидры являются одними из древнейших многоклеточных организмов, которые возникли около 550 млн лет назад. Впервые злокачественные опухоли были обнаружены у столь примитивных существ. Ученые установили, что опухоли развиваются только у полипов женского рода и по своим свойствам больше всего напоминают карциному яичников у женщин. Стволовые клетки гидры, настроенные на половую дифференциацию, накапливаются в избытке и не ликвидируются с помощью апоптоза. Как известно, нарушение механизма апоптоза является одной из основных причин развития опухолей и при онкологических заболеваниях человека. Исследователи также подтвердили инвазивные свойства опухолевых клеток: при пересадке в здоровый организм полипа у последнего начинает развиваться опухоль. Открытие немецких ученых придает эмпирический вес теории происхождения рака, предложенной профессором П. Дэвисом.
Таким образом, в последние годы наблюдается существенная активизация междисциплинарных исследований в области изучения природы канцерогенеза и способов преодоления онкологических заболеваний. Онкологическая наука становится все более объемной, вовлекая в исследования специалистов из разных областей науки.
Источники:
1. P. Davies, C. Lineweaver. Cancer tumors as Metazoa 1.0: tapping genes of ancient ancestors// Physical Biology, V.8, 2011
2. M. Casas-Selves, J. DeGregori. How cancer shapes evolution, and how evolution shapes cancer// Evolution (NY), 2011.
3. T. Domazet-Loso, A. Klimovich, B. Anokhin, F. Anton-Erxleben, M. J. Hamm, C. Lange & T. Bosch. Naturally occurring tumours in the basal metazoan Hydra // Nature Communications, 2014.
Подготовила Катерина Котенко