Kitobni o'qish: «Кривое зеркало жизни»

Name: Кривое зеркало жизни
Author: Мария Кондратова
ISBN: 978-5-0013-9133-3

Мария Кондратова

Shrift:

Научный редактор Дмитрий Купраш, д-р биол. наук

Редактор Наталья Нарциссова

Иллюстрации Олега Добровольского

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Руководитель проекта А. Шувалова

Корректоры И. Астапкина, С. Чупахина

Компьютерная верстка М. Поташкин

Оформление обложки и макет А. Бондаренко

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Предисловие
Почему ученые боятся рака и любят рак

“Когда мне хочется прочесть книгу, я ее пишу”, – под этим по-британски отточенным афоризмом Бенджамина Дизраэли охотно подпишется большинство литераторов, в том числе и я. Писатели рождаются из читателей. Научно-популярная литература – не исключение.

Мне давно хотелось прочитать (а стало быть – написать) занимательную книгу о последних открытиях в биологии для широкого круга читателей, но останавливала очевидная необъятность задачи. С чего начать? На чем остановиться? Как связать разнообразные и разнонаправленные факты в единый рассказ и, наконец, как убедить читателя-небиолога продраться к самому интересному сквозь неизбежные трудности, возникающие у любого неспециалиста при знакомстве со сложным понятийным аппаратом современной науки? У меня не было ответов на все эти вопросы, и написание книги откладывалось снова и снова.

Ответ, как водится, подсказала сама жизнь. В 2014 году мне предложили работу в Институте Кюри – одном из крупнейших мировых научных центров, занимающихся исследованиями в области молекулярной онкологии. До этого я никогда особенно не интересовалась раком и знала о механизмах возникновения злокачественных новообразований лишь самые базовые вещи из курса медицинской биохимии без малого 20-летней давности. Тем интереснее было открывать для себя новую область знаний. Чем глубже я погружалась в предмет, тем отчетливее становилось ощущение, что рак не просто болезнь и даже не группа заболеваний, но явление, по сложности сопоставимое с самой жизнью. Его и изучают, как живую материю, – на самых различных уровнях: от молекулярного до популяционного (эпидемиология) и даже культурологического. (Современная писательница Сьюзен Сонтаг, умершая от лейкемии, посвятила раку множество ярких и беспощадных страниц в своем философском эссе “Болезнь как метафора”¹.) Влияние онкологических заболеваний на нашу жизнь выходит далеко за рамки собственно медицины, делая рак не только биологическим, но и культурным, социальным и даже политическим феноменом. Ощущение, что злокачественная трансформация клеток – это больше чем просто болезнь, – превратилось в уверенность, когда я узнала, что рак (как и жизнь!) – явление без определения.

Наука начинается с дефиниций: “Остров – часть суши, окруженная водой”, “Византия – государство, образовавшееся после разделения и распада Римской империи”, “Пушкин – великий русский поэт”. Предмет биологии – науки о живом – строгого определения не имеет. Не стоит думать, что ученые и философы не пробовали ответить на вопрос “что такое жизнь?”. Пробовали – и неоднократно, но каждая такая попытка оставляла ощущение недосказанности и неполноты. Как будто одним из неотъемлемых свойств живого является его несводимость к кратким и однозначным понятиям. Недаром ведь говорят, что если физика и химия – “науки правил”, то биология – это, скорее, “наука об исключениях”. В конце концов, чтобы не тратить время в бесконечных спорах, биологи решили довольствоваться нестрогими “признаками живого”, которые по сути своей являются не столько догматом, сколько ориентиром, очень приблизительной границей, очерчивающей “территорию живого” в материальном мире.

Списки этих признаков также разнятся от учебника к учебнику, но в целом большинство авторов согласны, что живая материя способна поддерживать постоянство своего состава и внутренней среды (гомеостаз), обменивается веществом и энергией с окружающей средой (метаболизм) и обладает сложной структурой. Живые объекты способны к росту и размножению. Они реагируют на изменения, происходящие в окружающей среде, и способны адаптироваться к внешним условиям. И наконец (этот признак живого я добавляю уже от себя лично), жизнь как явление, единожды возникнув, способна существовать и развиваться, по-видимому, практически бесконечно, однако “бессмертие” живой материи в целом достигается за счет смертности отдельных ее единиц – клеток, организмов, видов и целых групп живых существ вроде исчезнувших динозавров.

Самое поразительное, что большинство этих признаков можно обнаружить на любом уровне существования живой материи: от клеточного до планетарного (биосферного). Элементарная единица жизни – клетка – обладает сложной внутренней структурой, и функции ее органелл более-менее повторяют функции настоящих органов большого многоклеточного организма. Экосистема способна к поддержанию гомеостаза. После пожара лес восстанавливается, “залечивая раны”, так же как со временем восстанавливается функция поврежденного органа. На изменения в окружающей среде реагируют не только отдельные особи, но целые группы животных и растений. Эволюция цветковых растений впечатляет не меньше эволюции динозавров.

Все эти фундаментальные признаки живого – способность к росту и размножению, чувствительность к сигналам внешней среды, клеточную структуру – мы находим и в раке, но в сильно искаженном, извращенном виде. Клеточное деление, необходимое условие существования многоклеточного организма, становится причиной болезни и смерти. Способность тела залечивать раны превращается в источник опухолевого роста. Сотрудничество клеток организма оборачивается неспособностью иммунной системы противостоять вторжению. Как пишет об этом свойстве недуга американский врач и писатель Сиддхартха Мукерджи в книге “Царь всех болезней. Биография рака”²: “Противостояние раку равносильно борьбе с параллельным видом, причем видом более приспособленным к выживанию, чем мы сами”.

Ученые и врачи много лет пытались подобрать лаконичную формулировку для выражения сути этой болезни, но так и не смогли ничего сделать. В конце концов два выдающихся онколога, Дуглас Ханахан и Роберт Вайнберг, предложили коллегам пойти по пути общей биологии и, не вводя определений, ограничиться перечислением “ключевых признаков рака”. Первоначально их было шесть, потом десять, а к тому времени, когда книга будет завершена и опубликована, число может измениться еще раз, но суть в принципе, а не в числе. Для каждого из этих признаков нашлось место в книге.

Согласно концепции Ханахана и Вайнберга, злокачественным опухолям присущи следующие черты:

■ поддержание клеточного деления (глава 3);

■ уклонение от механизмов, ограничивающих рост (глава 3);

■ избегание иммунного контроля (глава 7);

■ клеточное бессмертие (глава 4);

■ хроническое воспаление (глава 6);

■ инвазия и метастазирование (глава 6);

■ усиленный рост сосудов (глава 6);

■ геномная нестабильность (глава 2);

■ нарушение процессов апоптоза (регулируемой клеточной смерти) (глава 4);

■ нарушения энергетического обмена (глава 5).

Возможно, некоторые пункты (и даже большинство) из этого списка на первый взгляд кажутся невнятной научной абракадаброй, но дальше мы разберемся с каждым из них.

Почему же рак привлекает такое внимание исследователей, причем не только медиков, но и биологов, занимающихся не прикладной, а самой что ни на есть фундаментальной наукой? Наблюдая за искажениями, присущими злокачественным клеткам, ученые могут лучше понять молекулярные механизмы нормальных, здоровых проявлений живого.

В одной из ранних повестей братьев Аркадия и Бориса Стругацких “Полдень, XXII век” описывается шуточный эксперимент, который провели ученые-программисты, работавшие с мощным суперкомпьютером, способным создавать материальные модели исследуемых объектов. Вместо описания нормального барана озорники подсунули электронно-вычислительной машине образ пятиногого животного, лишенного мозжечка, и бедный компьютер начал клепать невероятных монстров, пытаясь разрешить нерешаемую задачу. Когда причина аномалии была установлена, программистов сначала хотели побить. Однако потом коллеги осознали, что благодаря подобному хулиганству их научная группа получила доступ к богатейшей коллекции данных по машинным ошибкам, и обрадовались новому материалу для исследований и анализа.

Раковые клетки, если взглянуть на них с живым научным любопытством и без суеверного ужаса, – это, по сути своей, такие же пятиногие уродцы, жертвы многочисленных ошибок – генетических, сигнальных, метаболических. Однако, вглядываясь в это “кривое зеркало”, мы лучше понимаем жизнь, какой она должна быть. Именно благодаря экспериментам на раковых клетках и было совершено подавляющее большинство открытий, о которых я хотела бы рассказать читателю! Словосочетание “Нобелевская премия” встретится в книге не меньше десятка раз не оттого, что я пристально слежу за историей этой престижной научной награды, а лишь потому, что значительная часть фундаментальных открытий в биологии и медицине за последние 100 лет прямо или косвенно связана с онкологической тематикой. Последняя, на момент написания этой книги, Нобелевская премия по биологии и медицине 2018 года была вручена за новые методы иммунотерапии рака на основе “контрольных точек” иммунного ответа. Я как раз заканчивала править соответствующую главу. Бывают странные сближенья…

В конце концов я не стала писать еще один популярный учебник молекулярной биологии “в общем”, а написала книгу о раке. Но не о болезни и смерти, а о жизни – ее сложности, совершенстве и хрупкости. Я ученый, а не врач, и мне грешно для подогрева читательского интереса спекулировать на описании людских страданий, поэтому трагических “клинических” примеров в книге будет совсем мало, зато их место займет подробный (и, надеюсь, достаточно оптимистичный) рассказ об успехах молекулярной биологии.

Как известно, фундаментальная наука есть “удовлетворение личного любопытства за государственный счет”. Но деньги, взятые у государства, берутся у всего общества. Честный исследователь должен быть готов рассказать людям, почему те или иные средства должны быть израсходованы на развитие науки, а не на строительство нового стадиона, дороги, социального жилья. Связь “хорошей науки” и “хорошей жизни”, что бы там ни говорили сами ученые, отнюдь не очевидна для обывателя. Молекулярная онкология является редким и действительно впечатляющим примером того, как фундаментальное научное знание о структуре генома и системах клеточной регуляции претворяется в лекарства и методы диагностики, спасающие тысячи жизней.

Мало какая болезнь, мало какое состояние человеческого организма (кроме разве что беременности) мифологизировано в нашем обществе так, как рак. Но, начиная книгу, посвященную разбору наиболее популярных заблуждений в данной области, мне меньше всего хотелось бы вставать в позу “пророка от науки”, свысока высмеивающего и разоблачающего чужое невежество. Мифы возникают не на пустом месте, они сигнализируют о том, что общество – широкий круг “неспециалистов” – считает тот или иной вопрос, ту или иную тему волнующей и важной для себя, но не имеет доступа к качественной научной информации и заполняет пробелы в знаниях чем придется. Как мы увидим дальше, в основе многих распространенных мифов об онкологических заболеваниях лежат отголоски действительных научных теорий, донельзя искаженных и примитивизированных при пересказе. Задача этой книги – попытаться отделить зерна от плевел и дать массовому читателю пусть несколько упрощенное, но адекватное и, главное, научное представление о природе раковых заболеваний и современных методах их диагностики и лечения. А мифам – место в мифологии, не в медицине.

Глава 1
Мифы истерические и исторические

Мифы вокруг онкологических заболеваний можно условно разделить на две группы: “оптимистические” – предлагающие простое и универсальное объяснение причин болезни и обещающие стопроцентное исцеление, и “пессимистические”, способные превратить естественный страх перед недугом в состояние безнадежного отчаяния. Трудно сказать, какие из них вреднее. Истории “оптимистов”, занявшихся самолечением и запустивших болезнь, – на слуху, а тихие жертвы мифов второго рода привлекают куда меньше внимания. Но любой человек, раз за разом откладывающий поход к врачу (при наличии очевидных и вызывающих беспокойство симптомов), как правило, находится под влиянием токсичной идеи: “Рак – это смертельный приговор, лечи не лечи – результат один”. Количество жертв подобной “выученной беспомощности” с трудом поддается учету, но оно велико.

Другой популярный миф “онкопессимистов” можно назвать “историческим”: “Раньше этого вашего рака вовсе не было, а вот сейчас – экология, стресс, неправильный образ жизни…” Так на новый лад в наше время перепевается древняя легенда о “золотом веке” – времени всеобщего здоровья, гармонии и благоденствия, на смену которому пришел безжалостный “железный век” современной цивилизации. Этот миф навязывает чувство всеобщей обреченности еще здоровым людям и препятствует популяризации методов ранней диагностики и профилактики онкологических заболеваний. Много ли смысла озадачиваться приемом витаминов и регулярными походами к врачу, если все мы заведомо обречены?

Правда ли, что раньше люди реже болели раком? Есть ли какой-то прогресс в лечении онкологических заболеваний, или этот диагноз и в наши дни остается таким же смертным приговором, как 100 или 50 лет назад? Повышает ли пережитый психологический стресс шансы заболеть? Прежде чем углубиться в клеточные и молекулярные механизмы злокачественного перерождения, мы должны получить ответы на эти животрепещущие вопросы.

История вопроса

Историческая хроника рака на одном из лучших англоязычных ресурсов, посвященных этому заболеванию, открывается сообщением: “70–80 млн лет назад – раковые клетки в костях динозавра”. Собственно, одной этой фразы достаточно для того, чтобы начать и закончить дискуссию на тему “А вот раньше-то никакого рака не было”. Как мы видим, даже динозавры – и те не убереглись. Что же касается наших человекообразных предков, то их старейшие окаменелости со следами раковых повреждений датируются 4,2–3,9 млн лет до н. э. и принадлежат человеку прямоходящему (Homo erectus).

К сказанному следует добавить, что среди млекопитающих от злокачественных заболеваний страдают не только люди. Раковые опухоли часто встречаются у “лучших друзей человека” – собак и кошек. Многие научные данные, приведенные в этой книге, были получены с использованием лабораторных животных – крыс и мышей, у которых развиваются новообразования, во многом совершенно аналогичные человеческим. Именно сходство человека с другими млекопитающими в этом вопросе делает возможным использование животных для разработки и первичного (доклинического) тестирования новых антираковых препаратов.

Упоминания об опухолях, похожих на злокачественные, и методах их лечения встречаются в медицинских трактатах всех древних цивилизаций: Египта и Вавилона, Индии и Китая. В античной Греции рак изучал Гиппократ, а в древнем Риме – великие врачи Гален и Цельс. “Отец медицины” Гиппократ полагал, что тело человека содержит четыре гумора, или жидкости, – кровь, слизь, желтую и черную желчь, дисбаланс которых и приводит к возникновению различных заболеваний. Причиной рака, согласно этой теории, являлось скопление черной желчи. По наблюдениям античных врачей, “сок меланхолии” был особенно склонен накапливаться в рыхлых участках тела, таких как “женская утроба” (матка) и грудь. Судя по подобным обобщениям, рак груди и рак матки были достаточно распространенными заболеваниями уже в те далекие времена.

В древности наружные онкологические опухоли лечили прижиганиями и мазями, а внутренние не лечили вовсе. При тогдашнем уровне развития хирургии это было в высшей степени человеколюбивое и разумное решение. Опухоль, конечно, убивала больного, но делала это относительно медленно, в то время как хирургическое вмешательство в отсутствие антисептиков и обезболивания почти наверняка гарантировало быструю и болезненную смерть.

В XVII веке в Европе распространилось представление о раке как о паразите, пожирающем тело больного, что привело к появлению нового необычного метода терапии – к опухоли стали прикладывать куски сырого мяса. Считалось, что это дает передышку пациенту, так как паразит временно прекращает грызть его тело и переключается на предложенную подачку. Некоторое время рак по аналогии с чумой и проказой считали заразным заболеванием и онкологических больных пытались изолировать от общества, но, к счастью, это заблуждение просуществовало недолго.

В XIX веке в трудах Иоганна Петера Мюллера и других выдающихся цитологов рак впервые был описан как клеточная патология. Было показано, что метастазы, дающие начало новым опухолям, появляются в результате распространения злокачественных клеток в организме. Примерно в это же время появилась общая анестезия и начала стремительно развиваться медицинская хирургия. Вплоть до начала ХХ века хирургическое вмешательство оставалось единственным способом лечения онкологических заболеваний. Однако, к сожалению, удаление первичной опухоли не гарантировало исцеление пациента. Болезнь возвращалась снова и снова. Хирурги пробовали все более “радикальные” методы борьбы с болезнью. В конце XIX века, вырезая опухоль груди, врачи удаляли не только ближайшие к ней лимфатические узлы, но и большие куски грудных мышц, чтобы предотвратить возвращение рака. Подобная операция гарантировала пациентке инвалидность, но, к сожалению, не гарантировала исцеления. У “радикально” прооперированных женщин рецидивы опухоли возникали почти так же часто, как у тех, кого подвергли менее разрушительным операциям. А ведь существовало еще много неоперабельных опухолей, а также злокачественных заболеваний крови (лейкозов), к которым хирургические методы были в принципе неприменимы. В начале ХХ века стало совершенно ясно, что наши возможности справиться с раком только хирургическими методами ограничены самой природой заболевания. Исследователи стали искать способы сдержать размножение раковых клеток. Так, в арсенале онкологов появились радиотерапия и химиотерапия. К этому же периоду относятся первые попытки заставить ополчиться против рака собственные защитные силы организма (токсины Коли). Подробнее об этом будет рассказано в главе 7.

Второй прорыв в диагностике и лечении злокачественных заболеваний произошел в конце ХХ века, когда наука сделала следующий шаг вглубь живой материи: от клеточной биологии к молекулярной. Об этой “молекулярной революции” в онкологии будет подробно рассказано дальше.

Об окончательной победе над раком говорить еще рано, но с 1970-х годов до наших дней выживаемость пациентов с онкологическим диагнозом выросла в среднем в два раза и для некоторых онкологических заболеваний составляет 80–95 %. К сожалению, не все опухоли поддаются терапии одинаково хорошо. Лечение опухолей головного мозга, поджелудочной железы, печени и легких остается проблематичным и в наши дни. Ключевым фактором, определяющим шансы пациента на излечение (при любой форме заболевания), является ранняя диагностика. На начальной стадии большинство злокачественных опухолей поддаются полному и окончательному излечению, но вероятность выздоровления резко падает по мере роста и распространения новообразования.

ФАКТ: русское название болезни – “рак” – является “вольным переводом” с греческого и латыни. Термин “карцинома”, предложенный древнегреческим врачом Гиппократом, буквально означал “опухоль, похожая на краба”, потому что внешне, из-за наличия выростов, направленных в разные стороны, она напомнила ученому именно это животное. На латынь этот термин был переведен римским ученым Цельсом как cancer (краб) и в этом виде прижился в международном научном языке. В России ближайшим аналогом “краба” естественным образом оказался “рак”.

Рака становится больше?

“Пусть рак существовал всегда, но никогда прежде люди не болели им так часто!” В этом эмоциональном утверждении, в отличие от мифа “раньше рака вовсе не было”, содержится немалая доля истины. Трудно судить о распространенности злокачественных заболеваний в доисторические времена. В древних захоронениях ученым обычно доступны лишь кости, а далеко не все опухоли (даже послужившие причиной смерти) оставляют следы в виде метастазов в твердых тканях. И даже данные об относительно близком нам XIX веке приходится анализировать с осторожностью. Большая часть населения тогда не имела доступа к медицинской помощи, средства диагностики были крайне несовершенны, а медицинская статистика собиралась нерегулярно.

Но возьмем последние, ближайшие к нам десятилетия. Статистика, собранная ВОЗ, подтверждает рост числа онкологических заболеваний. В 2008 году в мире от рака умерли 7,6 млн человек, в 2015 году – уже 8,8 млн а к 2030 году, если тенденция сохранится, смертность от этого заболевания может достичь 13 млн человек в год. Рост заболеваемости сомнений не вызывает, но так ли это плохо?

Сама постановка вопроса кажется кощунственной. Что может быть хуже рака?! Но погодите негодовать. Хотя заболеть раком может любой человек, однако медицинская статистика убедительно показывает, что в первую очередь это болезнь пожилого возраста. (Впрочем, среди онкологических заболеваний существует и небольшая группа так называемых педиатрических раков, которым подвержены дети до пяти лет.) Люди молодого и среднего возраста болеют раком гораздо реже.

В традиционном обществе с очень высокой детской смертностью и ранним уходом из жизни стариков онкологические заболевания действительно не были проблемой. Сейчас примерно две трети больных в США составляют пациенты старше 65 лет, среди них же наблюдается самая высокая смертность от онкологических заболеваний. Сто лет назад не так много людей попросту доживали до этого возраста. В современном мире отчетливо прослеживается тенденция – более высокие показатели смертности от рака наблюдаются в развитых странах, а не в развивающихся. Значит ли это, что в Африке или Латинской Америке люди здоровее? Нет, и в среднем они живут, гораздо меньше, просто среди причин смертности у них преобладают другие факторы – голод, инфекционные болезни, травмы. Кроме того, многие злокачественные заболевания в таких странах просто не диагностируются. Как в романах XIX века все обилие смертельных диагнозов сводилось к краткому “зачахла”, так и поныне во многих регионах земли смерть бедняка констатируется без каких бы то ни было уточнений. Жил человек и умер, а от чего? Бог знает… Поэтому неправильно говорить, что “современная цивилизация принесла человеку рак”. Гораздо точнее будет сказать: “Достижения современной цивилизации позволяют человеку до рака дожить”.

Разумеется, утверждать, что рост числа раковых заболеваний связан лишь с увеличением продолжительности человеческой жизни, было бы слишком оптимистично. Промышленное загрязнение и вредные привычки, особенно курение, вносят свою печальную лепту в онкологическую статистику. Однако, критически относясь к недостаткам существующего порядка вещей и стараясь их исправить, нам не стоит идеализировать былые времена. “Гармония с природой”, как представляет ее себе современный человек, – необременительный труд на свежем воздухе, обильное разнообразное питание, крепкий сон, гармоничные сексуальные отношения – была редкостью, дорогостоящей привилегией, доступной в истории рода человеческого очень немногим. Большинство жило и выживало совершенно иначе.

Обычной болезнью среди небогатых людей в Лондоне в XVII–XIX веках была так называемая сажевая бородавка, или рак трубочиста. Эта злокачественная опухоль яичек часто развивалась у молодых мужчин, которые в детстве (в возрасте 5–12 лет) работали помощниками трубочиста – залезали в дымоходы и чистили их изнутри. Сажа печных труб въедалась в тела мальчишек, в том числе и в нежную кожу мошонки, а 10–15 лет спустя у них развивалась опухоль. Английский врач Персивалл Потт, изучавший эту закономерность, добился того, что в 1788 году парламент запретил использовать для работы трубочистами детей младше восьми лет. Но это не помогло: работодатели платили штраф и продолжали эксплуатировать малышей. Внук Персивалла Потта Генри Эрл продолжил исследования деда и нашел ряд новых доказательств связи между эксплуатацией детского труда и опасной болезнью. В середине XIX века законодательство было еще раз ужесточено. По новому закону в трубы запрещалось спускаться трубочистам моложе 21 года. Однако и эти меры не возымели желаемого эффекта.

Даже изобретение машины для чистки труб не смогло радикально переломить ситуацию. Страховые компании продолжали настаивать на использовании мальчиков-трубочистов, апеллируя к тому, что машина чистит трубы менее качественно. История затянулась больше чем на столетие. Полностью победить “сажевую бородавку” смогли лишь в ХХ веке, после отказа от печного отопления в многоквартирных домах.

Безусловно, сейчас в распоряжении человечества имеется гораздо больше опасных веществ, чем 100–200 лет назад, однако и относимся мы к ним гораздо внимательнее, чем наши предки. Представить в современной Англии историю, подобную описанной выше, совершенно невозможно. В нашей книге мы будем разглядывать рак сквозь призму научных открытий в молекулярной биологии. Это увлекательная оптика, но ей присущи определенные искажения. Подавляющее большинство страшных болезней прошлого было побеждено не столько в результате головокружительных научных открытий (вроде изобретения антибиотиков), сколько благодаря методичным и скучным профилактическим мерам, последовательно проведенным в жизнь.

Контроль качества питьевой воды и пищевых продуктов, профилактические прививки, карантинные меры, направленные на предотвращение развития эпидемий, пропаганда здорового образа жизни – вот они, “киты” массового здравоохранения развитых стран. Мы восхищаемся ежедневным подвигом врачей, но по-настоящему эффективная политика в области здравоохранения затрагивает не столько область лечения, сколько область профилактики. Во второй половине ХХ века этот подход, доказавший свою эффективность в отношении инфекционных заболеваний, наконец-то начал применяться и к раку. Контроль над уровнем промышленных загрязнений, антитабачная кампания, массовая реклама солнцезащитных кремов – эти меры ежегодно спасают от рака больше людей, чем все достижения молекулярной онкологии, о которых мы поведем речь дальше. Внимание к вопросам безопасности медленно, но верно начинает приносить плоды. В развитых странах в последние годы наметилась тенденция к снижению не только смертности от рака, но и числа случаев новых заболеваний. Однако работы в этом направлении еще непочатый край. По оценкам специалистов, развитие по меньшей мере 30 % раковых опухолей можно предупредить за счет отказа от вредных привычек и доступных мер профилактики.

ФАКТ: по данным Национального института рака (США), вероятность заболеть раком для человека наиболее высока в возрасте 55–75 лет. После 75 лет она начинает снижаться, а после 85 лет становится почти так же низка, как в молодости.
Лирическое отступление
Мария Кюри – имя в истории Франции и истории рака

Имя Марии Кюри (Склодовской-Кюри) и ее роль в открытии радия и изучении радиоактивности известны во всем мире, но во Франции ее чтят еще и как одного из основоположников онкологической науки в этой стране. В 1909 году (через шесть лет после получения Нобелевской премии за открытие радия и через три года после гибели Пьера Кюри под колесами конного экипажа) Парижский университет и Институт Пастера приняли решение о строительстве нового научного центра – Института радия. Возглавить его предложили Марии Кюри. Целью новой научной организации стало изучение возможностей практического применения радиоактивности в физике, химии, биологии и медицине. Мария Кюри возглавляла физическое подразделение института, а биологическую и медицинскую часть взял на себя доктор Клод Рего. Трудясь бок о бок, они стали основоположниками радиотерапии – метода лечения раковых опухолей с помощью дозированного воздействия радиации. (Впрочем, впервые возможность медицинского использования радиации в борьбе с раком предположил еще Пьер Кюри незадолго до смерти.)
Институт радия быстро рос и развивался. В 1920-е годы при финансовой поддержке Генри Ротшильда параллельно с ним начал работать фонд Кюри. Объединившись в 1970 году, эти две организации стали основой Института Кюри – независимого исследовательского и медицинского центра. В настоящее время в Институте Кюри (у которого, кроме центрального парижского, появилось несколько отделений) работает больше 3000 сотрудников со всех концов света, а в его госпитале ежегодно проходят лечение тысячи больных. Основными направлениями научного и прикладного интереса центра являются рак груди и онкопедиатрия (опухоли детей младшего возраста, такие как ретинобластома). На первом этаже здания бывшего Института радия теперь открыт Музей Кюри, посвященный истории открытия радиоактивности. А биография Марии Кюри – прилежной девочки из Варшавы, вынужденной в юности несколько лет работать гувернанткой, чтобы заработать себе на обучение, – и сейчас, почти 100 лет спустя после ее смерти, служит источником вдохновения для молодых женщин, решивших посвятить свою жизнь науке, будь то физика, химия или биология.
Из окон верхнего этажа Института Кюри можно видеть краешек купола Пантеона – места захоронения знаменитых людей Франции: литераторов и политиков, художников и ученых. Там с 1995 года покоится и прах Пьера и Марии Кюри, торжественно перенесенный в центр французской столицы со скромного кладбища в парижском пригороде Со.

Душа и тело

Эта книга посвящена, прежде всего, биологии злокачественных опухолей, но человек – особенный биологический объект. Он наделен разумом, волей и способностью испытывать сложные, подчас противоречивые чувства. Тяжелая болезнь, каковой, несмотря на упомянутые выше успехи, вне всякого сомнения, продолжает оставаться рак, затрагивает не только тело, но и душу. Вероятно, именно поэтому вопросы о связи “духовного” и “физического” при раке так волнуют и больных, и здоровых.

В жизни каждого человека бывают непростые моменты – смерть близких, развод, болезнь, потеря работы. От психологического стресса не застрахован никто. Как влияют отрицательные переживания на риск заполучить онкологическое заболевание?

Хорошая новость – на сегодняшний день отсутствуют какие бы то ни было достоверные данные о том, что психологическое потрясение напрямую ведет к развитию злокачественных опухолей. Это значит, что связь между стрессом и повышенным риском возникновения опухоли либо отсутствует вовсе, либо слишком слаба, чтобы обнаружить ее стандартными статистическими методами. Даже такое долговременное угнетенное состояние, как депрессия, судя по многочисленным данным, нисколько не увеличивает риск заболеть раком. Так что если у вас в жизни не все идет гладко, не стоит дополнительно терзать себя мыслью, что теперь вы еще наверняка заболеете.

Однако житейские неприятности могут способствовать развитию заболевания косвенно. Пытаясь бороться со стрессом, люди часто начинают курить и злоупотреблять алкоголем, перестают следить за здоровьем. Стресс не вызывает рак, а вот вредные привычки – да. Обычно мы не в силах предотвратить психологическое потрясение, но можем постараться удержать под контролем саморазрушительные процессы, которые оно запускает.

Что касается влияния психологических факторов на развитие болезни, то нет сомнений, что онкологический диагноз сам по себе является сильнейшим стрессом, и то, насколько успешно больной сумеет ему противостоять, действительно может влиять на его шансы выздороветь. Эксперименты на мышах показали, что у животных, подвергающихся социальной изоляции (это одна из форм стресса), происходит ускоренный рост опухолей и распространение метастазов. Возможно, это связано с тем, что гормоны стресса, такие как норадреналин, являются одновременно факторами, влияющими на метастазирование опухолевых клеток. Кроме того, они воздействуют на иммунную систему, которая, как будет показано дальше, играет важную роль в сдерживании опухолевого роста.

Впрочем, есть серьезные основания полагать, что такие чувства, как отчаяние, беспомощность и безнадежность, повышают риск преждевременной смерти даже в отсутствие онкологического диагноза (хотя полностью механизмы этого явления не ясны). Им следует противостоять, используя психотерапию, а в некоторых случаях и антидепрессанты, подобранные врачом. В крупных онкоцентрах нередко ведут прием специалисты-онкопсихологи, которые могут проконсультировать больных и их близких. И это помощь, которой не стоит пренебрегать.

Однако, хотя своевременная психологическая и духовная поддержка очень важна в беде любому, в том числе и человеку с онкологическим диагнозом, ее влияние на исход болезни не стоит преувеличивать. Ранняя диагностика и хорошо подобранная терапия – несравненно более важные факторы успешного выздоровления, чем любое “правильное” состояние ума. Рак не лечится “силой мысли”, как бы ни настаивали на этом отдельные персонажи.

ФАКТ: вопреки распространенному мнению, в большинстве религиозных традиций, включая христианство, принято считать, что духовные практики (молитвы, медитации, участие в религиозных обрядах) отнюдь не противоречат обращению к врачу. В Ветхом Завете прямо сказано о богоугодности медицины: “Почитай врача честью по надобности в нем, ибо Господь создал его”. А вот отказ от медицинской помощи при лечении тяжелого заболевания в надежде на собственные “духовные силы” иначе как гордыней не назовешь. Другими словами – “на Бога надейся, а сам не плошай”.

Язык мой – враг мой

Множество заблуждений, связанных со злокачественными новообразованиями, коренится в неточности и консервативности естественного языка, не поспевающего за научными открытиями. Сама конструкция таких оборотов, как “рак груди” и “рак кишечника”, подразумевает, что речь идет об одном и том же недуге, просто поразившем разные органы. Так же, например, мы говорим “прыщи на руке” или “прыщи на спине”. Но… на взгляд дерматолога даже прыщ прыщу рознь. Симптом, который разговорный язык описывает как “сыпь”, может быть признаком самых разных нарушений в организме и лечится по-разному в зависимости от происхождения. Аллергические высыпания лечат иначе, чем юношеское акне, а сыпь при ветрянке – иначе, чем при чесотке.

То же самое справедливо и для злокачественных опухолей. Это не какое-то одно заболевание, но целая группа болезней, имеющих ряд общих симптомов, самые важные из которых – быстрый бесконтрольный рост новообразования и распространение по организму (метастазирование). Для одного только рака груди сейчас выделяют по меньшей мере четыре молекулярных подтипа. Такая подробная классификация не досужая выдумка узких специалистов, которым больше нечем заняться. В зависимости от молекулярного типа опухоли назначается лекарственная терапия, и препараты, эффективные при лечении одного варианта заболевания, могут быть противопоказаны при другом. Другой пример – рак легкого. Это название объединяет по меньшей мере четыре разных заболевания: мелкоклеточный и немелкоклеточный рак, который, в свою очередь, делится еще на три вида: аденокарциному, плоскоклеточный и крупноклеточный рак. Каждая из этих болезней требует своего особого лечения.

Классификацию онкологических заболеваний дополнительно усложняет тот факт, что определенная молекулярная разновидность опухоли (например, “люминальный подтип А рака молочной железы”) может, в свою очередь, иметь несколько стадий: локальная опухоль, опухоль с метастазами в ближайшие лимфатические узлы, опухоль с метастазами и вторичными опухолями в отдаленных органах. Методы лечения и шансы на выздоровление также будут разными для каждой из этих стадий.

Нельзя сказать, что обобщения типа “раковая опухоль” не имеют совсем никакого смысла. У злокачественных новообразований самого разного происхождения есть много общих черт (как на клеточном, так и на молекулярном уровне), которые определяют общие стратегии лечения онкологических заболеваний. На сходство нам указывают язык и обобщающее слово “рак”, прижившееся в нем, а вот мысль о различиях придется запомнить.

В нашей книге, идя на уступку естественному языку, обороты “злокачественная опухоль (новообразование)” и “раковая опухоль” будут использоваться как синонимы. Но, строго говоря, это не совсем верно. Первоначально определение “рак” в русском языке относилось только к карциномам – опухолям, образованным определенным типом клеток, а именно эпителиальными. Опухоли, образованные клетками соединительной ткани, правильно было бы называть саркомами, злокачественное перерождение кроветворных тканей – лимфомами и лейкемиями и т. д. Однако в английском языке слово cancer давно уже относится ко всем типам злокачественных заболеваний (в чем легко убедиться, прочитав одноименную монографию великого онколога Роберта Вайнберга). Нет ни малейшего сомнения, что русскоязычный термин эволюционирует в том же направлении, так что едва ли кого-нибудь, кроме узких специалистов, покоробит подобное обобщение. Слово “опухоль”, употребленное без уточняющего эпитета, также будет по умолчанию подразумевать злокачественную опухоль.

Эти обороты будут использоваться в книге при обсуждении общих черт, присущих разным злокачественным новообразованиям. При описании особенностей конкретного типа опухолей предпочтение будет отдаваться более точным терминам: “саркома Юинга”, “меланома”, “рак желудка” и т. д.

ФАКТ: рак – это не одна болезнь, а целая группа заболеваний.

Диагноз или приговор?

Чтобы понять, насколько обоснованы или, напротив, безосновательны страхи перед “раковым приговором”, нам придется обратиться к медицинской статистике. Однако, апеллируя к сухим цифрам, будем внимательны к контексту, чтобы не получилось как в известном анекдоте, когда замер температуры одновременно в морге и гнойном отделении (среди больных, для которых обычна температура под 40°) дает среднюю по больнице температуру 36,6°, свидетельствующую об идеальном здоровье пациентов.

Первый взгляд на статистику онкологических заболеваний как будто бы подтверждает худшие опасения. Основным критерием успешного лечения в онкологии является пятилетнее выживание пациента после постановки диагноза. В России этот показатель составляет около 40 %, то есть, увы, примерно соответствует американским данным 1970-х годов, но в Европе и США достигает 60–70 %, что выглядит уже гораздо оптимистичнее. Вопреки расхожему мнению, лечение онкологических заболеваний в крупных городах России находится на уровне мировых стандартов. Чем же тогда объясняется эта почти двукратная разница?

Основной фактор, определяющий шансы пациента на успешное излечение при раке, – это стадия, на которой обнаружено заболевание. Вот, для примера, статистика лечения в США самого распространенного “женского рака” – рака груди. Для опухолей, обнаруженных на начальных стадиях, шанс прожить пять лет после диагностики заболевания близок к 100 %, а для опухолей, диагностированных на четвертой стадии (со множественными метастазами по телу), он составляет всего около 20 %. (Критерий пятилетней выживаемости используется в онкологии в связи с тем, что именно в первые годы наиболее высока вероятность рецидива заболевания. Считается, что если в течение пяти лет злокачественная опухоль не вернулась, то она с высокой вероятностью вылечена окончательно. Хотя, к сожалению, иногда случаются и более поздние рецидивы.)

Основной проблемой лечения рака в России остается поздняя диагностика. Регулярные наблюдения у специалистов не требуют значительных финансовых затрат, но могут сильно повысить шансы победить болезнь. Разумеется, каждый год проходить проверку на все возможные типы опухолей невозможно да и не нужно. А вот своевременно диагностировать наиболее распространенные типы рака по силам почти каждому.

По данным ВОЗ, для мужчин наиболее распространенными типами онкологических заболеваний являются: рак легких, печени, желудка, рак кишечника (ободочной и прямой кишки) и рак предстательной железы. Для женщин – это рак груди, рак легких, рак кишечника (ободочной и прямой кишки), рак шейки матки и желудка. Регулярное (раз в год) обследование этих органов гарантирует, что заболевание, если и возникнет, не будет запущено.

Прививка от гепатита В и профилактика гепатита С резко снижают вероятность заболеть раком печени. Отказ от курения сводит к минимуму риск заболеть раком легких и снижает риск других онкологических заболеваний. Регулярное посещение гинеколога позволяет обнаружить злокачественные перерождения шейки матки и опухоли груди на ранней стадии и т. д. Эти меры и другие профилактические подходы, о которых пойдет речь дальше, доступны большинству людей и не требуют значительных финансовых вложений. Исключение составляют разве что такие относительно дорогостоящие процедуры, как колоноскопия и гастроскопия для диагностики опухолей кишечника и желудка соответственно, но их достаточно проходить раз в несколько лет.

Почему же, несмотря на очевидный прогресс онкологии, в обществе множатся пессимистические мифы и многие люди, избегая обращаться к врачам, отдают себя в руки шарлатанов? Причин у этого явления, разумеется, много, но самой важной представляется следующая: в статистике существует понятие “ошибка выжившего”, когда по одной группе (“выжившим”) есть много данных, а по другой (“погибшим”) – почти нет, в результате чего исследователи получают искаженную картину происходящего. Название этого заблуждения восходит, вероятно, к истории о древнегреческом мудреце Диагоре, которого друг убеждал поверить в существование богов, показывая ему изображения людей, спасшихся во время шторма, потому что они молились бессмертным заступникам. Диагор элегантно парировал этот довод вопросом: “А как насчет изображений тех, кто молился, но все равно погиб?”

Подобный информационный перекос существует и в отношении онкологических заболеваний. Только в случае рака уместнее говорить не об “ошибке выжившего”, а об “ошибке умершего”. Истории знаменитых людей, жизни которых унесла болезнь, у всех на слуху: Стив Джобс, Дмитрий Хворостовский, Патрик Суэйзи… “Если ум, талант, влияние и богатство не помогли таким людям спастись от смерти, то на что надеяться остальным?” – пессимистично думают читатели, пролистывая новостные ленты с некрологами. Истории о людях, победивших болезнь, попадают в информационное поле гораздо реже. Как правило, никто, кроме самых близких, не знает о раковом диагнозе пациента. Если человек умирает, причину смерти обсуждают на поминках, а если выздоравливает – то его болезнь так и остается тайной для окружающих. Такая односторонняя подача информации создает преувеличенно мрачную картину происходящего. А между тем в мире живут и здравствуют десятки, если не сотни миллионов людей, успешно победивших болезнь (только в США их около 12 млн). Раковый диагноз в наши дни – это тяжелое испытание, но не приговор, а вызов.

ФАКТ: известный журналист Владимир Познер лечился от онкологического заболевания в 1993 году. С тех пор прошло уже 25 лет, и он все еще с нами. Примерно в то же время диагноз “рак гортани” был поставлен биржевому трейдеру Нассиму Талебу. Десять лет спустя его книга “Черный лебедь” стала бестселлером, а к 2018 году он был признан одним из самых влиятельных интеллектуалов в мире. И таких историй со счастливым концом больше, чем кажется.

Подводя итог

Рак сопутствует человеческому роду испокон веков. Описание раковых опухолей и методы их лечения мы находим в медицинских трудах всех значительных древних цивилизаций. Однако серьезной эпидемиологической проблемой рак стал только в ХХ веке. Отчасти это связано с распространением вредных привычек (курение, неумеренное пребывание на солнце), отчасти – с влиянием промышленного загрязнения, однако главным фактором, обусловившим рост количества онкологических заболеваний, в последние десятилетия является увеличение продолжительности жизни. Важно помнить и понимать, что “рак” – это не одна болезнь, как, например, “грипп” или “туберкулез”, но целая группа заболеваний разного происхождения, хотя и с похожими внешними проявлениями. В этой главе мы коснулись некоторых социальных и психологических аспектов онкологических заболеваний, а в следующей начнем анализировать молекулярную природу этой клеточной патологии.

ЧТО ПОЧИТАТЬ

Атлас рака – история онкологии (на английском):

http://canceratlas.cancer.org/history-cancer/

Серия статей по истории рака (A note from history: landmarks in history of cancer):

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=A+note+from+history%3A+landmarks+in+history+of+cancer

Как лечили рак в старину:

https://med-history.livejournal.com/66826.html

Статистика раковых заболеваний в США (на английском):

https://seer.cancer.gov/statfacts/html/all.html

“Рак трубочиста: первый канцероген” – статья Михаила Шифрина на сайте “MedПортал” о “раке трубочиста”:

http://medportal.ru/enc/oncology/reading/14/

Немного обнадеживающей статистики по раковым заболеваниям (на английском):

https://www.rd.com/health/conditions/cancer-statistics/

Глава 2
Загадки нашего генома и мифы о природе рака

Следующую группу заблуждений, связанных с онкологическими заболеваниями, можно охарактеризовать как “мифы о природе рака”. В них причудливо переплетаются научные факты и домыслы коллективного бессознательного. Попробовав углубиться в вопрос о происхождении злокачественных опухолей, неспециалист очень скоро начинает чувствовать себя сбитым с толку множеством разнообразных и несогласованных на первый взгляд концепций. Известно, что в возникновении рака играют роль какие-то гены, да и врачи на приеме частенько спрашивают о случаях онкологических заболеваний в семье. Стало быть, рак – заболевание наследственное? Однако в массовой околомедицинской литературе встречаются упоминания об онковирусах. Тогда получается, что опухоли – вирусное, инфекционное заболевание? Еще и заразное наверняка? А если почитать в популярной периодике о веществах-канцерогенах, может сложиться впечатление, что рак – это своего рода “отравление”…

Вопрос о причинах возникновения злокачественных опухолей действительно не прост. Рак – это сложное и многофакторное заболевание. В этой главе мы постараемся обозначить контуры современных научных представлений о его природе.

“Рак без причины не возникает, вы сами виноваты, что заболели!” – такое часто слышат в свой адрес люди, у которых обнаружили злокачественную опухоль. Ответственность курильщика за развитие рака легких отрицать трудно, но ведь жертвами болезни часто становятся и люди без вредных привычек. Понимание механизмов злокачественного перерождения клеток может освободить больных и их близких от непосильного и непродуктивного чувства вины и напомнить здоровым, что от несчастного случая, к сожалению, не застрахован никто.

Болезнь генома

В 1928 году английский врач Фредерик Гриффит ввел здоровым лабораторным мышам смесь двух разновидностей бактерий, вызывающих воспаление легких, – шероховатой и гладкой. Из предыдущих опытов уже было известно, что для животных опасна только первая форма пневмококка, та, в которой клетка микроба окружена защитной капсулой, выглядевшей под микроскопом словно неровная шероховатая поверхность. Капсула защищала бактерию от распознавания и уничтожения иммунной системой мыши. Бактерии второй разновидности такой защитой не обладали, организм здорового животного с легкостью расправлялся с ними, и болезнь не развивалась. Этот признак – наличие или отсутствие оболочки – передавался в каждой группе бактерий из поколения в поколение, то есть являлся наследственным.

В ходе эксперимента, который позднее вошел в учебники, бактерии шероховатого типа убивали нагреванием и добавляли к живым гладким бактериям. По отдельности ни убитые шероховатые пневмококки, ни живые гладкие бактерии никак не влияли на состояние здоровья мышей. Однако после введения смеси из живых гладких и убитых шероховатых бактерий у животных развивалась пневмония. При этом в крови больных мышей обнаруживались живые шероховатые бактерии. Из этих наблюдений Гриффит сделал вывод, что какой-то компонент убитых шероховатых клеток превратил неболезнетворные бактерии (гладкие) в болезнетворные (шероховатые). Так впервые напрямую было продемонстрировано, что наследственность имеет материальную природу и материальный носитель, способный сохранять свои свойства (по крайней мере, некоторое время) и после смерти организма.

В 1944 году, после усовершенствования лабораторных методов, другие ученые – Эвери, Маклеод и Маккарти – в аналогичном эксперименте сумели выделить таинственный “трансформирующий агент” и выяснить его химическую природу. Носителем генетической информации оказалась молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это открытие положило начало новой науке – молекулярной биологии.

С той поры слова “генетический код”, “мутации”, “наследственность” успели прочно обосноваться в повседневном словаре современного человека и заголовках “желтой прессы” (что можно считать высшей формой популярности и признания). Хотя лишь немногие специалисты в деталях понимают сложную молекулярную машинерию жизни, общее представление о том, что в основе существования любого организма лежит уникальная последовательность ДНК (геном), смогло в итоге стать частью массовой научной культуры наряду с утверждениями “Земля вращается вокруг Солнца”, “Растения выделяют кислород” и “В начале всего был Большой взрыв”.

Основная задача молекулярной биологии от момента зарождения и до сегодняшнего дня – выявление связи между последовательностью ДНК в организме и его биологическими свойствами. Или, как это любят формулировать сами ученые, между генотипом (например, “геном зеленых глаз”) и фенотипом (собственно зеленоглазостью). На этом пути биологам удалось добиться впечатляющих успехов, однако до полной расшифровки фундаментального “кода жизни” все еще очень далеко. Напротив, как в старинной притче про философа Анаксимена, чем шире круг наших знаний, тем больше он соприкасается с незнанием и порождает все больше новых вопросов.

Через 50 с лишним лет после Гриффита – в 1981 году – ученые повторили его опыт, но уже не с бактериями, а со злокачественной опухолью. ДНК из опухолевых клеток осторожно извлекли и перенесли в здоровые клетки мыши, после чего те превратились (трансформировались) в раковые. Так была выявлена генетическая природа онкологических заболеваний. Не то чтобы в этом кто-то сомневался – данных о связи генов и болезни к тому времени накопили предостаточно, но прямое доказательство было необходимо, чтобы двигаться дальше, не испытывая сомнений.

Если молекулярную биологию интересуют прежде всего закономерности устройства здоровой клетки, то молекулярная онкология пытается разобраться в том, как нарушения в тех или иных генах приводят к злокачественному перерождению и каким образом мы можем исправить эти ошибки.

ФАКТ: раковая клетка отличается от нормальной своим геномом.

Зачем клетке гены?

Если верить социологическим опросам, то многие люди до сих пор убеждены, что гены присутствуют только в генетически модифицированных (ГМО) организмах и продуктах, а в “обычных” – нет… Поэтому, прежде чем перейти к волнующей теме генетических нарушений в опухоли, давайте вспомним, как устроена живая клетка в человеческом организме и зачем ей нужны гены.

Клетка – элементарная единица живой материи (оставим споры о вирусах специалистам). В качестве минимального “атома жизни” она обладает, в той или иной степени, всеми признаками живой материи – растет, размножается (делится), обменивается веществом и энергией с окружающей средой и приспосабливается к ее изменениям. Существуют два основных типа клеток – “безъядерные” (прокариотические), например бактерии, и “ядерные” (эукариотические) – некоторые одноклеточные и все многоклеточные организмы. Нас, в контексте разговора о раке, будет интересовать главным образом второй – эукариотический – тип.

Одноклеточный организм похож на простейшее сельское домохозяйство Средневековья, которое обеспечивало себя буквально всем – от одежды и обуви до пропитания, а в обмен с “внешними” вступало только в случае крайней необходимости. (Например, крестьяне продавали часть припасов на городских рынках, чтобы на вырученные деньги купить у кузнецов железные инструменты, необходимые в хозяйстве.) Многоклеточному организму в качестве аналогии соответствует, скорее, современный индустриальный город. В мегаполисе у каждого жителя своя специальность, и водитель автобуса может не знать, как печется хлеб, а доктор – иметь весьма отдаленное представление об успехах современной астрономии. Такие же разные профессии бывают у клеток, и так же, как в человеческом обществе, процесс приобретения ими этих навыков называется “специализацией”, или “дифференциацией”. В теле человека насчитывается около 200 различных клеточных типов, и каждый выполняет свою функцию – эритроциты переносят кислород, клетки печени обеззараживают опасные вещества, нейроны проводят электрические импульсы.

Работая вместе, как рабочие на заводе, клетки определенного типа образуют ткани – нервную, мышечную, покровную и т. д. Ткани, в свою очередь, формируют органы, специализированные для выполнения определенных функций – например, легкие для дыхания, желудок для пищеварения. Так формируется иерархическая структура человеческого организма: тело – органы – ткани – клетки.

Живое начинается с разделения “я” и “не я” – клетка отделена тонкой мембраной, которая позволяет ей, с одной стороны, не раствориться в окружающем мире – так реализуется ее защитная, изолирующая функция, а с другой стороны, обеспечивает транспорт необходимых веществ – это свойство клеточной мембраны ученые назвали избирательной проницаемостью. Мембрана состоит из липидов (жиров) и белков. Липиды отвечают за изоляцию, белки – за перенос веществ (этим занимаются транспортные белки) и реакцию клетки на сигналы из внешнего мира (эту функцию берут на себя белки-рецепторы). Внутри мембраны содержится плотный, концентрированный раствор – цитоплазма – внутренняя среда клетки.

В клетках бактерий здесь же, в цитоплазме, плавает и ДНК, но у ядерных организмов, таких, как мы с вами, наследственная информация собрана в специальном клеточном отсеке, который называется ядром. На первый взгляд разница не слишком существенна, но в ней есть большой биологический смысл. У бактерий все этапы реализации биологической информации происходят одновременно. С активного гена считывается матричная РНК, и тут же на нее садятся рибосомы, готовые синтезировать нужный белок. В клетках ядерных организмов эти два процесса (транскрипция и трансляция) разделены во времени и в пространстве. Транскрипция (считывание РНК) происходит в ядре, а трансляция (синтез белка) – в цитоплазме. Это несколько замедляет процесс, но зато делает его гораздо более управляемым.

“Управление” или “регуляция” – два ключевых слова, которые постоянно будут встречаться вам на страницах книги. Эукариотические (ядерные) и прокариотические (безъядерные) клетки используют более-менее одни и те же молекулярные механизмы, однако лишь ядерные клетки оказались способны формировать многоклеточные организмы. Ключевым фактором подобного эволюционного успеха, скорее всего, стала способность этих клеток более точно регулировать протекающие в них молекулярные процессы.

Существование ядра – это лишь один из примеров реализации так называемого принципа компартментализации, лежащего в основе строения эукариотических клеток. С помощью сложного комплекса мембран внутреннее вещество клетки поделено на отсеки (компартменты), в которых, словно в изолированных колбах, происходят разные биохимические превращения. Такое “зонирование” также значительно повышает эффективность и управляемость работы человеческой клетки в сравнении, например, с бактериальной.

Прокариотическая клетка похожа на бедную школу старых времен, вроде той, что описана в романе “Джейн Эйр”, – множество учеников разного возраста собраны в одном помещении и одновременно занимаются самыми разными предметами. В одном углу твердят французские глаголы, в другом решают арифметические примеры, в третьем учат стихи, и все отвлекают и перекрикивают друг друга. Незатратная, но и не слишком эффективная система. В ядерной клетке реакции упорядочены, как процесс обучения в современной школе, где второклассники учатся отдельно от пятиклассников, химией занимаются в химическом кабинете, а физические опыты ставят в кабинете физики.

Кроме ядра, в цитоплазме находятся разнообразные органеллы – “маленькие органы”, которые позволяют клетке выполнять разные функции точно так же, как “настоящие” органы – печень, легкие, мозг – обеспечивают жизнедеятельность организма в целом. Переваривание белков в лизосомах похоже на процесс пищеварения, а сеть транспортных микротрубочек, обеспечивающих доставку молекул в разные части клетки, чем-то напоминает кровеносную систему организма. Но самыми важными органеллами (после ядра) являются, пожалуй, митохондрии. Это крупные органеллы, которые играют роль своего рода “тепловых электростанций”. Они “сжигают” глюкозу и обеспечивают клетку энергией, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Одновременно митохондрии играют важную роль в регуляции запрограммированной клеточной гибели – апоптоза.

Если клетка – это строительный кирпичик организма, то органические молекулы – это, в свою очередь, стройматериал для клеток. Основные молекулы жизни – ДНК, РНК, белки – это огромные линейные полимеры, то есть молекулы-“цепочки”, состоящие из нанизанных друг за другом небольших фрагментов – мономеров. Чтобы подчеркнуть размер биологических полимеров, их часто называют макромолекулами. Размер имеет значение! Химические и физические свойства больших молекул сильно отличаются от свойств их мономеров. Например, полисахарид целлюлоза – жесткий, нерастворимый, плохо перевариваемый полимер, составляющий основу древесины, – состоит из мономеров глюкозы – сладкой, легкорастворимой и питательной молекулы.

У ДНК и РНК мономерами являются органические молекулы – нуклеотиды, у белков – другие органические молекулы, аминокислоты (а точнее, аминокислотные остатки). Любой линейный полимер можно описать через последовательность составляющих его мономеров. Например: аланин – глицин – пролин – тирозин – аланин – серин (другая форма записи – AGPYAS) – это описание фрагмента белка. Порядок соединения аминокислотных остатков определяет, какую структуру будет иметь белок и какую функцию станет выполнять. Гены и молекулы РНК, в свою очередь, различаются нуклеотидными последовательностями.

Биополимеры можно сравнивать между собой и давать количественную оценку степени их сходства (или различия). Например, последовательности ААААC и ATAAC различаются между собой всего на одну букву (нуклеотид) из пяти, таким образом степень гомологии (сходства) этих двух полинуклеотидов составляет 80 %. Сопоставляя последовательности генов различных организмов, ученые получают данные о степени их родства. Чем больше сходство геномов, тем более близкими родственниками являются виды. При изучении раковых опухолей ученые таким же образом сравнивают ДНК раковых клеток и здоровых. Это помогает им обнаружить генетические причины болезни, подробнее о которых будет сказано дальше.

Аналогичный анализ позволяет делать обоснованные предположения о структуре и функциях малоизученных белков путем сопоставления их с хорошо изученными макромолекулами. Белки, у которых последовательности демонстрируют высокую степень гомологии (50 % и выше), как правило, обладают схожей структурой и свойствами.

Белки – главные “рабочие лошадки” живой клетки. В состав белков человеческого тела входит всего 20 аминокислот с различными свойствами – маленькие и массивные, “кислые” и “щелочные”, водорастворимые и “жирные”, но количество возможных трехмерных структур, которые можно построить из них, огромно. Это чем-то похоже на конструктор “Лего” – из небольшого количества базовых элементов можно создавать очень разные, непохожие друг на друга конструкции.

Множеству белковых структур соответствует невероятное разнообразие их функций в человеческом теле. Белки обеспечивают транспорт и движение, участвуют в процессах размножения и дыхания, защищают наш организм от инфекций и позволяют различать свет и тьму. Собственно, все основные задачи в живой клетке решаются белками. Все, кроме одной. Белки не способны к самовоспроизводству. Эта “умная” молекула не может сама себя синтезировать. Для производства белков нужны специальные молекулярные инструкции (записанные в ДНК) и особые молекулярные “синтезаторы” небелковой природы – рибосомы (основой которых является РНК), способные синтезировать белки, используя “инструкцию”, написанную на другом, нуклеотидном, языке.

ФАКТ: Фридрих Энгельс был прав – жизнь действительно есть “форма существования белковых тел”!

Генетический код – догма и руководство к действию!

Три главных типа биополимеров – ДНК, РНК и белки – существуют в организме не обособленно. Они связаны между собой отношением, которое великий ученый Фрэнсис Крик назвал “основной догмой молекулярной биологии”. Суть “догмы” в том, что генетическая информация в клетке хранится в виде последовательности молекулы ДНК, а реализуется в виде последовательности белка, причем посредником в процессе переноса информации является молекула РНК. Процесс перекодирования нуклеотидной последовательности в аминокислотную происходит на специальных молекулярных машинах – рибосомах.

Используя нестрогую компьютерную аналогию, ДНК можно сравнить с программой, написанной на одном из языков программирования высокого уровня (например, С++). Аппарат трансляции, включающий в себя разнообразные РНК, работает как компилятор, переводящий (транслирующий) эту программу в машинный код, понятный компьютеру. А белок можно уподобить исполняемому файлу игры, получившейся на выходе. Если не знать о принципах компилирования, обнаружить какую-либо связь между исходным текстом программы и итоговым EХЕ-файлом практически невозможно. Именно поэтому ученые так долго не могли заметить взаимосвязь между ДНК и белками.

Другой, более бытовой, аналогией может быть связь между рецептом пирога (ДНК) и собственно пирогом (белком). Превращение информации, торопливо записанной на клочке бумаги, в праздничное блюдо происходит благодаря умелым рукам кулинара (рибосомы), который в нужной последовательности соединяет необходимые ингредиенты. Но для человека, не знакомого с письменностью, взаимосвязь между кусочком бумаги и лакомством будет выглядеть как загадка, а может быть, и колдовство.

Кусок ДНК, который кодирует последовательность того или иного белка, называется “ген”. Совокупность генов в организме формирует его геном. Это первое – и очень приблизительное – определение молекулярных основ живого, которое постепенно будет уточнено (и усложнено).

Правила, устанавливающие соответствие между последовательностью ДНК и последовательностью белка, которую кодирует данный ген, называются генетическим кодом. Генетический код в основных чертах един для всех живых существ на Земле, и редкие отступления от него у некоторых бактерий и одноклеточных представляют собой исключения, лишь подтверждающие правило. Единство генетического кода является основным доказательством общего происхождения всех форм жизни, известных нам на сегодняшний день.

Генетический код триплетен. Это означает, что одна аминокислота в составе белка кодируется тремя нуклеотидами в составе ДНК. (Аналогично слова “три” и “два”, по три буквы в каждом, кодируют в русском языке информацию о цифрах “3” и “2”.) Четыре нуклеотида ДНК способны составить 64 триплетных кодона – основных “слов” генетического алфавита. Большая часть этих кодонов кодирует аминокислоты. Причем, поскольку аминокислот всего 20, это значит, что некоторые аминокислоты кодирует несколько разных кодонов, подобно тому как в естественном языке слова-синонимы могут обозначать один и тот же предмет. Это свойство генетического кода, когда несколько кодонов соответствуют одной и той же аминокислоте, называется вырожденностью. Три кодона из 64 не кодируют никаких аминокислот. Это так называемые стоп-кодоны. Их функция – в нужный момент прекращать синтез белка. Стоп-кодон в конце последовательности, кодирующей белок, играет ту же роль, что и точка в конце предложения в человеческих языках.

Замена (мутация) в нуклеотидной последовательности гена влечет за собой ошибку (мутацию) в аминокислотной последовательности белка или даже полное прекращение его синтеза – к такому результату может привести незапланированное появление стоп-кодона в начале гена.

А теперь попробуйте решить несложную, на первый взгляд, задачу. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, средняя длина белка составляет примерно 200 аминокислотных остатков. Сколько же белков кодирует человеческий геном, имеющий размер 3,1 млрд пар оснований (“пар” – потому что обычная структура ДНК в клетке – это двойная спираль)? Неужели больше 5 млн?! (3,1 млрд: (200 * 3)). Но нет. Всего лишь около 20 000–25 000. Откуда же берется такое колоссальное расхождение между размерами генома и количеством белков?

(Строго говоря, приведенные выше цифры не совсем точны, поскольку с одного гена могут считываться несколько разных белков, так что общее число разных белков в человеческом организме будет больше 20 000–25 000, но все равно гораздо меньше 5 млн. При этом в каждой отдельной клетке будет синтезироваться лишь та часть из них, что соответствует ее специализации.)

Оказывается, значительную часть генома образует ДНК, которая не несет никакой информации о белках. На долю ДНК, кодирующей белки в организме человека, приходится всего около 3 %! И даже в генах кодирующие куски ДНК – экзоны – разбиты некодирующими интронами. Английский популяризатор науки Мэтт Ридли остроумно сравнил их с рекламой, прерывающей текст интересной статьи.

Поначалу озадаченные ученые пренебрежительно обозвали эту некодирующую часть ДНК “мусорной” (junk DNA), но в последние годы отношение к ней сильно изменилось. Выяснилось, что некодирующая ДНК играет важную регулирующую роль, особенно в многоклеточных организмах. В частности, было обнаружено, что сложность организации организма (разница между человеком и червем, условно говоря) слабо коррелирует с общим количеством генов в сравниваемых организмах, однако показывает убедительную взаимосвязь с размером некодирующего генома. Чем сложнее организм, тем больше в нем “мусорной” (а на самом деле – регулирующей) ДНК.

Это и другие открытия уточнили наши представления о генах и геноме. На сегодняшний день их можно сформулировать следующим образом. Совокупность ДНК в клетке формирует ее геном. Функция генома заключается в сохранении информации, необходимой для нормального функционирования белков, которые нужны для жизнедеятельности клетки. Эта информация состоит из двух частей. Первая часть – сведения о правильной аминокислотной последовательности белка, которая определяет его трехмерную структуру и биологическую функцию. Эту информацию несут кодирующие участки гена. Проводя соответствие между нуклеотидной последовательностью генома и определенным белком – “ген белка N” – мы имеем в виду именно ее. Вторая часть – это информация о регуляции активности этого белка в клетке: когда и в каких количествах он будет считываться с гена, будет ли ген активен во всех типах клеток или лишь в некоторых и какие факторы будут влиять на его активность (ее еще называют “экспрессией гена”). Эта информация каким-то (пока еще не до конца понятным нам образом) сохраняется в некодирующей, регулирующей части генома.

ФАКТ: белки – основа жизни, информация о белках кодируется генами. Ошибки в геноме нарушают нормальное производство тех или иных белков, что приводит к изменению свойств клетки. Например, из нормальной она может превратиться в раковую.

Структура генома не случайна

Описание структуры человеческого генома в учебниках зачастую выглядит как набор не связанных между собой фактов. На самом деле каждый элемент в этой сложной системе подчинен решению конкретной и очень непростой биоинженерной задачи – обеспечения сохранности генетического материала организма.

Только представьте: общая длина ДНК в клетке человека составляет около двух метров при среднем размере клетки 10–100 микрометров (1 мкм = 0,000001 м). То есть каждой клетке в нашем теле необходимо упаковать, не запутав и не порвав, тончайшую молекулярную нить в крошечный объем. Попробуйте при случае проделать аналогичный эксперимент с парой метров шелковой нити, и вы поймете, насколько это непросто.

В молекуле ДНК имеется множество активных химических групп – фосфатных остатков, гидроксилов, аминогрупп, – способных вступать в разнообразные реакции, а внутриклеточная среда, в которой она находится, представляет собой весьма энергичный химический “бульон”. Как в таких непростых условиях избежать повреждения полимера?

Но главное – геном не просто энциклопедия клеточной информации, чья основная повседневная функция – “стоять на полке” в ожидании редкого читателя, а скорее “техническая документация”, определяющая повседневную жизнь клетки. Та или иная ее часть постоянно пускается в ход, направляя синтез различных белков. ДНК мало компактно упаковать, сохранить от нежелательных воздействий и “убрать в закрома”. Необходимо, чтобы при этом она продолжала работать – эффективно взаимодействовать с клеткой и регулировать ее жизнедеятельность, “включая” и “выключая” разные гены. Ну и конечно, не будем забывать: живые клетки размножаются делением, а это значит, что для сохранения “самоподобия” всех клеток многоклеточного организма в каждом таком случае геном материнской клетки должен быть сначала скопирован, а потом равномерно распределен по двум новым – дочерним – клеткам. Для соблюдения всех этих условий в биологических системах выстроена сложная иерархическая организация генома.

Начнем с основ – с химической формулы ДНК, которая состоит из последовательности мономеров нуклеотидов. Как нам уже известно, кроме ДНК, в живых клетках встречается другая нуклеиновая кислота, рибонуклеиновая (РНК), – в эволюционном смысле, как считают ученые, “старшая сестра” ДНК, возникшая намного раньше. У РНК в клетке много разных (и очень важных) функций, но хранение биологической информации в их число не входит. Геномы всех клеточных форм жизни, от бактерий до человека, построены только из ДНК (исключение составляют лишь некоторые вирусы). Существует немало предположений, почему так получилось, но самое правдоподобное – различие в ролях ДНК и РНК связано с различиями в их молекулярном строении. Полное наименование ДНК – ДЕЗОКСИрибонуклеиновая кислота. Сахар рибоза в ее составе немного изменен по сравнению с РНК (РИБОнуклеиновой кислотой): вместо гидроксила в одной из позиций находится водород, что делает молекулу менее гибкой, но более стабильной. Именно это свойство – стабильность – позволило ДНК выиграть у РНК молекулярную конкуренцию и занять место главной хранительницы генетической информации невообразимо древнего и, вероятно, еще доклеточного мира.

Первичная возможность для сбережения и копирования генетической информации заключена уже в пространственной структуре этого необычного полимера, который в клетке никогда не бывает представлен одиночной нитью, но всегда имеет форму спирали из двух разнонаправленных молекул, подходящих, или, как говорят ученые, “комплементарных”, друг другу так, чтобы образовывать красивую симметричную и стабильную структуру. За ее предсказание и описание в свое время ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик получили Нобелевскую премию.

Симметрия пространственной структуры ДНК достигается за счет того, что напротив остатков большего размера аденина (А) и гуанина (G) всегда стоит остаток меньшего объема тимина (Т) и цитозина (С).

Стабильность достигается за счет того, что напротив одного остатка, способного образовывать две или три водородные связи, всегда стоит второй с аналогичными свойствами (А – Т, G – C), чтобы ни одна возможность для образования связи не оказалась утраченной. Кроме того, уложив аккуратными стопочками внутри спирали массивные и гидрофобные (жирные, буквально – “боящиеся воды”) нуклеотиды и выставив наружу полярные, “дружащие с водой”, остатки фосфорной кислоты молекул, ДНК также увеличивает свою стабильность.

Принцип комплементарности приводит к тому, что, зная последовательность одной (любой) нити ДНК, вы всегда можете достроить вторую, комплементарную ей, нить. Именно это происходит при делении клетки, когда генетическая информация удваивается.

Но для нас сейчас важнее то, как спиральная структура ДНК помогает сохранению генетической информации. С одной стороны, она изолирует нуклеотиды (последовательность которых, собственно, и является значимой, “кодирующей” частью полимера) внутри спирали, защищая их от химических воздействий и модификаций. С другой – любая “неправильность” в спаривании “неподходящих остатков”, например А – С или С – С, тут же приведет к нарушению регулярной структуры спирали и с легкостью может быть обнаружена и исправлена.

Благодаря большому количеству остатков фосфорной кислоты молекула ДНК в воде имеет отрицательный “кислотный” заряд, и, чтобы скомпенсировать его и привести молекулу в более “нейтральное”, а значит, менее активное в химическом смысле состояние, клетка использует специальные белки гистоны, богатые положительно заряженными “щелочными” аминокислотными остатками, которые образуют белковый комплекс нуклеосому. Спираль ДНК наматывается на шарик нуклеосомы, образуя структуру, названную наблюдательными биологами “бусины на нитке”. Потом эти бусины упаковываются в более плотную структуру – фибриллу, фибрилла, в свою очередь, сворачивается и перекручивается и т. д. В результате образуется хроматин – комплекс из ДНК и белков, который позволяет упаковать наследственную информацию одновременно и плотно, и упорядоченно, а молекулы белков хроматина еще и надежно защищают хрупкую молекулу ДНК от воздействия повреждающих факторов. При этом разные части клеточного хроматина могут быть упакованы с разной плотностью. Гены, активные в данном типе клеток, будут находиться в участках рыхлого хроматина, где они доступны для взаимодействия с белками, а вот “спящие гены” окажутся уложены более плотно.

При делении клетки хроматин ядра собирается в хромосомы. Каждая хромосома – это отдельная “нить” ДНК, максимально плотно упакованная с белками и несущая определенный набор генов. В клетке бактерии, как правило, одна кольцевая хромосома, но большинство многоклеточных организмов построено на основе геномов, содержащих несколько линейных хромосом. Если воспользоваться сравнением из мира библиофилов, то геном бактерии – это “однотомник”, а вот человеческий геном представляет собой целое “собрание сочинений” в 23 томах-хромосомах.

В каждой клетке человеческого тела (за исключением сперматозоидов и яйцеклеток) это “собрание сочинений” присутствует в двух экземплярах – итого 23 пары хромосом. Одна хромосома в каждой паре происходит из материнской яйцеклетки, вторая – из отцовского сперматозоида. Такой “удвоенный”, или, как говорят ученые, диплоидный, набор генов также очень важен. Для чего? Все для того же: для сохранения информации. Если в вашей домашней библиотеке есть два разных издания романа Дюма “Три мушкетера” и одно из них ненароком сгрызет кто-нибудь из домашних питомцев, вы все-таки сможете дочитать историю до конца, взяв второе издание. Точно так же и в клетке: дублирование генов увеличивает “запас прочности” и дает возможность противостоять случайностям и повреждениям.

Хотя генетическая информация сохраняется в ДНК, но качество ее хранения зависит от белков, которые занимаются контролем точности копирования (репликации) ДНК при делении и “починкой” генов, если в них случайно появляются ошибки. Эти белки формируют системы, или пути репарации (восстановления) ДНК. Таких систем в клетке около десятка. Белки систем репарации буквально “сканируют” хромосомы, а когда обнаруживают ошибку – неспаренные основания, или разрыв цепочки, или какое-то другое изменение, нарушающее структуру идеальной двойной спирали, – исправляют ее. Устранение повреждений в последовательности приводит к восстановлению структуры ДНК. Контролирующих систем в клетке несколько, и каждая наиболее чувствительна к определенному типу ошибок (неправильное спаривание оснований, одноцепочечный разрыв ДНК, двуцепочечный разрыв и т. д.). Однако частично их функции “перекрываются”, что дает системам репарации возможность замещать и “подстраховывать” друг друга и повышает генетическую стабильность клетки. Повреждение таких белков-контролеров приводит к тому, что нарушения в геноме перестают своевременно устраняться и начинают накапливаться. Именно это наблюдается при некоторых разновидностях рака.

ФАКТ: геном человека неплохо защищен от повреждений. Но никакая биологическая защита не совершенна, и на то есть причины.
Лирическое отступление
Мир РНК

В этой книге мы будем много говорить о генах (ДНК) и белках и очень мало о РНК, ибо “нельзя объять необъятное” и пересказать все открытия молекулярной биологии, сделанные за прошедшие полвека, в одной небольшой книжке. Однако хочется хотя бы в этом “лирическом отступлении” воздать должное и второй нуклеиновой кислоте, тем более что одной из самых красивых молекулярно-биологических гипотез, сформулированных после “Основной догмы молекулярной биологии”, является гипотеза РНК-мира, объясняющая происхождение трех главных типов макромолекул – белков, ДНК и РНК.
Главный “затык” в понимании возможных путей появления жизни (а точнее, еще “преджизни”) на молекулярном уровне долгое время состоял в том, что функции сохранения и реализации генетической информации в современных организмах закреплены за двумя совершенно разными классами макромолекул – белками и ДНК. Однако вероятность того, что в доклеточном органическом “бульоне” могло случайно образоваться так много разных макромолекул, кажется слишком ничтожной, чтобы рассматривать ее всерьез. Гораздо более правдоподобным выглядело предположение, что у истоков “преджизни” находилась какая-то одна группа макромолекул, сочетавшая в себе способность сохранять информацию и реализовывать ее (например, в форме синтеза собственных копий). Но что же это было за вещество?
Поиски “молекулы-предшественницы” заставили ученых обратить внимание на РНК, которая некоторое время оставалась “в тени” двух других, более знаменитых макромолекул. О способности РНК сохранять генетическую информацию стало известно в ходе изучения вирусов. Эта молекула менее стабильна, чем ДНК, но на заре биологической эры быстрая изменчивость (и значит, способность к эволюции) была, вероятно, скорее достоинством, чем недостатком. В 1967 году Карл Вёзе, Фрэнсис Крик и Лесли Орджел впервые выдвинули предположение, что РНК может быть не только хранителем генетической информации, но и молекулой-катализатором, способной ускорять химические реакции. Это предположение основывалось на том, что РНК может образовывать сложную пространственную структуру, больше похожую на структуру белков (многие из которых являются катализаторами), чем на “палочку” идеальной двойной спирали – обычной структуры ДНК. Позднее это предположение было подтверждено экспериментально, и в 1989 году ученые Томас Чек и Сидни Олтмен получили Нобелевскую премию по химии “За обнаружение каталитических свойств РНК”.
РНК-катализаторы получили название “рибозимы”. В рамках исследований, посвященных проверке гипотез о возможном происхождении жизни, ученым удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную копию, что идеально соответствует представлениям ученых о том, как должна была вести себя молекула-предшественница.
Таким образом, согласно современным представлениям, эволюция доклеточного молекулярного бульона протекала следующим образом: каким-то (неизвестным на сегодняшний день) образом из первичного “органического бульона” образовывались нуклеотиды (мономеры – структурные единицы РНК), которые затем соединялись, образуя молекулы РНК. Некоторые из этих случайных макромолекул обладали способностью самовоспроизводиться и начинали эволюционировать, “конкурируя” друг с другом молекулами за ограниченный ресурс нуклеотидов. Постепенно образовались целые ансамбли катализирующих РНК, которые работали согласованно и стали специализироваться по функциям.
Накопление случайных мутаций привело к появлению молекул РНК, катализирующих синтез белков. Белки оказались более эффективными катализаторами, чем “родительские” РНК, и эти мутации закрепились в ходе естественного отбора. С другой стороны, часть молекул РНК утратила гидроксил в сахаре и превратилась в ДНК, оставив себе из всех функций лишь хранение генетической информации. Так, еще задолго до появления первых клеток, зарождался современный биохимический мир, базирующийся на ДНК и белках, в котором РНК утратила свою ведущую роль, но сохранилась, с одной стороны, как молекула-посредник (матричная РНК), а с другой – как регулятор целого ряда важнейших и, вероятно, древнейших процессов, таких, например, как синтез белка. Рибосомы-органеллы, синтезирующие белки, состоят из молекул РНК и белка, но каталитическую функцию, отвечающую за присоединение аминокислотных остатков к растущей белковой цепи, выполняет в них именно РНК.
Последние годы все больше и больше внимания ученые уделяют некодирующим частям генома, о которых вскользь упоминалось выше. Оказалось, что многие из них не такие уж и некодирующие, как считалось раньше. В человеческом геноме было обнаружено множество участков, с которых считывается РНК, но не транслируются белки. Эти нетранслируемые молекулы РНК играют важную роль в регуляции многих клеточных процессов, в том числе и связанных с раком.

Наследственность и изменчивость: Зачем нужны мутации

Как бы сложна и эффективна ни была система защиты человеческого генома, она все-таки не способна полностью обезопасить его от повреждений, хотя значительно снижает вероятность молекулярных ошибок.

Ошибки, а точнее будет сказать, “изменения” в геноме называются мутациями. В соответствии с иерархической структурой генома они могут проявляться на всех его уровнях. Одни мутации затрагивают лишь один или несколько нуклеотидов – молекулярных “букв” генетического алфавита – и называются “точечными”, другие нарушают большие фрагменты генов. Это генные мутации. Третьи повреждают целые хромосомы. Наконец, бывают мутации геномные – изменения числа хромосом в клетке. Одна из таких мутаций – причина синдрома Дауна, при котором в геноме присутствуют не две копии 21 хромосомы, как положено, а три.

Как было сказано выше, наш геном хранит информацию, с одной стороны, об аминокислотной последовательности каждого белка, с другой – об особенностях регуляции его активности. Мутация в кодирующей части гена может привести к изменению структуры белка и повлиять на его способность выполнять свои функции. Классическим примером такой мутации является повреждение белка гемоглобина при серповидноклеточной анемии в результате замены одного аминокислотного остатка. Мутация в регулирующей части генома может привести к тому, что нормальный с точки зрения аминокислотной последовательности белок начнет синтезироваться в количестве большем (или меньшем), чем это необходимо, что также нарушит нормальную жизнедеятельность клетки.

Кроме объема генетического материала, задетого мутацией (один ген или целая хромосома), имеет значение и в какой клетке – соматической или половой – произошло нарушение. Соматические клетки – это все клетки человеческого организма, кроме половых (сперматозоидов и яйцеклеток). Мутация, случившаяся в соматической клетке, затрагивает только ее саму и ее потомков (если эта клетка, несмотря на повреждения, продолжает делиться). Остальные клетки организма останутся здоровыми и могут компенсировать дефекты своей поврежденной соседки. Совсем другое дело, когда мутация важного гена или даже хромосомы присутствует в половых клетках – тогда зародыш, который образуется при участии мутировавшей яйцеклетки или мутировавшего сперматозоида, будет нести это нарушение во всех клетках своего организма (в том числе и в половых). Такие мутации называются генеративными, и именно они ответственны за проявление большинства заболеваний, которые мы называем “наследственными”. Одно из таких заболеваний – гемофилия, болезнь, передающаяся по женской линии (нарушение, приводящее к ней, присутствует в Х-хромосоме). При этой болезни у человека с рождения нарушена свертываемость крови и даже небольшая рана может привести к тому, что он потеряет много крови. От гемофилии страдал сын последнего российского императора царевич Алексей. Дефектную хромосому он, по всей видимости, получил от своей матери Александры, в роду которой неоднократно отмечались случаи этого заболевания.

Накопление мутаций в половых клетках с возрастом приводит к повышенному риску развития генетических аномалий у детей родителей старшего возраста. Причем если раньше акцент делался только на возраст матери, то исследования последних десятилетий показали, что возраст отца также имеет большое значение для формирования здорового зародыша. Социально одобряемая стратегия современного человека отложить рождение детей “на потом” входит в серьезное противоречие с его биологической природой и рано или поздно может обернуться не только медицинскими, но и общественными проблемами.

Мутации соматических клеток при половом размножении не наследуются, вот если бы люди размножались почкованием – тогда другое дело! Впрочем, и соматические мутации, как мы увидим дальше, “безвредны” лишь до какого-то предела. Именно они – основная причина ракового перерождения клеток.

Поскольку в этой книге мы будем говорить, главным образом, о нарушениях генома, приводящих к появлению злокачественных опухолей, у читателя может возникнуть превратное представление, будто всякая мутация – зло. Но это не так. Совсем не так. Мутация – это изменение. А изменения возможны не только к худшему, но и к лучшему. Эволюция конструирует новые виды и совершенствует старые неэкономным, но эффективным методом – проб и ошибок. Чтобы жизнь могла развиваться, живым системам присуща не только наследственность – способность сохранять генетический материал и передавать его потомкам, но и изменчивость – не 100-процентная точность этого сохранения и этой передачи. Мерой изменчивости является частота мутаций. Благодаря ей у потомков могут появиться какие-то новые свойства, которых раньше у вида не было, – более темная кожа, чтобы лучше чувствовать себя в жарком климате, или способность переваривать молоко не только в младенчестве, но и в зрелом возрасте, которая отсутствует у животных, но имеется у большинства людей. Мутационный процесс – это рулетка, но иногда в нее можно выиграть.

Материалом для естественного отбора и эволюции вида служит, прежде всего, изменчивость сперматозоидов и яйцеклеток. Однако, поскольку механизмы защиты генома примерно одинаковы во всех клетках человеческого тела, за возможность эволюционировать нам приходится расплачиваться риском соматических мутаций, и некоторые из них приводят к раку.

В настоящее время считается, что все современное человечество происходит от небольшой группы людей, вышедшей из Африки. Разнообразие типов, которое мы наблюдаем сейчас: светлокожие и темнокожие, высокие и миниатюрные, кудрявые и с гладкими волосами, – результат неравномерного накопления мутаций в разных человеческих группах, плод эволюции. А такие неприятные вещи, как рак и наследственные заболевания, суть “эволюционная плата” позвоночных за достижения – развитие мозга и большую продолжительность жизни, которые тоже когда-то выглядели как “ошибки” относительно более ранних генетических программ наших червеобразных предков.

ФАКТ: в нарушениях генома заложена не только опасность, но и потенциал к развитию. Они – наша “эволюционная плата” за возможность усложнения и эволюционирования. К сожалению, из-за того, что “ломать – не строить”, шанс заполучить вредную мутацию для отдельно взятого человека (или отдельной клетки) гораздо выше, чем вероятность приобрести полезное изменение.