Эволюционное древо рака. Исторический подход в онкологии.

Исторический подход предполагает изучение возникновения, формирования, развития исследуемых объектов. Его часто можно наблюдать в разного рода материалах на АШ, посвященных явлениям общественной жизни и экономики. Однако, методы на основе исторического подхода применяются и в других областях человеческой деятельности. И приводят к очень интересным результатам.

В середине прошлого (2018) года журнал "В мире науки" (American Scientific) опубликовал материал Джеффри Таунсенда (Jeffrey P. Townsend, доцент кафедры биостатистики Йельской школы общественного здравоохранения и кафедры экологии и эволюционной биологии Йельского университета) под заголовком "Эволюционное древо рака". Подробнее ознакомиться с этим интересным материалом вы можете в печатной версии журнала "В мире науки" за июль 2018 года или здесь. Вашему же вниманию предлагаются некоторый конспект.

Когда стало возможным секвенирование генома человека, в лабораториях разных стран начали определять нуклеотидные последовательности ДНК опухолевых клеток. К удивлению исследователей, обнаружилось, что даже у одного пациента разные опухолевые клетки часто содержат неодинаковый набор мутаций.

Ученые Йельского университета провели свое исследование и обнаружили, что что даже у одного пациента разные опухолевые клетки часто содержат неодинаковый набор мутаций: ветви, связывающие первичную опухоль с метастазами некоторого пациента, имеют многочисленные ответвления, кажущиеся расположенными случайным образом. И первые ветви эволюционного древа рака исходят из глубины первичной опухоли. Отдельные ее клетки могут превращаться в более агрессивные разновидности — каждая со своим собственным генетическим механизмом распространения — за многие годы до обнаружения первичной опухоли.

Приступая к исследованиям в 2010 году, сотрудники лаборатории попытались получить ответы на три вопроса:

- станут ли одна специфическая мутация или большее их количество обязательной предпосылкой для метастазирования у всех пациентов?

- могут ли метастатические клеточные родословные дивергировать (меняться, расходиться в признаках) на относительно ранних этапах развития первичной опухоли, еще до накопления достаточно большого количества мутаций?

- если действительно в клетках первичной опухоли есть разнообразные мутации и зачатки метастазов, может ли эволюционное древо указать, когда они появились?

Были построены молекулярные эволюционные деревья. Подобные конструкции используются для того, чтобы понять взаимосвязи биологических видов. Проводят сравнительный анализ того, как те или иные признаки (или нуклеотидные последовательности ДНК) дивергируют при переходе от одного вида к другому, и определяется наиболее приемлемый путь, по которому интересующая исследователя форма жизни приходит к определенному месту на ветвях дерева.

Однако применение такого подхода для построения эволюционного древа рака затруднительно. В отличие от рассмотренного выше случая, когда исследователь имеет дело с ДНК известных на сегодня видов и на этой основе пытается выяснить что-то об их предках, исследователи располагали данными о нуклеотидной последовательности «предка» (клетки здоровой ткани). В рамках традиционного подхода следовало предположить, что эта нормальная последовательность есть некий «добавочный потомок», но тогда полученное дерево никаким образом не отражало бы интересующую исследователей эволюционную историю. Поэтому они видоизменили классическую модель, приняв, что генетическая последовательность клеток здоровой ткани — это предок первичной и метастазирующей родословных. При таком предположении исследователи получили дерево, по словам автора, "скорее всего отражающее последовательность изменений в ходе развития патологического процесса", однако обнаружили нечто непривычное.

В рамках линейной модели все метастазы происходят от одной клеточной родословной, которая отходит от первичной опухоли. В таком случае следует ожидать, что нуклеотидные последовательности ДНК клеток вторичных опухолей будут более сходны друг с другом, чем с таковой клеток любой области первичной опухоли. Но, еще в самом начале исследований, связанных с опухолевыми «деревьями», ученые обнаружили, что у некоторых пациентов ткань первичной опухоли близка к тканям одних метастазов и совершенно непохожа на ткани других. Это означало, что не одна, а множество клеточных родословных в первичной опухоли становятся в какой-то момент метастатическими. И линейная модель развития опухоли не работает.

Все указывало на то, что самые первые генетические изменения, переводящие клетку в состояние неконтролируемой пролиферации, ответственны и за образование метастазов — в отличие от господствовавшего мнения, что виной тому редкие единичные мутации на поздних стадиях развития опухоли. Более того: в клеточных родословных, давших начало метастазам, ученые не обнаружили общего ключевого гена, который отвечал бы за их способность к метастазированию, — в отличие от ситуации с образованием первичной опухоли. Мутации в ответвлениях, ведущих к вторичным опухолям, не отличались от таковых в клетках, никогда не покидавших первичную опухоль.

Исследователи предположили, что, скорее всего, виновниками агрессивного поведения опухоли становятся эпигенетические факторы или особенности микроокружения отдельных клеток. Эпигенетические модификации в ансамбле клеток первичной опухоли, связанные, например, с воздействием какого-нибудь канцерогена, могут повышать предрасположенность клеток к миграции. Другой важный фактор — локализация той или иной опухолевой клетки. Так, некоторые из них могут находиться вблизи кровеносных или лимфатических сосудов и легче попадать в них, чем клетки с такими же мутациями, но расположенные в других областях. Эти факторы, потенциально способные влиять на процесс метастазирования, могут не иметь никакого отношения к возникающим позже мутациям, что и отражено в наших эволюционных деревьях. Но насколько рано эти потенциально метастатические клеточные родословные дивергируют?

К сожалению, оказалось, что по молекулярным эволюционным деревьям ничего нельзя сказать о времени, спустя которое первичная опухоль даст начало вторичной.

И исследователи решили попробовать использовать другой подход эволюционной биологии — построение временных деревьев, для которых длина ветвей отражает время, по прошествии которого один вид возник от другого. Такие деревья получают, сравнивая те или иные признаки (например, нуклеотидные последовательности) и соотнося их с имеющимися временными данными (в примере — с частотой мутаций). Аналогичный подход применяется в палеонтологии. Только в данном случае, вместо ископаемых остатков, ученые рассмотрели данные и материалы, накопленные для больного: удаленная первичная опухоль, а также амбулаторная карта больного — возрасты, даты, связанные с диагнозом, результаты биопсии, радиологические исследования по определению частоты деления клеток первичной опухоли и т.д.

В результате было получено некоторое представление о связи эволюции рака на протяжении жизни пациента с тем, как долго он лечился. Так, исследователи смогли оценить, когда в результате первой мутации началось обособление раковых клеток от здоровой ткани. У молодых это обычно случалось за несколько лет до того, как им был поставлен диагноз, а у пожилых — за несколько десятилетий. Клетки — родоначальницы метастазов могли генетически обособиться от других клеток первичной опухоли на ранних этапах развития патологического процесса; настолько ранних, что о существовании опухоли никто не подозревал.

Исследования с применением временных деревьев показали, что и некоторые менее известные в онкологии гены тоже имеют отношение к онкогенезу, но мутации в них обычно возникают на более поздних стадиях. Другими словами, они появляются в клетках не ствола, а ветвей эволюционного дерева рака — так что мутантные клетки обычно наличествуют в одних опухолях больного и отсутствуют в других. Таунсенд отмечает, что, как следствие — терапия, направленная на нейтрализацию таких мутаций, будет уничтожать одну ветвь древа, не затрагивая других, и эти последние будут по-прежнему расти и представлять угрозу для жизни больного. Лечащие врачи должны узнать об этом и строить тактику лечения соответствующим образом.

Также, Джеффри Таунсенд предупреждает, что, с другой стороны, если какой-то препарат воздействует целевым образом на клетки с рано возникшей мутацией, которая есть во всех опухолевых тканях, может возникнуть резистентность к терапии, связанная с делением клеток с новыми специфическими мутациями. И предварительные результаты исследований говорили о том, что резистентность может возникать в результате терапии.