Максим Франк-Каменецкий - Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века
Проблема канцерогенов уже давно привлекает внимание науки, и вовсе не только в связи с теоретическими исследованиями природы рака. Каждое новое химическое соединение, с которым сталкивается человек, должно быть проверено на канцерогенность. История знает слишком много примеров того, как легкомысленное отношение к этой проверке приводило через много лет к гибели людей.
Но как проверить, канцероген данное вещество или нет? Вот уже многие годы предпринимаются попытки разработать быстрые и достаточно дешевые методы тестирования химических веществ на их канцерогенность. Собственно, именно эта проверка оказывается сейчас самой дорогой и самой длительной процедурой при испытании любого нового лекарства. Считается, что необходимо подвергнуть подопытных животных воздействию препарата, а потом проследить за ними и за контрольными животными, вплоть до их естественной (или неестественной, в случае, если испытываемое вещество окажется канцерогеном) смерти. Нельзя ли эту процедуру упростить?
Обширный материал, накопленный в результате трудоемких испытаний химических соединений на канцерогенность, позволил Б. Эймсу (Калифорнийский университет в Беркли, США) разработать и обосновать весьма эффективный тест на канцерогенность. В 1975 году Эймс предложил проверять вещества не на канцерогенность, а на мутагенность. Для проверки на мутагенность не нужно возиться с животными и даже с культурой их клеток. Можно взять бактерии, для которых существуют давно разработанные методы быстрого подсчета темпа мутирования, т. е. изменения ДНКового текста. Эймс еще усовершенствовал эти методы и постарался проверить гипотезу, по которой мутагенность и канцерогенность – это на самом деле одно и то же.
Казалось бы, для проверки надо было бы брать химические соединения, известные как канцерогены, и проверять на мутагенную активность.
Но нет, так просто поступать нельзя. Ведь в организме химические соединения претерпевают перестройку, циркулируя в крови. Это случается в печени, которая прямо-таки напичкана ферментами, способными проводить самые разные модификации. Вполне может быть (и в ряде случаев показано, что это так), что рак вызывают не сами исходные вещества, а продукты их метаболизма в организме. Поэтому, прежде чем испытывать вещества на мутагенность в своем тесте, Эймс обрабатывал их экстрактом из печени животных. Эймс проверил на мутагенность 300 веществ, среди которых были как известные канцерогены, так и вещества вполне безобидные. Эта проверка показала, что между канцерогенностью и мутагенностью существует совершенно явная корреляция. В 90 случаях из 100 канцерогены оказывались и сильными мутагенами. В то же время только 13 % соединений, не являющихся канцерогенами, оказывали мутагенное действие.
Это очень убедительный результат. Он показывает, что тест Эймса эффективен, во всяком случае – для массовых испытаний химических соединений. Ведь Эймс вместе с одним всего лишь помощником сумел за короткое время испытать 300 соединений. Чтобы накопить сведения о канцерогенности этих веществ обычными методами, потребовались десятилетия упорного труда многих людей.
Цель работы Эймса была сугубо практической: разработать эффективный и дешевый тест на канцерогенность. Но результаты работы имели большое значение для понимания природы рака. Реально они не оставляли сомнений в том, что канцерогены вызывают рак именно потому, что изменяют ДНК клетки.
Получалось, что первичные события, приводящие в итоге к раку, разыгрываются в генетическом материале, в ДНК. А раз так, то к штурму проблемы рака вновь приступили молекулярные биологи. Только на этот раз, спустя десять лет после работ Темина и Балтимора, они были уже во всеоружии мощных методов манипулирования с ДНК – методов генной инженерии.
В 1979 году были поставлены опыты, в которых удалось, на этот раз окончательно, доказать генетическую, ДНКовую природу рака. Эти опыты проводились на мышах, но принципиально они не отличаются от опытов по трансформации у пневмококков, которыми занимался Эвери на 40 лет раньше (см. главу 1). Автор работы Роберт Вайнберг (Массачусетский технологический институт) рассуждал так. Из экспериментов Эймса следует, что канцерогены должны что-то менять в ДНК, после чего она приобретает способность превращать нормальную клетку в раковую. Если это действительно так, то, выделив ДНК из раковых клеток и перенеся ее в здоровые клетки, мы должны (с некоторой вероятностью, разумеется, – как и при любой трансформации) наблюдать превращение здоровых клеток в раковые.
Вайнберг выделил ДНК из мышиных опухолевых клеток, перерождение которых было вызвано действием мощного канцерогена. Затем он провел опыты по трансформации. Раковая ДНК была добавлена к культуре здоровых клеток мыши, известной под кодовым названием NIH3Т3. Результаты опыта были таковы. В пяти случаях из пятнадцати клетки NIH3Т3 превратились в раковые. Ни в одном из десяти контрольных опытов, в которых к культуре NIH3Т3 была добавлена нормальная ДНК, злокачественного перерождения не происходило.
Свойства клеток, перерожденных способом трансформации, были проверены на животных. Раковые клетки NIH3Т3 были приживлены здоровым мышам, и у тех образовались самые настоящие раковые опухоли. Но это еще не все. Перерождение клеток NIH3Т3 в раковые удалось вызвать не только с помощью ДНК, взятой из раковых клеток мыши, но и с помощью ДНК, выделенной из раковых клеток человека! ДНК из здоровых тканей человека не приводит к злокачественному перерождению клеток NIH3Т3.
Вот на этом этапе к работе подключились генные инженеры. Раз ДНК человека вызывает трансформацию, значит, в ней есть онкоген – участок, ответственный за роковые события. Началась охота на онкогены. Очень большую пользу в поиске онкогенов оказали онкогенные вирусы. Выяснилось, что они несут уже готовый онкоген. В кратчайший срок было клонировано и детально охарактеризовано (т. е. определена полная нуклеотидная последовательность) около 30 онкогенов. Специалисты считают, что этот сравнительно небольшой набор генов ответствен практически за все многообразие раковых заболеваний у животных и человека.
Выяснилось, что у каждого онкогена есть свой клеточный «брат», нормальный ген, названный протоонкогеном. С молекулярно-генетической точки зрения онкогены, так же как и протоонкогены, – это обычные структурные гены, т. е. каждый из них несет информацию о строении определенного белка. Сам по себе протоонкоген не опасен. Более того, белки – продукты протоонкогенов играют ключевую роль в процессах межклеточной и внутриклеточной коммуникации.
Ведь чтобы примерно вести себя в дружной семье клеток многоклеточного организма, каждая клетка должна подчиняться поступающим к ней сигналам. Важнейший из таких сигналов – это сигнал о размножении (делении). Если, скажем, вы поранились при бритье, то клетки кожи, окружающие ранку, начинают усиленно делиться, чтобы залечить образовавшуюся брешь. Курьером, приносящим клетке приказ о делении, служат специальные белковые молекулы – ростовые факторы. Они доставляют свои «сообщения» другим белковым молекулам – рецепторам, встроенным во внешнюю оболочку клетки.
Итак, сообщение получено клеткой – ростовой фактор связался со своим рецептором. Но ведь всем в клетке заправляет ДНК, которая запрятана внутри ядра. Значит, чтобы быть услышанным, сигнал должен еще преодолеть внешнюю оболочку клетки, цитоплазму и ядерную оболочку. На этом сложном пути сигнал еще несколько раз преобразуется, его переносят особые внутриклеточные курьеры, в процессе участвует целый ряд белков.
Так вот, важнейший факт состоит в том, что белки – продукты протоонкогенов – это ростовые факторы, рецепторы и другие белки межклеточной и внутриклеточной коммуникации. Чем же отличается зловредный онкоген от безобидного, даже очень нужного протоонкогена?
Известен ряд механизмов, приводящих к превращению протоонкогена в онкоген. Это может быть просто точечная мутация – замена одного аминокислотного остатка. Это может быть хромосомная перестройка, в результате которой протоонкоген переносится в другую хромосому. При этом либо резко нарушается регуляция синтеза нормального продукта протоонкогена, либо в ходе перестройки происходит усечение самого гена. Может быть и так, что сам протоонкоген остается на месте, но к нему перемещается регуляторная область из другой хромосомы, и т. д.
Из детективных книг и фильмов известно, что самый опасный шпион – это тот, кто, внедрившись в цепь передачи приказов вражеской армии, в нужный момент подсовывает ложный сигнал о наступлении. Именно так ведут себя онкогены. Путем усиленной наработки ростового фактора, производя дефектный рецептор или какой-либо белок внутриклеточной коммуникации, онкоген заставляет ДНК клетки подчиниться ложному сигналу о делении. Клетки, несущие онкоген, начинают безудержно делиться, причем дочерние клетки тоже несут онкоген, т. е. снабжены сигналом к делению. Так возникает рак.
