Эволюционное древо рака

Аннотация:

Согласно результатам эволюционных исследований, генетические изменения, которые обусловливают метастазирование опухолей, происходят на самых ранних этапах их развития. Этот факт заставляет по-новому подойти к тактике лечения больных. Биологи уже давно пытаются «пересадить» эволюционное древо жизни на генетическую почву, чтобы разобраться в истории его ветвления. Это древо охватывает все живое на Земле, будь то обезьяны-игрунки или микробы. Один листик на его обширной кроне, соседствующий с теми, на которых «угнездились» обезьяны, занимает Homo sapiens. Каждый представитель нашего вида — это ансамбль огромного числа клеток, которые, кооперируясь, и создают тело человека. Обычно между клетками существует некое соглашение, выработанное путем проб и ошибок у первых форм многоклеточных организмов 600 с лишним миллионов лет назад. Это соглашение предписывает клеткам соблюдение базовых правил: они должны репарировать свою ДНК, если в ней возникли повреждения; прислушиваться к окружению в вопросах деления; оставаться в пределах той ткани, где им надлежит находиться. Чаше всего мутации, побуждающие клетки к нарушению этих договоренностей, например к делению и распространению без всяких ограничений (именно это приводит к онкологическим заболеваниям), нейтрализуются в процессе контролируемой гибели клеток. Мутантные клетки фиксируют генетические отклонения и запускают процесс апоптоза, либо их уничтожает иммунная система еще до того, как они успевают причинить организму какой-либо вред. Случается, однако, что мутации накапливаются и системы контроля не справляются с ними. Тогда и начинается процесс образования опухоли, а затем распространение аномальных клеток по всему телу. Биологам известно о нескольких мутациях, запускающих процесс онкогенеза — образование первичной опухоли. Но агрессивность рака определяется в основном способностью опухоли к метастазированию — созданию новых очагов малигнизации в отдельных органах и тканях. Полагая, что для запуска этого процесса необходимы новые мутации и что возникают они на относительно поздних стадиях роста опухоли, онкологи часто старались идентифицировать их и уничтожить клетки-носители с помощью противораковых препаратов. Однако в 2000-х гг.. когда с появлением новых технологий стало возможным секвенирование генома человека, в лабораториях разных стран начали определять нуклеотидные последовательности ДНК опухолевых клеток. К удивлению исследователей, обнаружилось, что даже у одного пациента разные опухолевые клетки часто содержат неодинаковый набор мутаций. Эволюционные биологи — и я в том числе — рассматривают разнообразие тех или иных признаков как источник ценной информации. Вместе с коллегами из Йельского университета мы решили исследовать, как эти мутации соотносятся между собой. Для этого мы секвенировали экспрессируемые участки генома — те сегменты ДНК, которые кодируют белки и тем самым задают свойства клеток, — онкологических больных, и на основе полученной информации построили эволюционное древо мутаций, связанных с конкретными формами рака. Ветвление этого древа иллюстрирует, какие гены опухолевых клеток изменяются в процессе роста опухоли — начиная с нескольких клеток и кончая метастазировавшим монстром. Переплетение ветвей: Наши исследования показали, что ветви, связывающие первичную опухоль с метастазами у данного пациента, имеют многочисленные ответвления, кажущиеся расположенными случайным образом. Что удивило нас еще больше — так это то, что самые первые ветви эволюционного древа рака исходят из глубины первичной опухоли. Отдельные ее клетки могут превращаться в более агрессивные разновидности — каждая со своим собственным генетическим механизмом распространения — за многие годы до обнаружения первичной опухоли. Эти факты ужасают, но и вселяют новую надежду. Теперь онкологи знают: вместо того чтобы тратить силы на устранение «поздних» мутаций, им следует сосредоточиться на исследовании генов, которые изменились на ранних стадиях развития первичной опухоли, — «семенах», из которых вырастает эволюционное древо рака. Прицельное терапевтическое воздействие на эти мутантные гены — шанс на излечение. Многие десятилетия в исследованиях онкогенеза применялась так называемая линейная модель, согласно которой к образованию опухоли ведет цепочка специфических мутаций. И только после того как некоторое число опухолевых клеток приобретут другие, дополнительные мутации, начнется метастазирование. Если бы кто-то задумал построить в рамках этой модели эволюционное древо мутаций, он получил бы нечто, напоминающее траву: высокие прямые стебли, растущие из одного корня, на самой верхушке которых находится «метелка» с семенами. Эта картина никак не соответствует тому, что известно эволюционным биологам об истории развития различных форм жизни. Мутации и естественный отбор приводили к непрерывной дивергенции организмов и появлению разнообразных в генетическом отношении линий вместо одной-единственной гомогенной популяции. А ранние работы Марко Герлингера (Marco Gerlinger) из Института исследования рака в Лондоне и других биологов указывали на то, что даже у клеток разных областей одной первичной опухоли нуклеотидные последовательности ДНК неодинаковы. В 2010 г. сотрудники моей лаборатории в Иельской школе общественного здравоохранения совместно с патологом Дэвидом Риммом (David Rimm), генетиком Ричардом Лифтоном (Richard Lifton) и фармакологом Джозефом Шлессингером (Joseph Schlessinger) — все они из Йельской медицинской школы — вознамерились ответить на три вопроса, вытекающие из этих наблюдений. Вопрос первый: станут ли одна специфическая мутация или большее их количество обязательной предпосылкой для метастазирования у всех пациентов? Вопрос второй: могут ли метастатические клеточные родословные дивергировать на относительно ранних этапах развития первичной опухоли, еще до накопления достаточно большого количества мутаций? Вопрос третий: если действительно в клетках первичной опухоли есть разнообразные мутации и зачатки метастазов, может ли эволюционное древо указать, когда они появились? Ответив на все эти вопросы, мы смогли бы получить генетические траектории, ведущие ко времени зарождения первичной опухоли и ее метастазов. Отравленный плод: Мы совершенно не представляли, насколько эффективными окажутся наши эволюционные инструменты. Римм взял образцы тканей первичной и вторичной опухолей, а также здоровых частей пораженных органов у 40 пациентов, умерших от рака 13 разных видов. Для каждого образца мы секвенировали все области генома, которые, как нам было известно, неизменно экспрессируются в любой ткани, и обнаружили, что от нескольких десятков до тысяч мутаций в клетках от нормальных до разного типа опухолевых неодинаковы. Чтобы разобраться, как взятые образцы соотносятся друг с другом, Чжао Цзымин (Zi-Ming Zhao), находившийся в то время на позиции постдока в моей лаборатории, построил молекулярные эволюционные деревья. Подобные конструкции используются для того, чтобы понять наши взаимосвязи с шимпанзе, гориллами и орангутанами; взаимосвязи обезьян и других млекопитающих; млекопитающих с птицами и другими животными; наконец, млекопитающих с грибами, растениями и бактериями. Для построения таких деревьев проводят сравнительный анализ того, как те или иные признаки (или нуклеотидные последовательности ДНК) дивергируют при переходе от одного вида к другому, и идентифицируют наиболее приемлемый путь, по которому каждая интересующая исследователя форма жизни приходит к определенному месту на ветвях дерева. Однако применение такого подхода для построения эволюционного древа рака затруднительно. В отличие от рассмотренного выше случая, когда исследователь имеет дело с нуклеотидными последовательностями ДНК видов, известных на сегодня, и на основе этой информации пытается выяснить что-то, касающееся их предков, мы располагаем данными о нуклеотидной последовательности «предка»: клетки здоровой ткани. В рамках традиционного подхода мы должны предположить, что эта нормальная последовательность есть некий «добавочный потомок», но тогда полученное дерево никаким образом не будет отражать интересующую нас эволюционную историю. Имея это в виду, мы видоизменили классическую модель, приняв, что генетическая последовательность клеток здоровой ткани — это предок первичной и метастазирующей родословных. При таком предположении мы получили дерево, скорее всего отражающее последовательность изменений в ходе развития патологического процесса. Такие «переориентированные» эволюционные деревья обнаруживают нечто непривычное для нас. В рамках линейной модели все метастазы происходят от одной клеточной родословной, которая отходит от первичной опухоли. В таком случае следует ожидать, что нуклеотидные последовательности ДНК клеток вторичных опухолей будут более сходны друг с другом, чем с таковой клеток любой области первичной опухоли. Но мы видим совсем другое. Еще в самом начале исследований, связанных с опухолевыми «деревьями», мы обнаружили, что у некоторых пациентов ткань первичной опухоли близка к тканям одних метастазов и совершенно непохожа на ткани других. Это означало, что не одна, а множество клеточных родословных в первичной опухоли становятся в какой-то момент метастатическими. Временные деревья: Для нас было полной неожиданностью, что линейная модель развития опухоли не работает. Все указывало на то, что самые первые генетические изменения, переводящие клетку в состояние неконтролируемой пролиферации, ответственны и за образование метастазов — в отличие от господствовавшего мнения, что виной тому редкие единичные мутации на поздних стадиях развития опухоли. Более того: в клеточных родословных, давших начало метастазам, мы не обнаружили общего ключевого гена, который отвечал бы за их способность к метастазированию, — в отличие от ситуации с образованием первичной опухоли (так, почти у всех пациентов с раком поджелудочной железы присутствовал мутантный ген KRAS). Мутации в ответвлениях, ведущих к вторичным опухолям, не отличались от таковых в клетках, никогда не покидавших первичную опухоль. И тогда мы подумали, что скорее всего виновниками агрессивного поведения опухоли становятся эпигенетические факторы или детали микроокружения отдельных клеток. Эпигенетические модификации в ансамбле клеток первичной опухоли, связанные, например, с воздействием какого-нибудь канцерогена, могут повышать предрасположенность клеток к миграции. Другой важный фактор — локализация той или иной опухолевой клетки. Так, некоторые из них могут находиться вблизи кровеносных или лимфатических сосудов и легче попадать в них, чем клетки с такими же мутациями, но расположенные в других областях. Эти факторы, потенциально способные влиять на процесс метастазирования, могут не иметь никакого отношения к возникающим позже мутациям, что и отражено в наших эволюционных деревьях. Следующий вопрос, неизбежно возникающий после всего сказанного, — насколько рано эти потенциально метастатические клеточные родословные дивергируют. Наши молекулярные эволюционные деревья ничего об этом не говорят: длина ответвлений соответствует не реальному времени, а числу мутаций, по которому различаются, например, первичная опухоль и метастазы. Из этого ничего нельзя сказать о времени, спустя которое первичная опухоль даст начало вторичной. Мы подумали: нельзя ли использовать другой подход эволюционной биологии — построение временных деревьев? В отличие от деревьев молекулярных длина ветвей у них отражает время, по прошествии которого один вид возник от другого. Такие деревья получают, сравнивая те или иные признаки (например, нуклеотидные последовательности) и соотнося их с имеющимися временными данными (в нашем примере — с частотой мутаций). Это позволяет оценить, когда в эволюционном процессе произошли ключевые изменения. Аналогичный подход применяется в палеонтологии; в качестве примера можно привести оценку времени кембрийского взрыва, когда примерно 550 млн лет назад произошло резкое увеличение многообразия многоклеточных организмов. Разумеется, мы не располагаем никакими ископаемыми останками, которые помогли бы нам откалибровать эволюцию рака у того или иного человека. Однако у нас есть кое-что получше: во многих случаях это удаленная первичная опухоль, а также амбулаторная карта больного — дата рождения, время постановки диагноза, результаты биопсии, время хирургического вмешательства и, наконец, аутопсия. Все эти данные служат для нас реперными точками. Рак не мог возникнуть до рождения и скорее всего уже имел место, когда была выявлена первичная опухоль. А результаты анализа биоптатов и тканей удаленной опухоли служат своего рода моментальными снимками развития рака. Эти данные позволяют оценить частоту мутаций. У нас есть также опубликованные результаты радиологических исследований по определению частоты деления клеток первичной опухоли. (Радиологи собирали эту информацию для того, чтобы оценить дозу облучения, необходимую для разрушения опухоли при лучевой терапии.) Атила Ямарино (Atila Iamarino), мой бывший аспирант, использовал всю эту информацию для преобразования молекулярных эволюционных деревьев во временные. В результате мы получили некоторое представление о связи эволюции рака на протяжении жизни пациента с тем, как долго он лечился. Так, мы смогли оценить, когда в результате первой мутации началось обособление раковых клеток от здоровой ткани. У молодых это обычно случалось за несколько лет до того, как им был поставлен диагноз, а у пожилых — за несколько десятилетий. Глубокие корни: Ко времени этого рокового поворота у девяти из десяти обследуемых нами индивидов от «ствола» эволюционного древа отделилась по крайней мере одна метастатическая ветвь. В семи случаях это произошло ближе ко времени и моменту зарождения первичной опухоли, чем ко времени смерти пациента. Это были поразительные по своей значимости наблюдения. Клетки — родоначальницы метастазов могли генетически обособиться от других клеток первичной опухоли на ранних этапах развития патологического процесса; настолько ранних, что о существовании опухоли никто не подозревал. У нас была надежда, что, идентифицировав «метастатические» мутации, мы сможем направить всю мощь противораковой химиотерапии на клетки-носители. Но поскольку о генетике метастатический ветвей мало что было известно, нам пришлось вернуться к исследованию эволюции первичной опухоли. Мы задались вопросом: участвует ли ствол эволюционного древа в канцерогенезе? Чтобы ответить на него, мы исследовали, происходят ли мутации в тех генах клеток ствола, которые, как известно, имеют отношение к раку. Ответ был: да. Например, у многих пациентов с самыми разными формами рака на ранних этапах его развития ген р53, отвечающий за подавление пролиферации клеток, содержал мутацию. Аналогичная ситуация наблюдалась с протоонкогеном KRAS. (Протоонкоген — это ген, который в результате мутации становится онкогеном, побуждающим клетки к неконтролируемому делению.) Мы обнаружили, например, что почти у всех больных с раком поджелудочной железы ген KRAS содержит мутации в 12 сайтах и все они возникли на ранних этапах патологического процесса. Высокая частота встречаемости таких ключевых генов в самом начале клеточных родословных рака означает, что они играют основополагающую роль как в зарождении опухолей, так и в их способности к метастазированию. Мы полагаем, что по мере накопления генетических драйверов онкогенеза вероятность метастазирования становится немного больше, чем это следует из теории игр: чем больше становится раковых клеток, тем выше вероятность, что в процесс вмешается эпигенетика и клетки начнут мигрировать по всему телу. Для того чтобы выяснить, как именно эти ключевые гены влияют на вероятность возникновения опухоли и на последующее метастазирование, нужны дополнительные исследования. Но уже сейчас ясно, что на эти ранние драйверы нужно обратить особое внимание. Целевое химиотерапевтическое воздействие на них может стать ключом к успеху в борьбе с раком — как на ранних, так и на поздних стадиях. Резистентность: Проведенные недавно клинические испытания продемонстрировали, что можно подключить к этой борьбе иммунную систему больного. Однако следует учитывать, что к химио- и иммунотерапии вырабатывается резистентность. Проистекает ли она из появления специфических мутаций, как это имеет место при возникновении первичной опухоли? Или все дело в микроокружении и каких-то других факторах, как это происходит при метастазировании? Этого мы не знаем. Наши исследования с применением временных деревьев показали, что некоторые менее известные, чем р53, гены тоже имеют отношение к онкогенезу, но мутации в них обычно возникают на более поздних стадиях. Другими словами, они появляются в клетках не ствола, а ветвей эволюционного дерева рака — так что мутантные клетки обычно наличествуют в одних опухолях больного и отсутствуют в других. Как следствие — терапия, направленная на нейтрализацию таких мутаций, будет уничтожать одну ветвь древа, не затрагивая других, и эти последние будут по-прежнему расти и представлять угрозу для жизни больного. Лечащие врачи должны узнать об этом и строить тактику лечения соответствующим образом. С другой стороны, если какой-то препарат воздействует целевым образом на клетки с рано возникшей мутацией, которая есть во всех опухолевых тканях, может возникнуть резистентность к терапии, связанная с делением клеток с новыми специфическими мутациями. Патолог Катерина Полити (Katerina Politi) с коллегами из Йельской медицинской школы идентифицировали изменения в гене EGFR— еще одном драйвере рака (в частности, рака легких), несомненно играющем важную роль в развитии резистентности. В стремлении выяснить, почему и как возникает резистентность, мы прибегли к эволюционным подходам, построив для этого эволюционные деревья своих пациентов и проведя их сканирование для выявления мутаций в ответвлениях, которые ведут к резистентной ткани, например к возобновившей рост опухоли. Поразительно, но предварительные результаты наводили на мысль, что резистентность действительно может возникать в результате терапии. С каждым годом спектр противораковых препаратов, нацеленных на специфические мутации, расширяется и все большему числу пациентов назначают комплексное лечение с применением лучевой и иммунотерапии. Онкологи больше не считают конкретный тип рака гомогенным: каждый случай индивидуален. В будущем исследование геномного статуса пациента станет неотъемлемой частью тактики борьбы с раком. Используя этот и другие новые инструменты, онкологи превратятся, по сути, в эволюционных биологов, вырабатывая стратегию разрушения эволюционного древа рака — его корней, ствола и ветвей.

Авторы:

Издание: В мире науки
Год издания: 2018
Объем: 9с.
Дополнительная информация: 2018.-N 7.-С.42-50. Библ. 3 назв.
Просмотров: 35