Процесс накопления мутаций в нормальных тканях организма на протяжении жизни, а также их связь с возникновением раковых опухолей, пока изучены недостаточно. Две группы исследователей из Великобритании и Японии провели детальный анализ структуры генов, которые считаются ассоциированными с раком эпителия пищевода, у людей разного возраста. Результаты обеих работ хорошо согласуются друг с другом. Оказалось, что вследствие естественных ошибок при репликации ДНК в тканях пищевода с возрастом возникает всё больше мутаций, причем даже у здоровых людей в основном они были сосредоточены в самых «онкогенных» генах. По-видимому, важно, что наборы мутаций в здоровых тканях сильно отличаются от наборов, характерных для раковых заболеваний. Полученные результаты — это только первые попытки разобраться в этих процессах.
Рис. 1. Накопление мутаций в эпителии пищевода по мере старения. Вверху — общая схема процесса. В нормальном эпителии пищевода на протяжении жизни накапливаются мутации, но они не обязательно вызывают рак. Мутации возникают из-за естественных причин — ошибок при репликации ДНК, а также под воздействием внешних факторов (алкоголь, курение, очень горячая пища и напитки). Плоскоклеточная карцинома развивается под действием дополнительных факторов (новые мутации, слабость иммунной системы, изменения в микроокружении и т. д.). Esophageal lumen — просвет пищевода, Mucous — слизистая оболочка пищевода. Внизу — стадии молекулярной эволюции эпителия пищевода: a — у молодых здоровых людей в эпителии пищевода мало клеток с мутациями, ассоциированными с раком, и их клонов (зеленые), b — у пожилых здоровых людей намного больше мутантных клеток и их клонов, c — дополнительные мутации (здесь — наиболее частая из них, происходящая в гене ТР53) или внешние факторы могут привести к возникновению злокачественной опухоли.
На протяжении всей жизни многоклеточного организма многим его клеткам приходится делиться: сначала — чтобы из зародыша развился полноценный эмбрион со всеми необходимыми тканями, затем, уже после рождения, ткани и органы должны развиваться, а взрослому организму надо их поддерживать в исправном состоянии. При каждом делении ДНК материнской клетки передается дочерним клеткам. В идеале каждая из них должна получить по одной точной копии всех молекул ДНК, которые были у материнской клетки. «Раздвоение» молекул ДНК происходит в процессе репликации.
Проблема в том, что системы репликации клеточного генома могут иногда ошибаться, то есть изменять последовательность нуклеотидов ДНК. Если такая ошибка случилась достаточно рано при развитии эмбриона и не привела к каким-то радикальным последствиям вроде смерти, она будет унаследована многими клетками и тканями организма. Но ошибки возникают и в делящихся клетках взрослого организма: если это произошло в клетке какого-нибудь органа или ткани и клетка с ошибкой смогла продолжить делиться, то дальше в этом органе появится популяция клеток с той же ошибкой. Можно сказать, что ткани — как здоровые, так и уже переродившиеся в раковые опухоли — претерпевают молекулярную эволюцию.
Молекулярная эволюция раковых опухолей изучается довольно давно и во многих случаях прослежена иерархия возникающих в них мутаций. При этом молекулярная эволюция нормальных тканей, в том числе и пути, приводящие к их перерождению, неконтролируемому делению и превращению в раковые опухоли, изучена слабо. Например, известно, что во многих случаях мутации в ткани, хоть и копятся постепенно, не приводят к развитию онкологических заболеваний. Но чем определяется тот или иной исход такой эволюции — пока непонятно. Некоторое время назад в журналах Nature и Science вышли статьи двух научных групп, которые существенно продвигают наши познания в этой области.
Исследователи из нескольких английских научных учреждений, чья статья была опубликована в журнале Science, работали с образцами эпителия, взятыми из верхней области пищевода девяти скончавшихся человек, завещавших свои органы для исследований и трансплантации. В исследовании участвовали 3 женщины и 6 мужчин, возрастом (на момент смерти) от 20 до 75 лет. У них были разные сочетания вредных привычек (курение, употребление алкоголя) или их отсутствия, но ни у кого не было онкологических проблем. Всего было использовано 844 образца эпителия.
Ученые секвенировали 74 гена, которые чаще всего ассоциируются с различными типами рака (то есть это гены, связь которых с онкогенезом либо доказана, либо подозревается). Для 21 образца этим не ограничились и геном был секвенирован полностью. Ранее были получены данные об очень частых мутациях в клетках кожи, но в тканях пищевода, по-видимому, ситуация другая: в изученных образцах эпителия пищевода мутации возникают в 10 раз реже. Это, вероятно, связано с тем, что кожа подвергается гораздо более сильному воздействию мутагенных факторов (особенно — ультрафиолетовому облучению). При этом, — и это совершенно неожиданно, — оказалось, что в эпителии пищевода гораздо более высокая доля мутаций в генах, ассоциированных с раком. Более того, по крайней мере часть из этих мутантных генов обеспечивала клеткам позитивную селекцию: в таких клетках активизировались программы деления, что приводило к формированию в эпителии «колоний» клонов, несущих эти мутации. Однако гистологические исследования не выявили каких-либо заметных отличий морфологии мутантных клеток от нормальных, раковыми они не становились. Наконец, в изученных образцах от молодых доноров наблюдалось намного меньше мутаций, чем в образцах от пожилых людей, — тут никаких неожиданностей не было (рис. 2).
Рис. 2. Условные карты мутаций клеток пищевода участвовавших в исследовании доноров. В каждом квадрате представлены семейства клонов клеток с мутациями в определенном гене (разные гены обозначены разными цветами): каждое семейство показано одним кругом, площадь которого отражает площадь поверхности, занимаемую этим семейством в исследованных образцах (вложенные круги соответствуют подсемействам). Весь квадрат соответствует площади 1 см2.
Из проверенных потенциальных онкогенов самым часто мутирующим в здоровом эпителии оказался NOTCH1. Этот ген кодирует один из трансмембранных рецепторных белков и считается ассоциированным с некоторыми видами рака, в том числе и с плоскоклеточной карциномой пищевода (oesophageal squamous cell carcinoma, OSCC) — самым распространенным видом рака пищевода в Южной Америке и Азии, но при этом сравнительно редким в Европе и Северной Америке. Показано, что одни из основных факторов риска для него — употребление алкоголя и курение. Из предыдущих исследований следует, что мутации в NOTCH1 наблюдаются примерно в 10% случаев этого вида рака.
В изученных образцах эпителия пищевода наблюдалось в среднем 120 различных мутаций NOTCH1 в пересчете на квадратный сантиметр (рис. 3). У пожилых людей частота мутаций в этом гене была заметно выше, чем у молодых. Но вот что важно: было обнаружено сравнительно мало сопутствующих мутаций в гене TP53 (которые обнаруживаются более чем в 90% опухолей OSCC): их было примерно в 10 раз меньше, чем в среднем в клетках раковых опухолей. Также было найдено сравнительно мало аномалий структуры хромосом (это признак злокачественности клеток, типичный для клеток OSCC и многих других раков).
Рис. 3. Частота мутаций в 14 генах, ассоциированных с раком, в эпителии пищевода. Приведено общее количество мутаций и количество мутаций на см2. Synonymous — синонимические мутации, Missense — миссенс-мутации, Nonsense — нонсенс-мутации, терминирующие трансляцию мРНК, Splice — нарушения сплайсинга, Indels — прочие мутации.
В общем полученные в этой работе результаты показали, что в здоровом пищеводе мутации накапливаются главным образом вследствие нормальных физиологических процессов, ошибок при репликации ДНК и что они совсем не обязательно приводят к раку. Чтобы развился рак, этот процесс должен зайти дальше: происходят дополнительные мутации, нарушается контроль репликации генома, возникают хромосомные аномалии. Этому может способствовать дополнительное воздействие внешних канцерогенов.
Вторую работу, опубликованную в журнале Nature, выполнила большая группа ученых из нескольких научных организаций Японии. Они работали с образцами эпителия пищевода, взятыми у 139 человек (всего было изучено 682 образца), среди которых у 95 были онкологические проблемы с пищеводом (OSCC или предраковое состояние), а 44 были здоровыми. Среди участников исследования (как и в первой работе) были люди как с вредными привычками, так и без них. У больных образцы эпителия брались из участков пищевода, которые не были поражены опухолью.
Мутации искали с помощью полного секвенирования генома или секвенирования кодирующих последовательностей. Было идентифицировано 24 гена, которые мутируют чаще всего. Так же, как в работе британских ученых, было показано, что в здоровом эпителии чаще всего мутирует ген NOTCH1, а в опухолях — ТР53.
Частота мутаций у японцев также возрастала с возрастом и при нездоровом образе жизни (регулярное курение, потребление алкоголя, очень горячей пищи и напитков). Как и в первой работе, частота хромосомных аномалий в здоровом эпителии была незначительной в отличие от OSCC. Примечательно, что авторам удалось показать, что ген PAX9, кодирующий один из факторов транскрипции, достаточно часто мутирует в нормальном эпителии, но не в опухолях OSCC. А у одного из японцев мутация в гене ТР53 произошла еще в детстве, но он дожил до 70 лет без признаков OSCC (при этом клоны клетки с этой мутацией разрослись на площадь 7 мм2). Японские ученые также пришли к выводу, что одних только мутаций отдельных генов, ассоциированных с раком, в эпителии пищевода для развития OSCC недостаточно.
В обсуждаемых исследованиях впервые получено достаточно детальное описание молекулярной эволюции конкретной ткани (эпителия пищевода) человека с возрастом. Показано, что новые мутации постоянно возникают, большинство из них нейтральны — не вредны и не полезны. Чаще всего мутации происходят в генах, ассоциированных с раком, хотя при этом вовсе не обязательно, что рак развивается. Клетки с такими мутациями остаются нормальными, но могут получить преимущества перед соседями, в результате чего их клоны могут заполонить значительный участок стенки пищевода. Экспансия клонов мутантных клеток эпителия пищевода сама по себе рака не вызывает, но без нее, судя по всему, раковая опухоль не разовьется — для этого должны произойти еще какие-то события, например, дополнительные мутации, ослабляющие защитные механизмы клетки.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
