В ситуации с клетками в нашем организме мутации, позволяющие им быстро делиться и чаще выживать, будут все чаще встречаться в популяции за счет естественного отбора, создавая тем самым благодатную почву для рака. Естественный отбор – это процесс изменения характеристик популяции с течением времени в результате разного уровня размножения и выживания отдельных индивидов внутри популяции, обладающих разными чертами. Вместе с тем эволюция также может происходить и в результате случайных факторов, влияющих на успех клеток. Генетический дрейф происходит в небольших популяциях – организмов, клеток или любых живых существ, – когда случайные события приводят к тому, что некоторые индивиды чаще выживают и оставляют больше потомства. Оба этих процесса – естественный отбор и генетический дрейф – играют свою роль в развитии рака внутри нас. В рамках данной книги я сосредоточилась на естественном отборе, потому что именно он помогает понять один из главных эволюционных парадоксов рака: как эволюция может привести раковые клетки к разрушению организма, который необходим им для выживания.
Как раковые клетки эволюционируют внутри нас
Мы привыкли считать эволюцию невероятно медленным процессом: на протяжении тысяч лет появляются случайные вариации, которые порой оказываются благоприятными для обладающих ими организмов, в результате чего популяция индивидов постепенно меняется, подстраиваясь под условия окружающей среды. Поскольку мы воспринимаем эволюцию как что-то очень медленное, может быть непросто понять, как этому процессу могут быть подвержены клетки нашего тела. Как эволюция может привести к появлению и господству раковых клеток за время всего одной человеческой жизни? Ответ прост: внутри человеческого организма эволюция протекает гораздо быстрее. Время генерации раковой клетки (от ее появления до первого деления) невероятно мало – зачастую порядка одного дня, – а размер популяции измеряется миллиардами, в результате чего скорость эволюции сильно возрастает.
НА САМОМ ДЕЛЕ ЗА ВРЕМЯ ОДНОЙ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ЖИЗНИ УСПЕВАЕТ СМЕНИТЬСЯ БОЛЬШЕ ПОКОЛЕНИЙ КЛЕТОК, ЧЕМ ЛЮДЕЙ ЗА ВСЮ ИСТОРИЮ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.
Но что же происходит с эволюцией рака, когда мы погибаем? Можем ли мы действительно называть происходящее внутри нашего тела эволюцией, если раковые клетки в итоге убивают организм, в котором живут? Можно ли говорить о том, что вид эволюционировал, если он в конечном счете вымер? Разумеется, можно: никто не станет утверждать, что динозавры не эволюционировали из-за того, что они в итоге вымерли, или то, что вид, ставший тупиковой ветвью развития, не является частью этого процесса.
Подобно тому как целые виды вымирают в ходе эволюции, популяции раковых клеток эволюционируют, пока это не заведет их в тупик. На самом деле такая тупиковая эволюция раковых клеток является примером более общего явления, именуемого в эволюционной биологии эволюционным самоубийством. При этом у популяции организмов появляются черты, которые в конечном счете обрекают на вымирание всего вида: например, они могут начать настолько эффективно потреблять ресурсы, что ничего не оставят для будущих поколений, либо обзавестись чрезмерно яркими украшениями для привлечения особей противоположного пола, из-за которых вся популяция окажется катастрофически уязвимой перед хищниками. К тому же раковые клетки не всегда оказываются тупиковой ветвью клеточной эволюции. Как вы убедитесь, иногда они могут передаваться другим индивидам и распространяться в популяции. Заразный рак был обнаружен у ряда видов, включая домашних собак, тасманских дьяволов и нескольких моллюсков. У всех них раковые клетки могут покинуть организм-носитель, попасть в новый и вырасти в нем. Благодаря этому они могут пережить своего первоначального носителя, и их эволюция перестает быть ограничена продолжительностью его жизни. Между тем подобная заразность раковых клеток не является необходимым условием для эволюции: подавляющее большинство умирает внутри организма-носителя, и пока этот день не наступит, рак будет подвержен естественному отбору и генетическому дрейфу, подобно любой другой эволюционирующей популяции.
ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ РАКОВЫХ КЛЕТОК ПОСРЕДСТВОМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА НЕОБХОДИМО СОБЛЮДЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ УСЛОВИЙ: РАЗНООБРАЗИЕ, НАСЛЕДУЕМОСТЬ И РАЗЛИЧНАЯ СТЕПЕНЬ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ.
Другими словами, клетки должны отличаться по своим характеристикам, которые, в свою очередь, должны наследоваться при их делении и оказывать влияние на приспособленность клеток к условиям среды обитания (то есть на их выживание и размножение). Удовлетворяют ли раковые клетки этим условиям? Определенно да. Раковые клетки представляют собой разнообразную популяцию с наследуемыми признаками, которые влияют на их адаптируемость. Давайте подробнее рассмотрим каждое из этих условий естественного отбора, а также то, как им отвечают раковые клетки.
Разнообразие: человек начинает свой жизненный путь с одной-единственной клетки. Многих из нас учили, что при делении этой клетки ее ДНК копируется, в результате чего получаются триллионы генетически идентичных клеток, из которых состоят наши организмы. На самом деле это не совсем так. Наши тела состоят из почти идентичных клеток, в каждой из которых содержится ДНК, регулирующая нормальное клеточное поведение. Проблема в том, что с каждым делением клетки эту ДНК необходимо копировать, а процесс копирования несовершенен. С каждым повторением цикла существует вероятность ошибки, а также вероятность того, что эта ошибка не будет обнаружена и исправлена в процессе генетической «корректуры». Из-за генетических мутаций клетки в нашем организме не являются идентичными.
Насколько сильно эти клетки отличаются друг от друга? Различий больше, чем вы могли бы себе представить. Большинство клеток в нашем организме несут в себе уникальные мутации, появившиеся в результате ошибок при копировании ДНК или других причин, таких как повреждение от солнечного излучения или воздействие химических веществ. Помимо этого генетического разнообразия, имеют место и эпигенетические вариации, когда отличаются не сами гены, а их экспрессия в клетках. В каждой клетке часть ДНК «свернута», благодаря чему ее можно считывать и производить в соответствии с приведенной в ней инструкцией белков, в то время как остальная ДНК «связана» и не производит белков. Эти эпигенетические различия сказываются на вариациях в поведении клеток, например на том, будут ли они двигаться, потреблять ресурсы или обмениваться сигналами с соседями. Генетические и эпигенетические различия служат топливом для соматической эволюции[4].
Наследуемость: под наследуемостью подразумевается корреляция между чертами родителей и потомства. При отсутствии наследуемости невозможна передача потомству каких-либо качеств, которые помогли биологическим родителям выжить и размножиться. Наследуемы ли генетические и эпигенетические различия между клетками? Конечно, да. С каждым делением клетки мутации в ее ДНК копируются и передаются потомкам. Различия в экспрессии ДНК также могут быть унаследованы, поскольку эпигенетические изменения в ДНК тоже копируются в процессе деления клетки. Таким образом, мы можем представить свой организм как огромное генеалогическое древо клеток, и его ствол соответствует самой первой клетке, из которой развился весь организм, – оплодотворенной яйцеклетке. А каждая ветвь олицетворяет клеточное деление, в ходе которого были унаследованы характеристики клетки (см. рисунок 2.1). Мутации могут передаваться по этому клеточному генеалогическому древу точно так же, как они передаются от родителей своим детям.