Мятежная клетка. Рак, эволюция и новая наука о жизни

Слежка за клетками

XIX век был захватывающим временем для человека, обладающего микроскопом (и, заметим, в основном это были мужчины). Инструменты и методы микроскопии быстро развивались, включая разработку ярких синтетических красителей, созданных из химикатов каменноугольной смолы. Эти совершенствования позволили зорким ученым «шпионить» за внутренней работой клеток.

Одним из занимавшихся этим делом специалистов стал немецкий биолог Вальтер Флемминг. Его заинтриговало то, каким образом темное вещество, находящееся в сердце каждой клетки и названное им хроматином, впитывает краситель. Анализируя клетки саламандры, он описал то, как хроматин меняет свою форму, превращаясь в длинные нити, когда клетка готовится к делению. Ученый также заметил, что каждая новая клетка в ходе этой процедуры получает равную долю таких нитей. В предложенной Флеммингом терминологии этот процесс был обозначен термином Karyomitosis, а тонкие нити получили название Mitosen. Термин «митоз» применительно к клеточному делению прижился довольно быстро, но броское название «хромосома», обозначающее хрупкие нити ДНК, которые содержат инструкции по жизнедеятельности каждой клетки, придумал другой немецкий ученый, Генрих Вильгельм фон Вальдейер-Харц.

Хотя в то время практически ничего не было известно о ДНК или механизме наследования, любопытный процесс копирования и распределения хроматина показался ученым очень важным. В 1890 году еще один немец, анатом Давид фон Ганземан, сфокусировал внимание – а также свой микроскоп – на странных клетках внутри опухоли, заметив, что для некоторых из них митоз проходит весьма причудливым образом. Когда делится обычная клетка, она устанавливает что-то вроде двух «полюсов» на противоположных своих концах, похожих на Северный и Южный полюсы на глобусе. Затем два идентичных набора хромосом начинают расходиться, тяготея к каждому из «полюсов»: иначе говоря, после того как клетка разделится вдоль «экватора», каждое ее дочернее порождение будет обладать полным набором ДНК. Однако, наблюдая за раковыми клетками, Ганземан заметил, что у них зачастую не два «полюса», а три или даже больше.

Как и следовало ожидать, это создает большую путаницу, поскольку клетке в подобной ситуации требуется разделить два на три. Более того, немецкий ученый заметил, что, даже если раковые клетки «одумываются» и формируют лишь два «полюса», хромосомы не всегда делятся между ними поровну. Ганземан заподозрил, что отмеченный хромосомный дисбаланс и есть ключевой признак рака, – вполне вероятно, это первый этап в развитии опухоли. Более того, он предположил, что раковые клетки, не испытывавшие явных затруднений с митозом, могли иметь какие-то проблемы с хромосомами. Слишком малые размеры последних не позволяли уточнить эту догадку, но в свете последующего открытия генов и мутаций, вызывающих рак, она оказалась удивительно прозорливой.

К сожалению, идеи Ганземана остались практически незамеченными – возможно, из-за того, что в то время все были одержимы идеей о почкующейся бластеме. В итоге в истории генетических исследований рака его имя зачастую оказывается в тени Теодора Бовери, биолога и тоже немца. В 1914 году, когда Европа стояла на грани саморазрушительной войны, он опубликовал небольшую монографию под названием «О происхождении злокачественных опухолей» (Zur Frage der Entstehung maligner Tumoren), в которой изложил свои наблюдения и мысли по поводу странного «танца хромосом» внутри раковых клеток. Большая часть книги представляет собой подробное описание возможных сбоев, сопровождающих оплодотворение яйцеклетки морского ежа – организма, выбранного Бовери для проведения опытов. В этом ряду упоминались лишние сперматозоиды, недостающие хромосомы, множественность «полюсов» и остановка митоза, причем каждый из этих вариантов не предвещал морскому ежу ничего хорошего.

Несмотря на то что Бовери почти не рассматривал раковые клетки обособленно, его заинтриговала взаимосвязь между хромосомным хаосом в яйцеклетках морского ежа и повышенной активностью рака. Он предположил, что клетки опухоли идут вразнос из-за «специфически аномального хромосомного состава», сославшись на Ганземана, первым заявившего об этом. Бовери также высказал предположение о возможном существовании «ингибирующих хромосом», в случае потери которых клетка начинает неконтролируемое деление; иначе говоря, он проницательно предвидел сделанное в будущем открытие генов-супрессоров, тормозящих развитие опухоли. Он также предсказал (или счастливым образом угадал) то, что участки хромосом, отвечающие за определенные свойства, – теперь мы называем их генами, – скорее всего, выстраиваются в хромосоме в определенном порядке. Бовери скончался в 1915 году, спустя год после публикации своей небольшой книги, завещав жене-американке Марселле перевести ее на английский язык и донести изложенные в ней идеи до широкой аудитории.

Мысль о том, что рак является результатом внутренних хромосомных неполадок нормальных клеток, становилась все более популярной в первые десятилетия XX века. Американский патолог Эрнест Тайцзер в 1916 году впервые использовал словосочетание «соматическая мутация»; с его помощью он отстаивал подход, согласно которому опухоли возникают из-за модификаций наследственного материала в обычных (соматических) тканях тела. К 1922 году выдающийся генетик Томас Хант Морган, занимавшийся плодовыми мушками, также поддержал это изобличение дефектных генов, предположив, что «рак возникает в результате повторяющейся соматической мутации определенного гена». Так родилась теория соматических мутаций, которая объясняла рак мутациями в генах обычных клеток, заставлявшими их сбиваться с правильного пути и бесконтрольно воспроизводиться.

На протяжении XX века ученые разбирались в деталях того, как именно все это происходит. Сегодня нам известно, что хромосомы – длинные цепи ДНК, состоящие из четырех химических «строительных блоков» (нуклеотидных оснований), соединяемых воедино в бесконечном разнообразии комбинаций. Гены же представляют собой более короткие участки ДНК, собранные в одной хромосоме. Они являются своеобразными биологическими инструкциями, которые указывают клеткам, как им расти и воспроизводиться, какую работу выполнять в организме и когда умирать. Именно последовательность упомянутых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С) – передает информацию, заключенную в гене, действуя как молекулярный «алфавит», излагающий рецепты жизни.

Человеческий геном – полный набор ДНК, необходимый для создания человека, – содержит 20 000 генов (плюс-минус несколько тысяч^[14]), распределенных по 23 парам хромосом. Тем не менее настоящие гены составляют лишь менее 2 % от общего объема генома. Все остальное в научно-популярной литературе часто называют «мусорной ДНК», хотя технически правильнее говорить о «некодирующей ДНК», поскольку она не содержит зашифрованных генетических инструкций для производства белковых молекул. Некоторые составляющие этого массива содержат в себе около миллиона «переключателей», активирующих и дезактивирующих гены, а также структурные компоненты, требующиеся для поддержания правильного числа и длины хромосом при делении клетки. Существуют участки, состоящие из молекулярных нитей, известных как некодирующие РНК, которые либо сами по себе выполняют важные функции, либо помогают контролировать активность других генов. Кроме того, есть еще и изрядная толика такого генетического «мусора», который на первый взгляд кажется полностью бесполезным, хотя специалисты-генетики горячо обсуждают, до какой степени это предположение верно.

По мере того как мы растем, превращаясь из оплодотворенной яйцеклетки в ребенка, а затем во взрослого человека, тысячи генов должны быть активированы в нужных местах и в нужное время – при наличии того количества воспроизводимых клеток, которое необходимо для формирования и поддержания организма. Поэтому вполне логично ожидать, что любые изменения в «буквенном наборе» этой генетической программы могут вызывать проблемы. «Орфографическая ошибка» в каком-то важном гене способна заставить клетку бесконтрольно воспроизводиться. Или же такой сбой может нарушить инструкцию, которая предписывает клетке умереть, когда она получает повреждение или становится старой. Дальнейшие изменения в других жизненно важных генах ведут к развитию агрессивной и непобедимой опухоли, в конечном счете наделяя некоторые из взбунтовавшихся клеток способностью вырываться на свободу и блуждать по телу.

Такая линия размышлений подвела к идее о том, что рак есть, по сути, заболевание ДНК. Отсюда, в свою очередь, вытекали два логичных вывода. Во-первых, если научиться с точностью выяснять, какие именно неисправные гены и молекулы провоцируют неконтролируемый рост клеток, формируя опухоль, то появляется шанс обзавестись «волшебными пулями», способными их останавливать (к этой мысли мы вернемся позже). Во-вторых, если мы, по идее, должны уметь с точностью устанавливать причину рака, то, отследив те изменения в ДНК (мутации), которые привели к развитию рака у конкретного человека, и определив, что вызвало их, мы, вероятно, сможем разгадывать те или иные биологические загадки.

Если отодвинуть в сторону теории, основанные на черной желчи и божьем гневе, то, по-видимому, самым старым научным исследованием, связывающим тип рака с конкретной причиной, окажется трактат «Предостережения против неумеренного употребления табака» (Cautions Against the Immoderate Use of Snuff), который в 1716 году опубликовал британский врач и ботаник Джон Хилл. На пятидесяти с лишним бросающих в дрожь страницах Хилл описывает вызревание и рост твердых опухолей в носовой полости мужчин, которые нюхали табак, надеясь, что его слова будут «полезны, поскольку подобное злоупотребление чревато представленными заболеваниями».

Еще более объемная работа под названием «Хирургические наблюдения за катарактой, полипом в полости носа и раком мошонки» (Chirurgical Observations Relative to the Cataract, the Polypus of the Nose and Cancer of the Scrotum) была опубликована четырнадцать лет спустя Персивалем Поттом, британским хирургом, проявлявшим пристальный профессиональный интерес к гениталиям несовершеннолетних лондонских трубочистов. Большинство этих брошенных родителями мальчиков, живших в грязи и унижении, отправляли работать в дымоходы либо вообще голыми, либо одетыми в рубашки и брюки свободного кроя. В результате у многих из них развивались болезненные и деструктивные опухоли половых органов, известные под названиями «рак трубочистов» или «эпителиома мошонки».

Потт не только обнаружил, что подобные виды рака поддаются излечению, если провести операцию до того, как болезнь начнет распространяться, но также понял, что болезнь провоцируется сажей, скапливающейся на чумазых мальчишеских яичках. Полученные результаты побудили его развернуть кампанию за улучшение условий труда юных чистильщиков труб, предусматривающее регулярное посещение ими бани и выдачу им обтягивающей защитной одежды, какую носили трубочисты в Германии и других странах. По всей Европе подобные рекомендации служб общественного здравоохранения привели к искоренению этой разновидности рака всего за несколько десятилетий. В Британии, однако, отстаиваемому Поттом улучшению условий труда маленьких трубочистов мешали интересы богатых домовладельцев и страховых компаний, а также бригадиров и прорабов, чей доход зависел от рабского труда мальчиков. Благодаря аргументам о том, что жизнями нескольких бедных детей вполне можно рискнуть ради того, чтобы защитить дымоходы богачей от грязи и пожаров, ужасающие условия работы британских трубочистов и сопряженные с ними тяжкие раковые заболевания сохранялись на протяжении значительной части XIX века.

Лишь в 1930-х годах ученым удалось подтвердить гипотезу Потта: они показали, что нанесение разведенной сажи на выбритую кожу мышей может вызвать образование опухолей. Тем же методом были выявлены канцерогенные свойства ряда вредных химических веществ, включая бензпирен и полициклические ароматические углеводороды. Тот факт, что некоторые из них содержатся также и в табачном дыме, впервые заставил задуматься о том, что популярная привычка, рекламируемая кинозвездами и одобряемая врачами, может оказаться не такой уж и безопасной. Взявшись за ту же проблему с другой стороны, британские ученые Ричард Долл и Остин Брэдфорд Хилл в 1950 году обнародовали результаты обследования более 2000 пациентов, поступивших в двадцать больниц Лондона, которое подтвердило, что у курильщиков гораздо больше шансов обзавестись раком легкого по сравнению с теми, кто не курит, или с людьми с другими типами рака.

Хотя именно Долл и Брэдфорд Хилл сегодня пользуются репутацией ученых, подтвердивших связь между раком легкого и курением, на самом деле ее обнаружили на десять с лишним лет раньше. Тем не менее имелась важная причина, из-за которой эта более ранняя работа, демонстрирующая опасности табакокурения, была проигнорирована, – ее выполнили нацисты.

Ученые, которые в 1930-е годы трудились в управляемом нацистами Йенском университете в Германии, были первыми, кто выявил связь между курением и развитием рака у людей, придумав также термин «пассивное курение». Но, поскольку добытые ими данные были опубликованы на немецком языке в разгар Второй мировой войны, им не уделили почти никакого внимания. Что еще важнее, именно Йена была академической колыбелью аморальной и превратной науки о расах, которая способствовала оформлению евгенической политики нацистов, погубившей миллионы «ненужных» людей, включая евреев, цыган, гомосексуалов, представителей различных этнических меньшинств, а также инвалидов – как детей, так и взрослых. Таким образом, скептицизм, утвердившийся в то время в отношении любого исследования, организованного в этом печально известном университете, был вполне объяснимым; более того, его не могла поколебать даже научная обоснованность результатов. Сам Гитлер, кстати, был фанатичным борцом с курением, что, вероятно, не сильно помогло в деле борьбы против табака.

Иные доказательства, на сей раз уже не имеющие отношения к нацистам, были представлены в 1948 году в статье, которую написал хирург-онколог Виллем Вассинк из больницы Антони ван Левенгука в Амстердаме. В этом материале он показал, что у заядлых курильщиков в двенадцать раз больше шансов заболеть раком легкого, чем у некурящих. Однако из-за того, что его труд вышел на голландском языке, эта информация тоже не попала в англоязычные медицинские учебники. Еще раньше, в 1931 году, аргентинский врач Анхель Роффо обнаружил, что экстракт табачной смолы, нанесенный на уши кроликов, может вызывать рак, в то время как чистый никотин нет. Однако статьи этого специалиста, как и все наиболее актуальное по теме курения, печатались в немецких журналах, и потому англоязычный мир их опять-таки не заметил.

Несмотря на предвзятость медицинского сообщества в отношении всего, что было сделано нацистами и/или не было опубликовано на английском языке, даже британцам Доллу и Брэдфорду Хиллу пришлось изрядно потрудиться, чтобы привлечь внимание к своим открытиям, которые они считали железобетонным доказательством причастности курения к развитию рака легкого. Членство Долла в Коммунистической партии Великобритании считалось достаточным основанием для того, чтобы игнорировать проводимую им работу, несмотря даже на то, что его напарник Брэдфорд Хилл был вполне добропорядочным гражданином с хорошими связями в истеблишменте. Размышляя о том, что могло бы заставить британских врачей сосредоточиться на их разработках, Долл и Брэдфорд Хилл решили, что есть единственный способ: надо было продемонстрировать, что курение убивает и самих медиков, а не только их пациентов.

В 1951 году они привлекли 40 000 врачей к самому амбициозному исследованию, когда-либо проводившемуся до того момента. На протяжении нескольких лет за его участниками наблюдали с целью установить связь между курением и здоровьем. Для того чтобы сделать первые выводы, не пришлось даже ждать окончания программы. Уже к 1954 году цифры четко показывали, что рак легкого у курильщиков встречается в двадцать раз чаще, чем у некурящих. К 1956 году была установлена прочная корреляция курения с целым букетом иных заболеваний, включая инфаркты, хронические болезни легких и рак пищевода. Тем не менее лишь в 1960-х годах введение ограничений на продажу и рекламу табачной продукции ради здоровья нации стали считать хорошей идеей, а продажи табака начали снижаться только с начала 1970-х.

В современную эпоху наши ответы на вопрос о том, чем вызывается рак, подкреплены более подробной информацией. Быстрый поиск в интернете немедленно обнаруживает целый спектр идей на этот счет, от безусловно очевидных до весьма туманных. Курение, плохое питание, наличие вредных химикатов в окружающей среде, ультрафиолетовое излучение солнца, определенные вирусы, наследственные генетические дефекты, шаткая иммунная система и так далее, и так далее – список можно продолжать бесконечно. Кроме того, в СМИ периодически появляются и более необычные «подозреваемые»: среди факторов, которые мне особенно по душе, достойны упоминания занавески для душа, включение света во время ночного похода в туалет и как верх нелепицы – вода. Проект газеты The Daily Mail под названием «Онтология онкологии» (The Daily Mail Oncology Ontology Project) оказался недолговечным блогом, в котором была предпринята попытка каталогизировать страсть газеты к разделению всех неодушевленных предметов на те, которые вызывают рак, и те, которые лечат его. Впрочем, осознав грандиозные масштабы своего замысла, анонимный автор проекта быстро сдался.

Однако, как известно любому хорошему статистику, существование корреляции еще не доказывает наличие причинно-следственной связи: простая фиксация того факта, что многие люди, страдающие одним и тем же видом рака, подвергались одному и тому же виду внешнего воздействия, не означает обнаружения причины их заболевания. В отношении рака выделение какой-то одной причины, вызвавшей болезнь, вообще представляется весьма проблематичным делом. Есть много курильщиков, которых рак миновал, и множество некурящих, которые с ним столкнулись, но цифры все же показывают, что в сопоставлении с некурящими курильщики имеют больше шансов заболеть^[15]. Поэтому о подобных вещах лучше говорить как о «возможных» причинах – или же, подходя к делу сугубо технически, называть их «факторами риска».

Тот или иной фактор можно назвать причиной рака в том случае, если его воздействие повышает вероятность заболеть на фоне прочих равных условий для людей одного возраста. Предложу аналогию: если вы возьмете 2 млн автомобилистов и половину из них, выбранную случайным образом, угостите четырьмя порциями виски, а потом отправите всех на трассу М40 Оксфорд – Лондон, то у вас появятся основания не только держаться подальше от этой автомагистрали, но и ожидать, что больше несчастных случаев произойдет в том сегменте, который отведал спиртного. Вместе с тем вы вполне можете рассчитывать и на то, что многие из нетрезвых водителей все-таки доберутся до столицы невредимыми, а несколько трезвых, напротив, попадут в аварии по каким-то иным причинам.

Тем не менее подобные рассуждения о рисках и вероятностях не удовлетворяют молекулярных биологов, стремящихся точно узнать, как именно те или иные вещи вызывают рак. Если, как утверждает теория соматической мутации, рак возникает из-за поломки определенных генов внутри клеток, то у нас должна быть возможность отыскать следы повреждений, оставленных в геноме провоцирующими его субстанциями. А чтобы сделать это, нам необходимо научиться читать рецептурную книгу жизни.

Читая рецепты

Первый надежный метод чтения последовательностей «букв» (оснований) в цепочке ДНК, известный как секвенирование ДНК, был разработан в конце 1970-х годов британским биохимиком Фредом Сэнгером, чье имя теперь носит одно из научных учреждений Кембриджа^[16], которое стало одним из крупнейших в мире, занимающихся этой процедурой. Первоначальная методика Сэнгера была времязатратной и громоздкой; ее минусом было и то, что она позволяла ученым расшифровать в лучшем случае лишь пару сотен оснований. Поэтому вместо того, чтобы перебирать в поисках злокачественных мутаций все 6 млрд «букв» человеческого генома, ученые решили сосредоточиться лишь на одном гене, TP53, который кодирует активный белок-протектор p53. Эта мощная молекула обычно подавляет развитие рака, запуская программу клеточной смерти, если повреждение ее ДНК невосстановимо. Интересно, что сбои в работе этого гена или в его контрольных механизмах отмечены в большинстве человеческих опухолей.

К 1990-м годам исследователям из США удалось показать, что различным видам рака сопутствуют свои уникальные мутации гена TP53. Появление каждого из этих изменений, скорее всего, обусловливалось разными факторами, причем некоторые из них – например, химические соединения в табачном дыме или ультрафиолетовое излучение солнца – оставляли после себя специфические повреждения ДНК.

Идея о том, что определенные канцерогены^[17] способны оставлять в геноме раковых клеток характерные следы, заинтриговала Майка Стрэттона, молодого генетика, который занимался мутациями в опухолях, поражающих мышцы и другие мягкие ткани (ныне он директор Института Сэнгера). Интересовавший его вопрос звучал так: если эти виновники развития рака оставляют свои «отпечатки пальцев» в TP53, то способны ли они делать то же самое в остальных 19 999 генах или во всей нашей ДНК? К его сожалению, технологии того времени не справлялись с задачей перебора миллиардов нуклеотидных оснований человеческого генома, и поэтому ему пришлось набраться терпения.

Решение пришло пятнадцать лет спустя, когда был освоен метод секвенирования нового поколения: приборы, расшифровывающие последовательность нуклеотидов в ДНК, теперь позволяли ученым перейти от «чтения» сотен оснований за раз к «чтению» тысяч или даже миллионов. Стрэттон сразу понял, что эта технология может перевернуть наши представления о генетических изменениях, претерпеваемых отдельно взятой опухолью. Он мобилизовал весь обширный парк секвенаторов ДНК, имевшихся в Институте Сэнгера, на полнейшую расшифровку каждой «буквы» в ДНК отдельной опухоли.

К 2010 году он и его команда получили первое полное описание ракового генома. Это были подробные карты, показывающие все генетические изменения и мутации, которые сопровождали два отдельных случая онкологического заболевания, первым из которых был рак кожи, а вторым – рак легкого курильщика. Выбор был далеко не случайным: десятки лет наблюдений за населением и лабораторной работы показали, что ультрафиолет выступает, по всей вероятности, самым значительным фактором риска, подталкивающим развитие меланомы, а связь между курением и раком легких также уже не вызывала сомнений, ибо было установлено, что в сигаретном дыме содержится более шестидесяти канцерогенов.

Имея таких «подозреваемых», Стрэттон и его команда располагали отличными шансами найти в геноме четкие «отпечатки пальцев». Однако, хотя они и ожидали увидеть те же разновидности мутаций, которые были обнаружены в первоначальных исследованиях TP53, масштабы открывшегося их взорам геномного вандализма по-настоящему поразили ученых.

Рак легкого проистекал из 23 000 мутаций, 132 из которых поражали гены. Специалистами были зафиксированы сотни небольших участков, которые отсутствовали или дублировались, а также более пятидесяти крупномасштабных перестроек, при которых целые фрагменты одной хромосомы были вырезаны и вставлены в другое место. При этом, как и следовало ожидать, геном нес на себе характерные следы повреждений, связанных с употреблением табака. С меланомой кожи дела обстояли еще хуже: здесь было выявлено более 33 000 одиночных «опечаток», многие из которых обладали классическими признаками повреждений, вызванных ультрафиолетовым облучением, – наряду с тем что обширные участки хромосом были удалены, переставлены и реорганизованы. Сам масштаб мутаций превзошел все, что выявлялось ранее при любом виде рака человека, а полученные результаты служили убедительным доказательством того, что в геноме действительно можно рассмотреть следы определенных канцерогенов.

Стрэттон с коллегами начал расширять зоны поиска, изучая особенности мутаций в опухолях других видов. Однако команда столкнулась с проблемой: при наличии тысяч и тысяч мутаций в типичной опухоли детективная работа заметно осложняется в случае тех раковых заболеваний, для которых, в отличие от рака кожи и рака легкого, нет очевидных «главных подозреваемых». Более того, даже у этих двух видов, которым, как считалось, присущ лишь один ключевой фактор риска, нашлось множество мутационных «отпечатков пальцев», которые нельзя было связать с разрушительным воздействием табака или ультрафиолетового излучения.

Усилия по упорядочиванию мутаций в геноме опухоли можно уподобить работе судмедэксперта, снимающего отпечатки пальцев на месте преступления. Возможно, вам повезет, и вы найдете пару идеальных отпечатков на оконном стекле или на дверной ручке, которые совпадут с отпечатками известного убийцы, хранящимися в вашей базе данных. Однако, скорее всего, вы обнаружите лишь мешанину из отпечатков, оставленных множеством людей, от жертвы и убийцы до полицейских и посторонних. Они будут разбросаны по разным поверхностям, слоями накладываясь друг на друга. И как тут разобраться, что кому принадлежит? И как установить, кто преступник?

К счастью, аспирант Стрэттона Людмил Александров, ныне ставший доцентом в Калифорнийском университете в Сан-Диего, нашел выход из этого затруднения. Он понял, что каждый «отпечаток», оставленный в опухоли той или иной мутацией, можно распознать посредством особого математического метода – так называемого слепого разделения сигнала, ранее использовавшегося для сепарации данных, получаемых из разных источников: например, разбиения единого аудиофайла на отдельные вокальные и инструментальные дорожки.

Алгоритм Александрова позволил выявить двадцать различных мутационных сигнатур из 5 млн мутаций в более чем 7000 опухолей, покрывающих тридцать наиболее распространенных видов рака. Некоторые «отпечатки пальцев» были обнаружены во всех опухолях без исключения, в то время как остальные были характерны лишь для единичных видов. Во всех образцах рака присутствовали по крайней мере две отличительные сигнатуры, а в некоторых их было не менее шести. Через несколько лет это число выросло до тридцати уникальных мутационных «отпечатков», каждый из которых был оставлен различной агентурой. Еще более обширный анализ почти 85 млн мутаций в 25 000 раковых опухолях увеличил число сигнатур до 65, хотя по-настоящему уникальными являются, вероятно, около полусотни из них.

Теперь мы начинаем понимать и механизмы возникновения этих характерных феноменов. Канцерогенные химические вещества вызывают мутации, вступая в непосредственный контакт с определенными основаниями и воздействуя на их форму. Эти изменения нарушают молекулярную основу таких фундаментальных процессов, как копирование ДНК или считывание генов, поэтому их необходимо исправлять, иначе клетка не сможет остаться здоровой и функционировать должным образом. Например, бензпирен (один из основных канцерогенов, содержащихся в табачном дыме) и афлатоксин (вызывающее рак химическое вещество, вырабатываемое некоторыми плесневыми грибами) обыкновенно связываются с гуанином (G). Однако каждое из этих повреждений так или иначе устраняется, оставляя характерные изменения в последовательности ДНК.

Напротив, ультрафиолетовое излучение ведет к мутациям, заставляя связываться друг с другом соседние цитозины (C). Эта необычная форма воспринимается при копировании ДНК как пара тиминов (T), что приводит к устойчивому изменению последовательности ДНК на этом участке. Аристолохиевая кислота – химическое вещество, найденное в растениях семейства Aristolochia (кирказоновые)^[18], – оставляет другой след, меняя последовательность в паре аденин – тимин (AT) на противоположную – тимин – аденин (TA). Любопытно, что бензпирен оставляет свои вредоносные «отпечатки пальцев» только в случаях онкологических заболеваний, связанных с курением, таких как рак легкого и рак гортани: эти ткани непосредственно подвергаются воздействию дыма. Однако благодаря крупномасштабным популяционным исследованиям нам известно, что курение повышает риск развития и нескольких других видов рака, включая рак мочевого пузыря, поджелудочной железы и почек: следовательно, здесь должен действовать еще какой-то механизм. Команда Сэнгера также выявила новые загадочные сигнатуры во всех видах рака, связанных с курением: их «отпечатки» отличались от следов, оставленных бензпиреном. Вероятно, это и есть второй «виновник», стоящий за онкологическими заболеваниями курильщиков, хотя его «личность» в настоящее время еще не установлена.

Возможно, у нас возникнет желание сосредоточиться на внешних причинах рака, в особенности на вредных химических веществах, курении и радиации, но при этом нельзя забывать, что многие мутационные процессы, оставляющие свой след в геноме, являются биологическим эквивалентом «внутреннего пособничества». Механизмы жизни в лучшем случае несовершенны, и каждый раз, когда в клетке происходит «ремонт» или копирование ДНК, сохраняется риск случайной ошибки. Шансы на такой исход резко возрастают, если восстановление или копирование обременены какими-то унаследованными или спонтанными мутациями, затрагивающими компоненты молекулярной механики.

Любая клеточная активность оставляет тот или иной различимый «отпечаток пальца». Например, существует мутация биологических часов, при которой цитозин заменяется на тимин из-за неправильной репарации 5-метилцитозина, молекулярной метки, которая присоединена к ДНК в рамках обычной генетической регуляции. Этот паттерн можно использовать как биологический индикатор возраста, потому что эти конкретные мутации накапливаются с течением времени. Другой явный след оставляют проблемы с «починкой» ДНК, что приводит к появлению наследуемых дефектных генов BRCA1 и BRCA2, часто встречающихся при раке молочной железы, поджелудочной железы и яичников.

Генетические сигнатуры, возникающие из-за проблем с тем типом восстановления ДНК, который известен как репарация ошибок спаривания нуклеотидов, обнаруживаются в 17 видах рака, чаще всего затрагивающих кишечник и матку. Многие виды рака крови содержат «отпечатки пальцев», оставленные сбоями в процессах удаления и вставки нуклеотидных оснований, которые предназначены для создания защитных антител, необходимых для иммунной системы. Нарушение работы определенного фермента, участвующего в создании копии ДНК и называемого POLE, испещряет геном множественными и характерными мутациями, отмеченными по крайней мере в шести видах рака. Наконец, существуют еще и загадочные гены-«мутаторы», известные как белки APOBEC, которые обычно защищают наши клетки от вирусов, нарушая структуру их ДНК. Майк Стрэттон и его команда обнаружили «следы» деятельности APOBEC-ферментов более чем в 20 видах рака, особенно в опухолях шейки матки и мочевого пузыря. При этом у ученых нет ни малейшего представления о том, что заставляет этот фермент вдруг направлять свою активность на ДНК человека, а не вируса.