Клетка-предатель. Откуда взялся рак и почему его так трудно вылечить

Афина Актипис

Клетка-предатель. Откуда взялся рак и почему его так трудно вылечить

Посвящается всем прекрасным монстрам, что жили до нас

Athena Aktipis

THE CHEATING CELL: How Evolution Helps Us Understand and Treat Cancer

© Copyright 2020 Princeton University Press All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher

© Иван Чорный, перевод на русский язык, 2021

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Благодарности

Эта книга – результат многих поздних бесед за кухонным столом, обедов в плохо освещенных переговорных, кофе-брейков в подвале, посиделок на веранде и записей в тетради, сделанных на галерке во время научных встреч под прекрасные выступления моих блестящих коллег. Я благодарна многочисленным коллегам и друзьям, которые делились со мной своими соображениями на протяжении десятилетий, внося свой вклад в идеи, которые легли в основу книги. Было бы нереально поблагодарить каждого из них: у меня состоялись буквально сотни разговоров, которые сформировали мое мышление и идеи для этой книги, и я благодарна каждому, кто поделился со мной своими размышлениями. Спасибо вам. И примите мои извинения за то, что не могу назвать здесь каждого из вас по имени.

Я особенно благодарна своим коллегам, друзьям и студентам, которые нашли время прочитать черновики этой книги и высказать свое мнение: Джессике Айерс, Дэвиду Буссу, Ли Кронку, Полин Дэвис, Марку Флинну, Рику Гросбергу, Майклу Хечтеру, Стеффи Капсетаки, Джозефу Мамоле, Пранаву Менону, Ане Плутынски, Памеле Уинфри и всем студентам весеннего курса Карло Малея по эволюции рака 2018 года. Самая особая благодарность Эндрю Риду за то, что он не только прочитал рукопись, но и дал на нее необычайно подробные, вдумчивые и ценные комментарии. Спасибо также Закари Шафферу, Бобу Гатенби, Эми Бодди и многим другим коллегам, которые переписывались со мной во время написания этой книги, отвечали на вопросы и давали полезные советы.

Спасибо сотрудникам издательства Princeton University Press, в особенности моему редактору Элисон Калетт, предоставившей в идеально мотивирующей пропорции моральную поддержку и объективные замечания. Спасибо также моему научному редактору Джейн Ху за полезные замечания, советы по редактированию и поддержку на самых сложных этапах написания книги. Я в огромном долгу перед Амандой Мун, чей наметанный редакторский глаз помог значительно улучшить окончательный вариант рукописи. Спасибо двум анонимным рецензентам и Джеймсу Дегрегори за вдумчивые и подробные комментарии к рукописи. Благодарю моего преданного ассистента Николь Хадсон, безустанно работавшую над сносками, окончательным оформлением и получением разрешений на ряд используемых в издании изображений. Особая благодарность моему старшему лаборанту Кристине Бачиу за огромную помощь на всех этапах создания книги, от первоначальных исследований до окончательного оформления, и особенно за заботу о моей лаборатории, пока все мое внимание было сосредоточено на рукописи. Кристина, спасибо тебе за преданность, поддержку и невероятную отзывчивость. Мне необыкновенно повезло, что эту книгу проиллюстрировал талантливый Алекс Каган. Спасибо, Алекс, за внимание к деталям, терпение и терпимость к моей невероятной (по общему признанию) придирчивости.

Я не смогла бы написать эту работу без поддержки многочисленных университетов, институтов и других организаций, где я работала в процессе написания этой книги. Она была задумана во время замечательного года в Wissenschaftskolleg zu Berlin (Институт перспективных исследований в Берлине) в рабочей группе по эволюции рака. Спасибо моим коллегам из этой группы, а также всем остальным научным сотрудникам 2013/2014 учебного года, сформировавшим невероятную интеллектуальную среду, особенно покойному Полу Робертсону. Спасибо тебе, Пол, за чудесные завтраки, во время которых мы обсуждали многие из идей, положенных в основу книги. Ты был мне и дорогим другом, и самым ценным коллегой. Благодарю членов Международного общества изучения эволюции, экологии и рака, создавшим превосходные условия для работы над книгой. Сердечное спасибо сотрудникам кофеен Berdena’s и Firecreek Coffe, которые поддерживали у меня в крови идеальный уровень кофеина, пока я писала черновики, а потом неоднократно их редактировала.

Большую часть этой книги я написала, работая доцентом кафедры психологии Университета штата Аризона (США). Спасибо моим коллегам по университету за поддержку. Особая благодарность бывшему заведующему моей кафедры Киту Крнику и нынешнему ее руководителю Стиву Нойбергу за помощь в создании книги и всестороннюю поддержку моей междисциплинарной исследовательской программы. Благодарю ректора УША Майкла Кроу за поддержку и формирование междисциплинарной среды, которая принесла мне больше пользы, чем я могла себе представить.

Чудо, что на протяжении жизни меня окружали многочисленные учителя и наставники, которые обучали, направляли и давали советы по развитию научной карьеры. Спасибо моим учителям из средней школы Уиллоубрука, в особенности Уиллу Нифонгу (открывшему всю красоту языка), Вики Эдвардс (обучившей писать), Джой Джойс (показавшей важность экономического анализа в любой области), Джону Мостаччи (вдохновившим меня на научные исследования) и Эду Раддацу (научившему применять теоретические знания в реальных задачах). Спасибо преподавателям в колледже Рида, особенно научным руководителям Аллену Нейрингеру (показавшему, как важно не застревать в рутине) и Ноэлю Нетусилу (мы встретились, когда я блуждала в трансе по коридорам после ужасного разговора с назначенным мне на первом курсе куратором, и он великодушно «удочерил» меня). Мне посчастливилось быть окруженной преданными своему делу преподавателями в аспирантуре Пенсильванского университета, включая моего научного руководителя Роба Курцбана, покойного Джона Сабини (давшего множество полезных советов), и Шэрон Томпсоншилл (была наставником и другом, когда я нуждалась в этом больше всего). Также спасибо преподавателям кафедры экологии и эволюционной биологии Аризонского университета, где я работала после защиты докторской, в особенности Рику Мичоду и Авроре Неделку. Особая благодарность руководителю моих исследований – а ныне другу и коллеге – Джону Пепперу – за то, что сначала разжег во мне интерес к эволюции и раку, а затем раздул из него полноценный костер. Спасибо многочисленным коллегам и друзьям, которые поддерживали меня в процессе создания книги: Марти Хейзелтон и Николь Хесс (за решительную и постоянную поддержку в любых вопросах), Саре Хилл (за готовность обсудить разные, даже самые смелые идеи) и Барбаре Наттерсон-Хоровиц (за то, что помогала мне никогда терять из вида общую картину).

Спасибо также коллеге Мэлу Гривзу за лучший совет, который я когда-либо получала во время застольной беседы: «Хорошенько подумайте, прежде чем следовать чьему-то совету». Пожалуй, это единственный совет, которому я следую всегда (тогда же он рекомендовал мне есть меньше соли. Прости, Мэл, от соли я не откажусь).

Я в неоплатном долгу перед нянями и бебиситтер, помогавшими мне присматривать за детьми, пока я писала эту книгу. Особая благодарность Веронике Мата Форд и Лизе Лессард, которые вложили в нашу семью свои сердце и душу.

Я бесконечно благодарна своим родителям Стелиосу Актипису и Хельге Фитц Актипис. Папа, спасибо, что на протяжении всей начальной школы не переставал меня уверять: нужно лишь продержаться до колледжа, и я непременно начну получать от учебы удовольствие. Мама, спасибо, что научила смотреть на мир под разными углами и никогда не бояться браться за что-то новое. Я до сих пор скучаю по тебе каждый день, хотя ты навсегда останешься в моем сердце – а также, вероятно, в груди, мозге, щитовидке и иммунной системе, благодаря микрохимерным клеткам, которые достались мне, пока ты меня вынашивала.

Самая большая благодарность за эту книгу по праву достается моему другу, коллеге и мужу Карло Малею. Спасибо тебе, Карло, за многочисленные ночные беседы, терпеливую правку текста, быстрые ответы на разнообразные вопросы и – самое главное – за то, что так хорошо заботился о наших детях в те многочисленные выходные, что я провела за письменным столом. Спасибо и моим детям, Аванне, Монти и Вону, за неиссякаемую любовь, поддержку и понимание, которые они проявляли, пока я была занята работой. Самой душевной частью процесса создания этого труда была возможность обсудить со всеми вами изложенные в нем идеи и возложенные на него надежды. Так что огромное спасибо, дорогие дети, за проявленный интерес – и терпение – к этому немного непослушному детищу, которое последние семь лет было частью нашей семьи.

1

Вступление

Эволюция во плоти

Эта книга о раке: его древнем происхождении, современных проявлениях и будущей судьбе. О том, откуда рак взялся, почему существует и почему его так трудно вылечить.

Эта книга также и о новом взгляде на рак – не как на что-то, от чего следует любой ценой избавиться, а, скорее, на то, что следует держать под контролем и превратить в спутника, с которым можно жить.

ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ СТРАДАЛИ ОТ РАКА С МОМЕНТА ПОЯВЛЕНИЯ ПЕРВЫХ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ВИДОВ ОКОЛО ДВУХ МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ НАЗАД.

Когда мы говорим о жизни на Земле, то, чаще всего представляем себе многоклеточные организмы, такие как животные и растения. Среди клеток организма, по сути, наблюдается разделение труда: они распределяют между собой все функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности. С другой стороны, простейшие формы жизни – бактерии, дрожжи и протисты – состоят из одной-единственной клетки, которая выполняет всю работу по поддержанию ее существования. Они доминировали на нашей планете на протяжении двух миллиардов лет, пока не развилась многоклеточная жизнь, и мир еще не знал, что такое рак. Он появился, когда на сцену вышла многоклеточная жизнь – она и привела с собой это новое действующее лицо.

РАК – ЭТО ЧАСТЬ НАС САМИХ, И ТАК БЫЛО С САМОГО НАЧАЛА НАШЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ.

Следы рака были обнаружены в скелетах древних людей, от египетских мумий до охотников-собирателей Центральной и Южной Америки. Он был обнаружен в «колыбели человечества» – Южной Африке – в костях наших ранних предков возрастом 1,7 миллиона лет. Ископаемые следы рака уходят своими корнями еще раньше. Они были найдены в костях млекопитающих, рыб и птиц возрастом в десятки и даже тысячи миллионов лет. Рак восходит к временам доминирования динозавров, и даже еще более далекому прошлому, когда жизнь была микроскопически мала. Он появился, когда бо́льшая часть жизни в известном нам виде еще даже не существовала.

Для эффективного противодействия этой болезни необходимо понимать ее эволюционную и экологическую динамику. Вместе с тем следует изменить и свое представление о раке, перестав видеть в нем временную и решаемую проблему и начав воспринимать его как неотъемлемую часть нашей сущности. До появления многоклеточной жизни рака не существовало, так как его клеткам попросту негде было размножаться – не было организмов, которые они могли бы захватывать. Само наше существование в виде многоклеточных организмов – образцов сотрудничества – неразрывно связано с нашей восприимчивостью к раку.

В этой книге мы рассмотрим бесчисленные способы взаимодействия клеток, которые делают нас полноценно функционирующими многоклеточными организмами, например, за счет контроля пролиферации[1] клеток, распределения ресурсов среди нуждающихся в них клеток и построения сложных органов и тканей. Мы также увидим, как рак в ходе эволюции учится использовать в своих интересах присущее нашему организму клеточное взаимодействие: бесконтрольно размножаться, эксплуатировать ресурсы нашего тела и даже превращать его ткани в специализированные фабрики для собственного выживания. Одним словом, рак – это шулер в игре, которая лежит в самой основе многоклеточной жизни.

Чем лучше мы разберемся в природе рака, тем более эффективными будут его профилактика и лечение; мы поймем, что не только одному человечеству он доставляет столько страданий. Любые формы многоклеточного существования подвержены раку. В процессе эволюции наши взаимоотношения с раком сыграли свою роль в том, кем мы в итоге стали. И если мы хотим по-настоящему постичь, что такое рак, нам следует разобраться, как он менялся в ходе эволюции и как параллельно с ним менялись и мы.

Чтобы все это понять, мы можем обратиться к миру дикой природы. Один из самых красивых примеров – хохлатый кактус. Иногда в результате повреждения или инфекции в клетках на растущей верхушке кактуса возникают мутации, которые нарушают естественный контроль над пролиферацией клеток во время роста растения. Это зачастую приводит к появлению поразительных структур: огромным пустынным кактусам с неким подобием короны наверху, напоминающим мозги горшечным кактусам, садовым кактусам с узловатыми геометрическими поверхностями, вызывающими ассоциации с современным искусством (рис. 1.1). Хохлатые кактусы высоко ценятся профессиональными ботаниками и просто любителями этих растений за красивые и необычные мутантные формы.

Рисунок 1.1. В результате нарушения нормального роста у кактуса вероятно развитие аномальных образований. Это может привести к появлению множества красивых и уникальных структур, схожих с раковыми опухолями у животных. Это похожее на рак явление у растений, именуемое фасциацией, способно негативно сказываться на их жизнедеятельности, включая менее обильное цветение и большую предрасположенность к травмам и болезням, однако такие растения могут при должном уходе жить с этими опухолеподобными образованиями десятилетиями. Изображения слева направо: хохлатый кактус Сагуаро, Carnegiea gigantea; кактус-мозг Mammillaria elongata cristata; кактус тотемного столба, Pachycereus schottii f. Monstrosus и Cereus jamacaru f. cristatus

Впервые увидев хохлатый кактус во время поездки в Аризону многие годы назад, я была впечатлена красотой и геометрией растения. Вернувшись в гостиничный номер, я несколько часов рассматривала фотографии этих естественных биологических структур и читала о них. Я узнала, что нарушения нормального роста у этого вида кактусов были вызваны полученными во время шторма повреждениями, или воздействием бактерий и вирусов, или просто мутациями в процессе роста.

Кроме того, я выяснила, что мутации, нарушающие нормальный рост растения, встречаются не только у кактусов – им подвержены многие виды растений, от одуванчиков до сосен. В ботанике этот процесс называется фасциацией. Такие деформированные растения зачастую более чувствительны, чем обычные представители их вида, и порой у них не происходит нормального цветения, из-за чего им сложнее размножаться – к счастью для них, им в этом активно помогают садовники и ботаники. С должным уходом хохлатые кактусы и другие подверженные фасциации растения могут жить с этими похожими на опухоли образованиями десятилетиями.

Изучение хохлатых кактусов положило начало моему увлечению раком во всех формах жизни. Я тогда подумала: если мы хотим понять рак – что он собой представляет и почему может ставить под угрозу наше здоровье и жизнь, – то нам нужно выяснить его происхождение, то есть эволюционные истоки рака на древе жизни. Изучая это, я обнаружила, что рак и опухолеподобные образования свойственны для всех форм многоклеточной жизни. Оказалось, что эти образования встречаются не только у кактусов, но и у множества других организмов. Я нашла фотографии грибов, кораллов, водорослей и насекомых с напоминающими опухоли наростами. И обнаружила, что рак распространен среди всех животных – от диких до содержащихся в зоопарках и одомашненных.

Я задалась вопросом: почему рак столь распространен среди всех форм многоклеточной жизни? Он является проблемой исключительно многоклеточных организмов, состоящих из большого количества клеток, которые обычно сотрудничают и регулируют свое поведение, чтобы делать нас полностью функционирующими организмами. У одноклеточных форм жизни не бывает рака, так как они состоят из одной-единственной клетки, и для одноклеточной жизни пролиферация – это, по сути, и есть размножение. Для многоклеточных же существ чрезмерная клеточная пролиферация может нарушить нормальное развитие и структуру организма.

Вы, может, и воспринимаете себя цельным существом, однако на деле состоите из 37 триллионов клеток, каждую миллисекунду взаимодействующих между собой и координирующих свое поведение, чтобы вы могли полноценно функционировать. Количество клеток в организме человека ошеломляет – их более чем в четыре тысячи раз больше, чем людей на Земле. Все эти отдельные клетки взаимодействуют, развиваются, потребляют, обрабатывают сигналы, экспрессируют гены[2] и вырабатывают белки. Каждая из клеток – словно крошечный гомункул, сидящий внутри нас, который берет информацию извне, обрабатывает ее посредством сложной взаимосвязи между генами и изменяет свои функции в ответ на полученные сигналы. В каждой клетке имеется набор практически одинаковых генов, однако они производят уникальное сочетания белков, а также имеют свое поведение и физиологические особенности. Масштабы взаимодействия, происходящего внутри нашего организма, поражают воображение. Как 30 триллионов отдельных клеток могут образовывать нечто, выглядящее единым существом с единым набором целей? Как я могу при всем этом ощущать себя столь цельной?

Один из вероятных ответов на этот вопрос предлагает эволюционная биология: мы действуем как единый организм и ощущаем себя таковым, потому что в ходе эволюции стали тесно сотрудничающим клеточным сообществом. Почти миллиард лет формирования многоклеточных структур привели к появлению клеток, которые своими функциями способствуют выживанию и размножению взаимодействующего клеточного сообщества как единого целого. В интересах всего организма наши клетки ограничивают свою пролиферацию, разделяют труд, регулируют использование ресурсов и даже совершают суицид. Уровень сотрудничества внутри нашего тела превосходит все, чего когда-либо удавалось добиться людям, – клетки внутри нас живут словно в утопии, разделяя ресурсы, заботясь об общей окружающей среде и регулируя свое поведение во благо всего организма.

Иногда, однако, в этом клеточном взаимодействии происходит сбой, и тогда в организме может быть запущен эволюционный и экологический процесс, кульминацией которого становится самая вопиющая форма клеточного обмана – рак. Он развивается, когда клетки перестают сотрудничать и координировать свои действия в интересах многоклеточного организма и начинают злоупотреблять ресурсами, разрушать общую среду организма и бесконтрольно размножаться. Внутри организма эти недобросовестные клетки могут обладать эволюционным преимуществом перед нормальными, несмотря на то, что могут негативно влиять на здоровье и перспективы выживания организма, частью которого являются.

Итак, эволюция сделала нас невероятно функциональными многоклеточными организмами, однако никуда не деться от того факта, что мы представляем собой скопление клеток. Поэтому она естественным образом протекает и внутри нашего организма. Клетки в теле человека эволюционируют подобно организмам в живой природе. Это совершенно новый подход к рассмотрению нас с вами, ведь традиционно человека принято считать единой и относительно неизменной «сущностью». Между тем мы не одна, а, скорее, много сущностей, и клетки, из которых мы состоим, по мере нашего старения продолжают меняться, зачастую в направлениях, подвергающих нас риску развития рака.

КЛЕТКИ, КОНЕЧНО, ЯВЛЯЮТСЯ НАШЕЙ СОСТАВНОЙ ЧАСТЬЮ, ОДНАКО ВО МНОГИХ СМЫСЛАХ ОНИ ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ ВЕСЬМА САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ.

Они экспрессируют гены, обрабатывают информацию, у них есть собственное поведение – они двигаются, потребляют ресурсы и строят внеклеточое вещество, создавая ткани и органы, например образуя ткани. Кроме того, они представляют собой популяцию внутри нашего организма, которая эволюционирует в сложной среде. Чтобы понять, что представляет собой рак и почему мы ему подвержены, необходимо рассматривать клетки с этих обеих точек зрения – как часть нашего организма и как самостоятельные развивающиеся сущности внутри нас.

С точки зрения нашего организма рак представляет собой угрозу нашему выживанию и благополучию. С точки зрения же самих клеток злокачественные клетки делают лишь то же самое, что и все остальные живые существа на планете – эволюционируют в ответ на условия окружающей среды, порой тем самым нанося вред системе, частью которой являются. Это приводит к парадоксальному на первый взгляд сценарию: эволюция благоволит организмам, эффективно справляющимся с подавлением рака, однако в то же время она симпатизирует и клеткам внутри нашего тела с типичными для раковых клеток характеристиками, такими как быстрая пролиферация и быстрый обмен веществ. Казалось бы, эти два факта противоречат друг другу: как эволюция может одновременно благоволить и раковым клеткам, и организмам с эффективными механизмами их подавления? На страницах этой книги я покажу, как, рассматривая все с точки зрения эволюции, можно разрешить этот, казалось бы, явный парадокс.

МАСШТАБЫ КЛЕТОЧНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ПОРАЖАЮТ ВООБРАЖЕНИЕ.

Вместе с тем еще более поразительно то, насколько стойкими оказываются наши тела перед недобросовестными клетками, подвергающими их угрозе рака. У многоклеточных организмов за миллиарды лет эволюции выработалось несколько механизмов подавления рака, позволяющих держать недобросовестные клетки под контролем. У разных видов находят невероятное разнообразие и эффективность этих механизмов, и наблюдение за ними в действии может помочь нам в поиске более эффективных методов лечения рака у людей. Может быть, подобно хохлатым кактусам, способным сосуществовать со своими похожими на опухоли наростами на протяжении десятилетий, мы тоже могли бы научиться жить с раком.

До того как узнала об эволюционной природе рака, я считала его довольно неинтересной болезнью. Моя работа была сосредоточена на фундаментальных вопросах эволюции жизни на Земле: почему многие организмы являются социальными? Почему особи не прекращают сотрудничество, несмотря на то, что часть из них непременно начинает им злоупотреблять? Меня всегда привлекали теоретические вопросы, так что я старалась избегать любой темы, которая, казалось, требовала запоминания бесконечного перечня фактов без какой-либо систематизации. Мне казалось, что рак является одной из таких тем – никакой теоретической базы, лишь бесконечное множество исследований одного механизма за другим без надежды на открытие каких-либо общих принципов. Эта область, безусловно, заслуживала изучения из-за своей важности для здравоохранения, однако у меня не было совершенно никакого интереса заниматься ею.

Затем, защитив докторскую, я перешла в университет Аризоны, где начала работать вместе с Джоном Пеппером, одним из первых исследователей эволюции рака – совершенно новой на тот момент области. Я поняла, что рак на клеточном уровне представляет собой пример того, что я уже изучала: проблемы поддержания сотрудничества в крупномасштабных эволюционных системах в свете наличия недобросовестных особей.

Мое представление о раке начало меняться. Я осознала, что это живая сущность, быстро эволюционирующая в экосистеме нашего организма. Она подчиняется тем же правилам, что и любая эволюционная и экологическая система. Посмотрев на рак с этой точки зрения, я положила начало пониманию всех его хитросплетений.

Великий эволюционный биолог Феодосий Добржанский – один из пионеров эволюционного мышления в XX веке – однажды сказал: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Увидев рак в этом аспекте, я поняла: биология рака прежде казалась мне полной бессмыслицей, именно потому что я не пыталась рассмотреть его через призму эволюции и экологии.

Если бы Добржанский был сейчас жив, он точно так же мог бы сказать: «Ничто в биологии рака не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Эволюция, экология и теория сотрудничества[3] являются отправной точной для понимания того, почему рак столь сложен, сокрушителен и изменчив, и они могут помочь нам лучше понять, кто мы такие, разобраться, как рак повлиял – и продолжает влиять – на всю многоклеточную жизнь.

Эволюционная биология объясняет существование рака на двух разных уровнях. Прежде всего, она демонстрирует, как изменение клеток в нашем организме – часто называемое соматической эволюцией – приводит к этому заболеванию. Рак – сама эволюция во плоти. Клетки отличаются по уровню своей эволюционной приспособленности внутри нашего тела: одни размножаются быстрее и выживают дольше других. Клетки, которым удается больше размножиться и дольше прожить, впоследствии составляют бо́льшую часть следующего поколения, и в итоге доминируют в популяции. Это самая настоящая эволюция за счет естественного отбора – точно то же проходит и в природе.