Когда говорят о естественном отборе, на ум приходят особи и виды: более или менее приспособленные. Но, как показывает Кэт Арни в "Мятежной клетке: Раке, эволюции и новой науке о жизни", отбор действует и внутри организма, так что для опухоли можно построить генеалогическое древо. Во многом поэтому рак на поздних стадиях лечится с огромным трудом: даже если терапия подействует на часть клеток, их "кузены" могут обладать спасительными мутациями.
Добро пожаловать в мир резистентности
Ежегодно в научных журналах публикуются тысячи статей, в которых подробно описываются плоды труда международного сообщества ученых, занимающихся проблемами рака. Большинство из этих текстов довольно заурядны: они раздвигают границы науки лишь на несколько миллиметров за раз. Однако в марте 2012 года в профессиональном издании The New England Journal of Medicine появилась статья, резко выделявшаяся из общего ряда. Она вышла из-под пера профессора Чарльза Свэнтона из Лондонского исследовательского института по изучению рака (ныне часть Института Фрэнсиса Крика) — амбициозного врача, который стал ученым, сумев обеспечить себе полезную комбинацию двух вещей: доступа к онкобольным и умения пользоваться новейшими секвенаторами ДНК.
К тому моменту масштабные исследования уже выявили широчайшее генетическое разнообразие опухолей, поражающих различных людей; они указывали на то, что универсальные протоколы лечения, предлагающие всем больным одно и то же, должны уступить методам таргетной терапии, основанным на генетических особенностях конкретного пациента. Это действительно имеет смысл: ведь теперь мы знаем, что каждый случай рака — самостоятельное эволюционное событие с собственным уникальным набором случайных мутаций. Но такой подход исходил из предпосылки, согласно которой все клетки одной опухоли фактически одинаковы, поскольку несут в себе один и тот же мутационный набор, заданный генетической лотереей. Отчасти это было обусловлено ограничениями, которые накладывались методами секвенирования ДНК, используемыми в то время: для анализа тогда требовались относительно большие объемы исходного материала, извлекаемого из крупных фрагментов опухоли или из миллиардов клеток, выращенных в лаборатории, причем все это основательно перемешивалось в пробирке.
По мере того как методики становились более чувствительными, картина усложнялась. В 2006 году ученые, искавшие измененную версию драйверного ракового гена EGFR, который наделяет клетки устойчивостью к определенному таргетному лечению, обнаружили, что небольшая часть клеток опухоли в легком несет в себе мутацию резистентности еще до начала лечения. Еще через пару лет специалисты показали, что внешне идентичные лейкозные клетки, находящиеся в кровотоке, четко делятся на особые группы на основе определенных генетических маркеров.
К 2010 году ученые обнаружили, что вторичные опухоли, которые распространялись после первичного рака поджелудочной железы, были генетически связаны с популяцией-основательницей, но при этом обогатились множеством новых мутаций, подхваченных на своем метастатическом пути. Затем, в 2011-м, группа китайских специалистов выявила различия в наборе мутировавших драйверных генов, найденных в соседних срезах одной и той же большой опухоли печени. В том же году ученые из Нью-Йорка разделили мелкий кусочек опухоли молочной железы на сотню отдельных клеток и секвенировали ДНК каждой из них. Оказалось, что клеточный массив распадается на три отдельные, но связанные "родственные" группы, каждая из которых обладает собственной уникальной комбинацией генетических достоинств и недостатков.
В итоге начали вырисовываться очертания довольно тревожной картины. Получалось так, что каждая опухоль представляет собой мозаику связанных между собой, но генетически различных кластеров клеток (клонов); некоторые из них несут мутации, обусловливавшие метастазирование или резистентность. Однако, хотя все эти исследования были очень информативными, ни одно из них так и не смогло пролить свет на генетическое разнообразие, проявляющееся в конкретных опухолях, а также на то, как подобные клоны возникали или развивались.
А потом появился Иви.
Врачебная тайна не позволяет нам узнать имя или пол пациента, но Иви, пациент EV-001, распахнул окно в те задворки ракового мира, которые раньше никогда не открывались нашему взору. У больного была диагностирована большая опухоль, почти целиком охватившая одну почку и перекинувшаяся на вторую. Легкие Иви были испещрены метастазами, а в грудной клетке обосновалось еще одно, особенно крупное новообразование. Хирургическое вмешательство казалось наилучшим вариантом лечения, хотя перспектива выглядела не слишком обнадеживающей. Однако, прежде чем лечь под нож, пациент решил добровольно принять участие в клинических испытаниях, чтобы проверить, сумеет ли шестинедельный курс препарата "Афинитор" (эверолимус) сократить объемы опухолей и облегчить их удаление, а также помочь с дальнейшим лечением в случае успеха.
Пока Иви делали операцию, Свэнтон и его коллеги собрали опухоли и разделили их на части: большую и основную — на девять частей, а одну из грудной клетки — на две части. Небольшую вторичную опухоль почки было решено сохранить целиком для лучшего сравнения. Затем они потратили три года на детальнейший анализ ДНК каждого сегмента, составляя подробный каталог генетических изменений, которые удалось найти. Результаты были поразительными и сбивающими с толку: несмотря на то что все образцы были явно связаны между собой и имели ряд общих мутаций, среди них не нашлось даже двух генетически идентичных — причем и тогда, когда речь шла о клеточных скоплениях, находящихся рядом друг с другом. Более того, отдаленные и вторичные опухоли значительно отличались от первоначального рака, их породившего. На следующем этапе предстояло выяснить, как все эти кластеры клеток связаны между собой: это позволило бы восстановить тот эволюционный путь, который они прошли.
Поясню, как исследователи сделали это. Представьте себе, что вы рассматриваете фотографию, на которой представлены все члены чрезвычайно большой и весьма странной семьи из какой-то далекой страны. Во-первых, вы замечаете, что у каждого из них ярко-синие волосы, в то время как у всех остальных обитателей тех краев они темные. Из этого наблюдения следует, что изменение гена, отвечающего за синий цвет волос, должно было произойти очень давно и стало, вероятно, первой особенностью, выделившей эту необычную группу из всех остальных.
Затем вы замечаете, что примерно у половины членов семейства по шесть пальцев на каждой руке, в то время как у другой половины их по пять. Это генетическое изменение, скорее всего, произошло уже после смены цвета волос, но все равно достаточно рано — на том этапе, когда семья еще оставалась немногочисленной: одна ее половина получила мутацию, отвечающую за шесть пальцев, и поэтому все соответствующие потомки тоже унаследуют ее, а с другой половиной ничего подобного не произошло.
Наконец, вы видите, что у всех членов семьи глаза разного цвета — красные, желтые, зеленые, фиолетовые и так далее, а кроме того, все они наделены множеством других уникальных черт. Этот последний набор генных изменений сложился, вероятно, не так давно, поскольку они специфичны для каждого и не распространяются на всю группу.
Этой информации достаточно, чтобы специалист по генеалогии смог построить семейное древо, показывающее, как фамилия со временем разделялась и менялась, а также проясняющее взаимосвязи основных генетических дефектов: сначала в клане отца-основателя изменился ген, отвечающий за цвет волос, затем ген, определяющий число пальцев, а в заключение ген, задающий цвет глаз и прочие особенности. Применив тот же принцип к генетическим данным, собранным из всех маленьких фрагментов опухоли Иви, Свэнтон смог составить генеалогическое древо для различных клонов клеток, изобразив каждое новое генетическое изменение в виде ветки, обособляющейся от исходного ствола. Многочисленные образцы, полученные еще от трех пациентов, участвовавших в эксперименте, подтвердили, что увиденное было правдой: все опухоли действительно состояли из связанных между собой, но разных клонов, в каждом из которых имелись как общие, так и уникальные драйверные мутации.
Изящно выписанные образцы генеалогического древа, представленные в итоговой статье в The New England Journal of Medicine, выглядят до боли знакомыми: они чрезвычайно напоминают аналогичные рисунки, выполненные почти двумя столетиями ранее другим ученым. Причем в силу какой-то поразительной научной синхронистичности того исследователя тоже звали Чарльз.
Однажды в 1837 году Чарльз Дарвин, естествоиспытатель, увлекавшийся усоногими раками и игрой на фаготе*, открыл чистую страницу в своей записной книжке и написал два слова: "Я думаю". Под этими словами он изобразил свое видение того, как выглядит древо жизни, где ветки новых видов, адаптирующихся и меняющихся с течением времени, отходят от ветвей старых и вымирающих видов. Эта простая концепция легла в основание его теории эволюции путем естественного отбора, обнародованной в 1859 году после длительной прокрастинации исследователя. Свидетельства, полученные с тех пор из всех областей науки, от геологии до генетики, подтверждают его предположение о том, что именно эволюция лежит в основе разнообразия жизни на Земле.
Дарвин был очарован дождевыми червями на протяжении многих десятилетий своей жизни, и его последняя книга, опубликованная за полгода до смерти, была трактатом об их поведении. Чтобы проверить, способны ли черви слышать, он подвергал их мощному шумовому воздействию: сам Дарвин дул в жестяной свисток, а его сын громко играл на фаготе, перемежая исполнение громкими криками и стукам по клавишам фортепьяно. В итоге Дарвин пришел к выводу о том, что, хотя черви чувствуют вибрации воздуха, восприятие музыкальных талантов членов его семьи для подопытных недоступно.
Эволюция разворачивалась на нашей планете в течение 4 млрд лет, заставляя организмы приспосабливаться к окружающей среде повсюду, от мутных океанов до захватывающих дух горных вершин. Случайные генетические изменения, происходящие либо из-за смещений и выпадений фрагментов ДНК при копировании и делении клетки, либо под воздействием внешних факторов, подобных радиации и химикатам, вели к тому, что виды с течением времени понемногу меняли свои характеристики. В большинстве своем эти изменения оказывались либо вредными, либо вообще неощутимыми, однако какая-то ничтожная их часть превращалась в счастливый биологический бонус: в своего рода "настройку", которая делала ее обладателя чуточку больше, сильнее, меньше, умнее, крепче, полосатее или пятнистее, чем остальные особи того же вида.
Наделенный этими изменениями счастливец получал преимущества перед лицом угроз, исходящих от хищников, нехватки пищи, ограниченности пространства, изменений климата или любого другого селективного давления, которое можно вообразить. В результате у этих слегка усовершенствованных животных, растений или микроорганизмов появлялось чуть больше шансов произвести потомство, передав ему свой полезный генетический арсенал. Представим, что такое повторялось на протяжении миллионов лет, — и вот теперь мы живем на планете, мозаично заселенной видами, которые в большей или меньшей степени родственны друг другу. Причем у каждого из них можно проследить генетические корни до общего предка, жившего 4 млрд лет назад, — до упомянутой выше клетки LUCA.
В той же мере, в какой выводы Чарльза Дарвина о происхождении видов были неопровержимо неизбежными: организмы адаптируются и меняются, реагируя на селективное давление, результаты Чарльза Свэнтона говорят о том, что раковые образования в живом теле ведут себя точно так же. Многочисленную популяцию генетически испорченных и быстро воспроизводящихся раковых клеток можно уподобить микрокосму эволюции, где каждый сегмент клеток проживает самобытную историю в духе детских книг-игр "Выбери свое приключение". Вторичные опухоли — это более дальние родственники, со своим набором молекулярных причуд и недостатков. Но все эти клоны произошли от одной и той же клетки-основательницы, накапливая различия по мере развития болезни, мутируя и меняясь.
Прежде чем у вас сложится впечатление, что рак — исключительно нарушение в генах и генетике, стоит обратить внимание на эпигенетику, отвечающую за вторую часть уравнения "природа плюс воспитание". Наш геном наполнен всевозможными молекулярными метками и этикетками, известными как эпигенетические модификации, которые нелегко обнаружить с помощью обычных методов секвенирования ДНК. Подобно закладкам, помещенным в кулинарную книгу, чтобы отметить любимые рецепты, эти модификации отмечают паттерны генной активности, проявляющиеся в ответ на изменения среды — как внутренней, так и внешней, включая диету, стресс, нагрузки и все остальное. Многие из этих модификаций, присутствуя в опухолях, будут, вероятно, помогать раковым клеткам адаптироваться к влияющим на них изменениям, активируя и инактивируя гены, делая необязательным накопление мутаций. К примеру, жизненно важный ген восстановления ДНК, называемый MLH1, прекращает свою работу при некоторых раковых заболеваниях кишечника в ответ на низкий уровень кислорода, причем это изменение обнаруживается лишь в том случае, если мы ищем новшества в эпигенетических метках вокруг гена, отвлекаясь от глубинных мутаций, которые можно было бы зафиксировать благодаря секвенированию ДНК.
Любая технология, нацеленная на поиск мутаций в опухоли и полагающаяся исключительно на смешение крупных фрагментов ткани, упускает из виду все это изысканное многообразие — примерно то же самое происходит, когда вы, взбивая смузи из двадцати видов фруктов, включая целый ананас, наивно надеетесь различить в готовой смеси тонкий вкус добавленной в нее одной-единственной ягодки черники. Это особенно актуально, когда речь идет о небольших скоплениях клеток, несущих мутации, которые делают их устойчивыми к лечению: поначалу это может быть неочевидным, но в дальнейшем окажется смертельным.
Ученые называют эту мутационную мозаику "неоднородностью опухоли", и она многое способна сказать о том, как на базовом генетическом уровне зарождался и менялся с течением времени тот или иной рак. В мировом масштабе эволюция привела к великолепному многообразию видов на Земле. Однако генетическое разнообразие, фиксируемое внутри опухолей, — это серьезная проблема, ибо именно из-за него лечение запущенных случаев рака чаще всего терпит неудачу. Ведь в природе генетическая изменчивость организмов в рамках вида означает, что в нем всегда найдутся несколько выносливых особей, которые смогут адаптироваться и выживать даже в предельно суровых условиях.
При раке натиск лучевой терапии, химиотерапии или молекулярных таргетных препаратов действует как селективное давление, которое отсеивает чувствительные клетки и уничтожает их. Тем не менее после всех процедур, скорее всего, останется несколько очагов резистентных клеток, которые вновь начнут расти. И это нельзя назвать провалом лечения: это, скорее, эволюция в действии. Та же особенность, которая обеспечила цветущее биоразнообразие на Земле, одновременно является своего рода "багом" в системе жизни. Злодей из комиксов выходит из ядовитого болота, став в десять раз могущественнее и в два раза свирепее; с онкологическими заболеваниями то же самое — что не убивает рак, то делает его сильнее.