Вчені завершили найбільший проект картографії шляхів, що ведуть до раку. Мутаційні підписи, шкідливе омолоджування і ДНК

На початку лютого завершився великий міжнародний проект Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) зі збору та аналізу даних, що стосуються ракових пухлин.

Завдяки співпраці вчених з чотирьох континентів з 744 науково-дослідних установ вдалося зробити детальний аналіз понад 2600 пухлинних зразків 38 типів тканин. Універсальних ліків від раку проект не обіцяє і породжує нові питання про механізми, за допомогою яких хвороба щороку забирає мільйони людських життів. Але вчені вважають, що він (проект – ред.) дозволить вивести знання людства про генетику раку на принципово новий рівень, а, значить, наближає до перемоги над хворобою.

Довелося вивчити тисячі зразків пухлин, взятих у різних людей. Інакше не можна дослідити, як влаштований рак.

Сукупність ракових захворювань є другою причиною смертності в світі; щорічно від раку помирає близько 8 мільйонів людей, і, за деякими прогнозами, ця кількість збільшиться на 50% в найближчі два-три десятиліття. Незважаючи на те, що на проведення досліджень, пов’язаних з раком, йде, за різними оцінками, до 90% загального фінансування біологічних і медичних наук в світі, з’ясування причин виникнення та розвитку багатьох типів раку, а також розробка методів ефективної діагностики та лікування, все ще недосяжні. Відповідь на питання, чому так відбувається, полягає в самій природі виникнення ракових захворювань.

Ракова пухлина, по своїй суті, є безсмертною, здатною до безконтрольного розмноження, захищеною від впливу імунітету самостійною системою; більш того, прийти до такого стану вона може різними шляхами. Єдиного універсального способу розвитку пухлин, який можна було б легко відстежити і “заблокувати”, поки не існує. Тому надія перемогти цю хворобу остаточно криється не в підборі однієї геніальної концепції, а в максимально масштабному і при цьому детальному дослідженні всіх можливих типів пухлин, які виникають, розвиваються, реагують на успішне або неуспішне лікування, виявляються вдруге і так далі.

На даний момент однією з найбільших платформ, присвячених збору і аналізу всіляких даних по ракові пухлин, є програма The Cancer Genome Atlas (TCGA), яка виникла в 2006 році. Вона надає більш ніж 2,5 петабайтів даних, що лежать у відкритому доступі для аналізу їх науковцями в усьому світі. Крім TCGA такими дослідженнями на глобальному рівні займається консорціум International Cancer Genome Consortium (ICGC).

Обидві платформи (TCGA і ICGC – ред.) і є основними учасниками проекту Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG). У назві цього проекту частка “Pan” – це аналіз широкого спектру геномів. Традиційно термін “пангеном” відноситься до бактерій, тому що всередині одного їх виду навіть число генів у геномах різних представників може сильно відрізнятися. Сукупність усіх генів у всіх відомих представників деякого виду або роду і називають “пангенома”. У випадку з бактеріями кількість генів у пангенома і всередині генома однієї особини може відрізнятися на порядок – тут стає зрозумілим, що повної картини, прочитавши геном всього однієї особи, не отримаєш. У вищих організмів, особливо, тварин, такого, як правило, не буває. У двох різних людей з величезною часткою ймовірності буде однакове число генів, хоча самі гени, зрозуміло, будуть мати відмінності.

Проте, автори проекту вважали різноманітність всіляких генетичних характеристик ракових пухлин настільки значною, що назвали свій проект “пан-раковим”. Всього в рамках PCAWG було прочитано 2658 геномів ракових пухлин, причому до кожного з них також був прочитаний і “контрольний” зразок, тобто зразок здорової тканини тїєї ж людини.

Вивчали не лише гени, але і ту частину генома, яку раніше вважали “сміттям”. 

На відміну від багатьох інших проектів, учасники PCAWG аналізували не тільки гени, але й весь геном, в тому числі міжгенний простір, який у людини складає не менше 98% генома, але функції і структура яких все ще недостатньо зрозумілі.

Хоча людський геном прочитаний вже майже двадцять років тому, знання послідовності “букв” зовсім не означає розуміння того, що в ньому записано. У людському геномі близько трьох мільярдів “букв”. Приблизно 1-2% з них відносяться до генів, тобто кодують білки – це близько двадцяти тисяч генів, кожен з яких складається з десятків тисяч “букв”. У просторах між генами розташовані всілякі регуляторні ділянки, необхідні для правильної координації роботи генів, а також, наприклад, безліч “мобільних елементів”, які, на перших погляд, здаються чи сміттям, чи паразитичними об’єктами на зразок вірусів, що використовують наш геном, як майданчик для свого розмноження і поширення.

Однак останнім часом стає все зрозуміліше, що “просто сміття” в ДНК, майже немає, і навіть сумнозвісні мобільні елементи грають в еволюції, і в житті своїх господарів безліч різних ролей. Саме вони стали причиною виникнення, наприклад, механізмів набутого імунітету у ссавців. Недавні дослідження показали, що в мозку вони беруть участь в когнітивних процесах і формуванні пам’яті протягом життя людини. Крім того, нові вмонтування активних мобільних елементів іноді викликають рак.

Люди ще дуже багато чого не знають, як про міжгенні простори, так і про функції та способи взаємодії генів. Отримання нових даних про послідовність геномів, “РНК” або білків в тих чи інших клітинах не має на увазі автоматичне розуміння того, що саме ми при цьому спостерігаємо. Але широкомасштабне порівняння даних зі зразків людей, про яких щось відомо, дозволяє отримувати дедалі повнішу картину про генетику людини і про причини її захворювань. Тому були зібрані не ліше дані зі зразків пухлин, але й інформація про пацієнтів, від яких ці зразки отримані.

Крім того, було також проаналізовано 1188 ракових транскриптомів – сукупностей “РНК” в клітинах; дослідження “РНК” дозволяє зрозуміти, які ділянки “ДНК” в даному зразку експресуються, які “працюють”, а які ні.

Природньо, що подібні проекти – це титанічна праця, як в лабораторіях, так і в рамках комп’ютерної обробки отриманих даних, тобто “біоінформативної” частини. Йдеться про сотні терабайтів даних і складних алгоритмів на хмарних серверах, які зазвичай називають “Пайплайн” (через схожість зі скріпленими в ряд трубками, крізь які проганяють дані).

Після “біоінформативної” обробки найчастіше необхідно знову повертатися до лабораторної частини – адже знайдені за допомогою комп’ютерного аналізу мутації, наприклад, обов’язково потрібно підтверджувати експериментально.

Вчені знайшли безліч механізмів виникнення і розвитку пухлин – аж до геномних катастроф, що роблять з ДНК “салат”.

У лютневому випуску журналу Nature опубліковано сім статей, що стосуються проекту PCAWG.

Перша є загальним оглядом даних, отриманих в ході проекту. Вчені повідомляють, що в середньому кожен раковий геном містить 4-5 “драйверних” мутацій, які дають клітинам виборче право і дозволяють пухлині розвиватися всередині організму. З усіх досліджених пухлин тільки 5% не містили виявлених мутацій такого типу.

Більш того, багато типів раку демонструють прояв “геномних катастроф”: в клітинах з’являється не кілька мутацій, а ціла лавина геномних перебудов. Катастрофи трапляються в результаті множинних розривів ланцюгів “ДНК” в одній або декількох хромосомах і наступних випадкових зшивок (ці події називаються хромоплексією або хромотріпсісом, в залежності від характеру і масштабу перебудов). Після цього ланцюг “ДНК” всередині хромосоми може нагадувати салат, нарізаний з випадкових шматків, що раніше перебували в стрункому порядку. Масштаб подібних явищ став зрозумілим нещодавно, оскільки раніше чутливість методів аналізу “ДНК” не дозволяла цей “салат” правильно розглянути – вчені працювали з дуже маленькими шматочками “ДНК” або з недостатньою кількістю, а відтак і не в повній мірі могли відстежити ступінь їхнього перемішування.

Учасники проекту PCAWG повідомляють про випадки хромоплексії і хромотріпсісу в 18-22% ракових зразків; в разі акральної меланоми, наприклад, стверджується, що вони передують появі будь-яких інших ракових мутацій, і можуть бути початковою причиною виникнення пухлин.

Клітинне безсмертя

Дослідникам вдалося виявити нові, раніше невідомі ділянки “ДНК”, структурні зміни в яких можуть викликати появу пухлин. Так, наприклад, була показана часта поява в ракових зразках мутацій в незакодованій ділянці, яка відноситься до гену TERT. Вона призводить до надмірного підвищення роботи цього гена – збільшення вироблення ферменту теломерази.

Теломераза відома, як ключ до “клітинному безсмертя”, оскільки вона необхідна для прирощування нових шматочків “ДНК” до кінців хромосом, які коротшають при кожному діленні клітини. У мишей, наприклад, теломерази працюють все життя, а ось у людини більшість клітин в дорослому віці її не виробляють. Тому її вивченню присвячено чимало дослідницьких проектів, пов’язаних зі старінням.

Не можна просто “включити” всюди теломерази і знайти “правильне” безсмертя. Справа в тому, що активація теломерази вимикає в людських клітинах важливі сигнали, що стосуються запрограмованої клітинної смерті, необхідної в разі, наприклад, коли клітина вже має ряд мутацій і ризикує перетворитися на ракову.

У результаті “небезпечна” клітина виживає, не зробивши клітинного самогубства (апоптозу), як їй було призначено. По суті, саме так в ракових пухлинах часто і відбувається – теломераза активується в результаті структурної зміни “ДНК”, клітина стає безсмертною. При появі деяких додаткових мутацій запускається механізм її безконтрольного розподілу і вона перетворюється на справжню ракову клітину.

Коли в ДНК виявляються мутації – наприклад, одні її “букви” виявляються замінені на інші в порівнянні з контрольними “здоровими” клітинами, можна вивчати не лише те, які саме “букви” зазнали змін, але і те, в якому оточенні це сталося, тобто які були їхні найближчі “букви-сусіди”, і чи немає в цій послідовності закономірності. Якщо закономірність виявляється, це може дозволити зрозуміти, що стало вихідною причиною переродження: помилки в системі реплікації “ДНК”, вплив генотоксинів (наприклад, тютюну або ультрафіолетового випромінювання) і т.п. Ці літерні контексти і називаються підписами; різні підписи асоційовані з різними типами раку.

У новій роботі вдалося ідентифікувати і описати 97 різних підписів, причому вперше були описані підписи, пов’язані з великими перестановками ділянок “ДНК”, а не лише з найближчими кількома сусідами мутованої “букви”.

Ще одне дослідження було присвячене “молекулярним годинам” пухлин. Злоякісно перероджені клітини розвиваються нерівномірно, набуваючи різних мутацій і ведучи боротьбу за існування, подібно організмам у звичайній екосистемі в процесі еволюції. Такі групи називаються “клонами”.

Вік мутації визначався за відсотковим співвідношенням її володарів в межах одного зразка. Найстаріші мутації знаходилися практично у всіх клітин, а чим новішою виявлялася мутація, тим менше було її володарів.

Таке дослідження в часі дозволяє зрозуміти, якими бувають мутаційні “траєкторії” у пухлинних клітин, тобто за яким сценарієм може йти накопичення мутацій. З’ясувалося, що драйверні, найважливіші мутації, відбуваються, як правило, на ранніх стадіях зародження пухлини – це інколи означає, що необхідні для виникнення раку мутації в клітинах людини можуть з’являтися за роки до того, як поставлять відповідний діагноз.

За допомогою цього ж аналізу з’ясувалося також, що мутаційний підпис у ракових клітинах з розвитком пухлини часто (не менше ніж в 40% випадків) змінюється. Внесок впливу зовнішніх факторів на вже існуючу пухлину виявився переоціненим, а внесок порушення систем репарації “ДНК” – недооцінений.

Спеціальний проект був присвячений дослідженню генетичних мобільних елементів, які займають не менше 50% людського генома. Деякі з них здатні до “руху” всередині генома; наприклад, активні представники сімейства LINE1 вміють зчитувати власну послідовність “ДНК” і копіювати її в нові локації. У звичайних клітинах ці можливості придушуються, але іноді “блоки” можуть зніматися – наприклад, в певні фази розмноження клітин.

Відомо, що нові вмонтування мобільних елементів можуть призводити до порушення роботи генів-онкосупресорів або до активації роботи онкогенів, і в кінцевому підсумку стати причиною розвитку пухлин. В роботі було показано, що нові вмонтування виявляються не менш ніж в 35% ракових зразків, і що їх роль особлива в появі структурних змін “ДНК” при розвитку аденокарційного стравоходу, ракових утворень голови і шиї (head and neck cancer) і колоректальних раках.

Накопичення даних породжує багато нових питань. Але інших способів перемогти рак немає. В цілому, величезна кількість даних – це новий щабель в розумінні процесів, пов’язаних з виникненням, розвитком, діагностикою та методами лікування раку. З іншого боку, більший обсяг даних породжує нові питання. Не покидає відчуття, що чим більше копаєш, тим більше виявляється різноманітних механізмів, які дозволяють раку забирати щорічно мільйони життів. Кількість цих механізмів часом викликає сумніви в можливостях сучасної науки.

Однак спосіб боротьби проти незнання, як і раніше, тільки один – це отримання нових знань. І саме тому вчені не збираються зупинятися на досягнутому. Щомісяця з’являються сотні нових статей; способів лікування, яких раніше не було зовсім. Тому в масштабних проектах типу PCAWG дійсно криється надія людей зрозуміти і перемогти рак.