Голые и слепые. Биологи нашли у грызунов уникальный механизм защиты от рака

[madwind]

Недавно ученые обнаружили у подземных грызунов слепышей (Spalacidae) уникальный механизм защиты от рака. Наряду с голыми землекопами (Heterocephalus glaber), своими дальними родственниками, это единственные млекопитающие, у которых до сих пор не обнаружено ни одной опухоли. Авторы работы - ученые российского происхождения Вера Горбунова и Андрей Селуянов, живущие и работающие в Нью-Йорке. "Лента.ру" узнала у них, в чем уникальность подземных долгожителей и что это означает для людей.

Расскажите, пожалуйста, как вы занялись слепышами? Объект не самый распространенный.

Андрей Селуянов Мы начали заниматься сравнительной биологией в 2004 году, когда заинтересовались вопросами старения. И тогда единственными видами, на которых проводились подобные исследования, были человек и мышь.

Быстро стало понятно, что если мы хотим узнать, какие процессы для этого действительно важны - починка ДНК, или особый метаболизм, или что-то еще, то нам придется сравнивать разные виды. Для этого собрали целую коллекцию грызунов: у нас сейчас в лаборатории есть порядка 22 разных видов, у которых максимальная продолжительность жизни начинается с 2-3 лет у мышей и достигает 32 лет у голого землекопа.

Идея заключалась в том, чтобы на основе этой коллекции можно было заниматься поиском тех процессов, которые коррелируют с продолжительностью жизни и устойчивостью к раку. Вначале мы проводили его среди многих грызунов, а потом сконцентрировались на слепыше и голом землекопе.

Из этой пары голый землекоп почему-то более известен.

А.С. Просто потому, что больше лабораторий содержат их колонии и они действительно очень долго живут. Вообще, мы предполагаем, что слепыш живет не меньше, но он гораздо хуже изучен. Им занимается только одна лаборатория в Хайфе, это наш коллаборатор Эвиатар Нево, который содержит их уже 21 год.

Голого землекопа легко содержать, он хорошо размножается в неволе. А со слепышами все гораздо сложнее - они живут индивидуально и очень агрессивны друг к другу. Когда два животных попадают в одну клетку, они начинают драться до смерти. Слепыши не размножаются в лаборатории, поэтому каждое новое животное нужно получать из дикой природы, а живут они только в Сибири и на Ближнем Востоке.

А как вы их содержите? Прямо в земле или в обычных вольерах?

А.С. В лабораторных условиях, конечно, никто в земле грызунов не содержит, потому что в ней слишком много бактерий, которые вызывают инфекции. Наши слепыши живут в пластиковых клетках, соединенных между собой трубками. И они между этими клетками с удовольствием бегают. Мы как бы создаем подобие колоний, которые они строят в земле, только из пластика. В этом случае мы можем вольеры стерилизовать и поддерживать чистоту.

Но ведь под землей другие условия не только в смысле чистоты или отсутствия света, но и совсем иной состав воздуха - мало кислорода и высокий уровень углекислого газа.

А.С. Именно. Скажу больше, слепыши живут в Израиле, а там зимой очень много дождей. Из-за этого их тоннели оказываются совершенно затопленными в течение нескольких месяцев. Животным приходится уходить туда, где сохраняются воздушные карманы, которые совершенно изолированы от окружающей среды. И они выживают в таких условиях, хотя там-то очень низкий кислород.

Вера Горбунова. Там действительно суровые условия, и, может быть, именно поэтому у слепышей развились разные адаптации против рака и способствующие долгой жизни. Но важнее, наверное, другое. Из-за подземного образа жизни слепыши и землекопы защищены от хищников, ведь их сложно оттуда достать совам, кошкам, собакам. Срок их жизни не ограничивается внешними факторами, что очень важно - это создает условия для отбора долгоживущих особей.

Они живут в условиях кислородного голодания, но, может быть, это даже хорошо в биохимическом смысле для продления жизни? Ведь столько говорят о роли активных форм кислорода в старении. Это я к тому, что антиоксиданты часто позиционируются как препараты, замедляющие старение, в том числе "Ионы Скулачева".

В.Г. Ну да, антиоксиданты, конечно, интересны, но я хочу подчеркнуть, что в случае голого землекопа и слепыша все эти наблюдения были сделаны на животных, которые жили в обычных лабораторных условиях с высоким кислородом. То есть, даже если их достать из их обычного подземного места обитания, они продолжают оставаться долгожителями и быть устойчивыми к раку.

Это удивительные животные, и удивительны они в двух смыслах. Во-первых, как мы уже говорили, по сравнению со своими сородичами, они невероятно долго живут. Но что еще более странно - у них не обнаружено ни одного случая развития раковых опухолей. Насколько я понимаю, других таких животных не существует, по крайней мере среди млекопитающих. Хотя известно много животных, на которых тоже не охотятся хищники, и у них тоже работает отбор на увеличение продолжительности жизни. Тем не менее у многих крупных млекопитающих все равно развивается рак.

В.Г. В принципе, вы правы. Крупные млекопитающие - слоны, киты - тоже живут долго, поскольку у них нет врагов. Но насчет частоты рака у этих очень крупных видов на самом деле не так уж много известно. Мы ими тоже интересуемся, особенно китами.

А.С. Это новый проект лаборатории. Мы сейчас пытаемся получить ткани китов, но это довольно сложно.

В.Г. Мы предполагаем, что у них тоже существует выраженная устойчивость к раку. Потому что киты мало того что живут долго - они еще и очень большие. Больше клеток, следовательно, выше вероятность, что какая-то из них станет раковой. Образование мутаций случайно и поэтому может произойти с любой клеткой.

А.С. Если предположить, что вероятность злокачественного перерождения клеток кита такая же, как и клеток человека, и учесть их массу и количество делений, то у кита рак должен развиться где-то во время рождения. Но получается, что даже у взрослых особей частота образования опухолей довольно низкая (хотя точных данных нет), причем даже по сравнению с человеком.

Мы предполагаем, что у китов есть какие-то особые механизмы, которые защищают его от рака, и это как раз тот новый проект, которым мы сейчас пытаемся заниматься.

Но все-таки у слепышей и землекопов, в отличие от китов, ни одного случая рака зарегистрировано не было?

В.Г. Да, конечно, в этом они уникальны. По китам есть какие-то отдельные сообщения еще со времен китобойного промысла. Была какая-то статистика, и опухоли находили, но реже, чем можно было ожидать.

В этом смысле на слонов интересно, наверное, посмотреть.

В.Г. Да, но по размеру кит гораздо больше. Синий кит, например, в 2000 раз больше человека, а значит, вероятность рака у него должна быть в 2000 раз выше. Ведь клетки у кита и у человека одинаковы. Это отдельный проект, по которому мы пока только начинаем работать.

Понятно. Насколько я понимаю, если случаев рака у слепышей и землекопов не было обнаружено, то значит, нет и экспериментальных моделей для изучения рака?

В.Г.Это зависит от того, что мы хотим изучать. Вот у мышей легко вызвать образование опухоли, на них легко изучать онкогенез. А на примере слепышей мы хотим узнать, с помощью каких механизмов можно его предотвращать.

Вы начали с изучения клеток голых землекопов в культуре и обратили внимание, что они никогда не покрывают всю поверхность чашки, как это делают клетки других животных. Другими словами, клетки землекопа никогда не образуют монослой.

А.С. Да. Мы начинали, как я уже говорил, с 20 разных грызунов. И клетки землекопа совершенно отличались от остальных, потому что они действительно не образуют монослоя, они останавливают свое деление значительно раньше. Говоря в генетических терминах, это очень простой фенотип - его легко наблюдать, и мы задались целью установить, как он регулируется.

Оказалось, что в этом процессе участвуют два очень известных гена-супрессора опухолей - p53 и pRb. Это два основных белка, которые ответственны за защиту от рака, в том числе и у человека.

Что происходит при образовании раковой опухоли? На первых этапах клетки в ткани достигают большой плотности, и первая "полноценно раковая" клетка возникает именно в таких местах. В случае голого землекопа такого не происходит - деление его клеток останавливается еще до того, как будет достигнута высокая плотность. У землекопов есть дополнительный барьер, который не дает клеткам этого делать. Обычно при достижении высокой плотности у животных активируется один из онкосупрессоров - ген p27, но у землекопов еще до того, как это произойдет, рост клеток останавливает другой ген - p16. То есть, грубо говоря, для возникновения рака у землекопов должно образоваться на одну мутацию больше.

То есть ключевое значение имеет особая последовательность p16. А у человека и мыши она отличается?

В.Г. Это интересный вопрос. Последовательности p16 у разных животных вообще значительно отличаются - это очень быстро эволюционирующий ген. Сначала он появился только у рыб, и у них он имеет примитивную структуру. Последовательности этого гена у человека и мыши тоже отличаются, но у голого землекопа он изменился еще сильнее.

А.С. У нас есть неопубликованные пока данные, что p16, скорее всего, имеет уникальную структуру. Ее интересно было бы перенести на мышь и в будущем на человека.

А что касается самого известного онкосупрессора, p53, - он тоже отличается у человека, землекопа и слепыша?

Да, и с ним приключилась интересная эволюционная история. Когда у человека развивается опухоль, внутри нее всегда не хватает кислорода из-за недостатка кровеносных сосудов и повышенного его потребления. Поэтому для онкосупрессора p53, который стоит на страже здоровых клеток, гипоксия - это очень тревожный сигнал. Недостаток кислорода активирует p53, и он заставляет клетки уходить в апоптоз - то есть умирать запрограммированной смертью.

Но для слепышей, которые живут под землей, гипоксия - это нормальное состояние. Поэтому на каком-то этапе их эволюции в p53 возникла мутация, сделавшая этот онкосупрессор не столь чувствительным к кислороду. Само собой, такая мутация одновременно повышает риск образования опухолей. И вот на этом этапе у слепышей, по-видимому, возник какой-то механизм, который не только позволяет компенсировать вредное влияние мутации в p53, но и делает это с огромным запасом. Происходит такая антионкогенная суперкомпенсация.

А как вы перешли на клетки слепышей?

В.Г. Вначале мы занялись этим просто для того, чтобы подтвердить на новом объекте те данные, которые были получены на голом землекопе. Однако, к нашему большому удивлению, мы увидели совершенно иное поведение клеток. Они росли какое-то время, раз 15-20 делились, образовывали монослой а затем все как одна умирали. Буквально в течение трех дней на чашке не оставалось ни одной живой клетки. С таким поведением мы не сталкивались ни в одной другой клеточной культуре.

И вы назвали это синхронной клеточной смертью, которая происходит преимущественно по некротическому пути.

В.Г. Да, хотя в этом процессе немного участвует и апоптоз. Не весь он регулируется p53, поэтому, очевидно, у слепыша какие-то независимые пути апоптоза работают.

А.С. Синхронная смерть клеток у слепыша - это совершенно необычный механизм. Потому что когда клетка умирает от некроза, все ее мембраны лопаются, белки выходят наружу, и это вызывает очень мощный иммунный ответ. Обычно иммунная система с внутриклеточными белками не сталкивается и воспринимает их как враждебные. Поэтому некрозу всегда сопутствует воспаление и сильный иммунный ответ.

Это как раз очень интересно, потому что получается, что все потенциально предраковые клетки, сидящие вокруг погибшей от некроза раковой, будут убираться иммунной системой. Это похоже на тактику "выжженной земли": лучше убрать все и не иметь никаких предраковых клеток в этой части организма.

Но это же должно стимулировать, наверное, шоковую иммунную реакцию?

В.Г. Да, это то, что мы ожидаем увидеть. Видимо, для слепышей путь "выжженной земли" оказался лучшим. Интересно, что им легче возобновлять свои клетки, так как - я не упомянула об этом раньше - их теломераза постоянно активна. Это то дает клеткам неограниченный потенциал делений. Поэтому для них такой способ даже лучше, чем апоптоз.

А что свидетельствует о том, что этот феномен - действительно управляемый активный процесс, а не просто гибель клеток оттого, что им пластик на чашке не нравится?



А.С. В пользу этого у нас есть довольно много аргументов. Мы ведь прежде всего сами должны были убедиться, что это не артефакт. Перед тем как опубликовать эту статью.

Во-первых, в нашей лаборатории мы растим клетки 22-25 разных видов: грызунов, человека, сейчас пытаемся растить клетки слона. Мы знаем, как их выращивать и как подбирать условия. Конечно, всегда есть вероятность, что именно данные клетки требуют чего-то особенного. Однако мы знаем, что после 15-20 делений клетки слепышей не просто умирают, они начинают выделять некий фактор, который убивает даже молодые клетки, скажем, мышей. Мы показали, что этот фактор - это интерферон-бета.

В.Г. Кроме того, если мы в клетках инактивируем онкосупрессоры p53 и pRb, они продолжат делиться и будут жить еще долго. Это напрямую показывает, что процесс клеточной смерти регулируется.

А при классическом некрозе не происходит выбрасывание интерферона-бета?

А.С. Обычно нет. Интерферон-бета используется для того, чтобы бороться с вирусами. Уникальность слепыша в том, что тот же самый механизм, который человек использует против вирусов, он применяет, чтобы убрать раковые клетки. Поскольку это не что-то экзотическое, вообще говоря, мы можем надеяться, что его довольно легко перенести на людей.

Когда вы говорите о переносе на человека, как вы представляете себе этот процесс? Инъекции интерферона в опухоль или что-то вроде этого?

В.Г. Лучше всего, если бы мы смогли активировать какие-то пути в предраковых клетках, чтобы они сами начинали вырабатывать интерферон. Тогда его влияние было бы специфично именно к предраковым клеткам.

А.С. Сейчас мы пытаемся разобраться как раз в механизме того, как интерферон-бета индуцируется в ответ на повышенное деление клеток. Белки, которые участвуют в этом, могут стать потенциальными мишенями для лекарств. Тогда, возможно, мы сможем воспроизвести такую реакцию.

Как мне показалось, с эволюционной точки зрения самое удивительное в вашей работе - это то, что у слепыша и землекопа развились одинаково эффективные, но совершенно разные механизмы защиты от рака.

В.Г. Это удивительно, но, вообще говоря, понятно. Очевидно, что оба вида перешли к подземному образу жизни независимо, и эволюция тут пошла по разным путям.

А.С. У нас есть еще несколько грызунов, которые, тоже, скорее всего, используют особые механизмы защиты от рака. Например, американская серая белка, у которой продолжительность жизни составляет 24 года, что тоже довольно много. Мы делали небольшое исследование культуры ее клеток, и они ведут себя совершенно отлично от клеток землекопа и слепыша. Скорее всего, в мире животных много таких механизмов, которые эволюционировали независимо.

Вопрос только в том, почему человеку с этим не повезло.

В.Г. Это смотря с кем сравнивать. У человека, например, существенно выше устойчивость к раку, чем у мышей.

А.С. Что касается приматов, то они используют совершенно иные механизмы, прежде всего, ингибирование теломеразы. У всех небольших (до пяти килограмм) грызунов теломераза в норме активна, и их механизмы устойчивости связаны с какими-то иными путями.

Это как раз интересно, так как иной механизм сразу дает большой простор для воздействия - ингибировать теломеразу в качестве борьбы с раком у человека бессмысленно, она уже полностью выключена.

Ваша работа и вообще существование этих животных говорит о том, что в принципе можно надеяться на то, что возможна долгая жизнь без рака. Причем достичь ее можно даже разными способами.

А.С. Хотелось бы надеяться на это. Даже самые прогрессивные методы лечения рака, и существующие, и те, которые сейчас только разрабатываются, - это все-таки методы лечения. Мы же говорим о предотвращении, и в этом большая разница.

Кстати, я забыл спросить - если не от рака, то отчего слепыши и землекопы, собственно, умирают?

В.Г. О смертности слепышей мы, честно говоря, не много знаем. Там нет какой-то одной главной причины. По голому землекопу были опубликованы исследования, и большинство из них умирает от драк.

А.С. Они живут колониями, у них жесткая иерархия, поэтому они постоянно дерутся и получают травмы. Основная причина смерти в лаборатории, не связанная с исследованиями, - это травмы. Бывает, что королева вдруг невзлюбит какое-то животное, начинает на него нападать, кусать и в итоге убивает. Это основная причина их смерти.

В.Г. Пока у нас не было ни одного случая (а мы эту колонию содержим более 5 лет), чтобы животное умерло от какой-то болезни. Каждый раз, когда такое случалось, оно было просто покусано. Вы же помните, какие у них большие зубы...

Я просто подумал, не умирают ли они от инфаркта или каких-то других старческих болезней.

В.Г. Это возможно, наверное, если наблюдать их дольше. Но проблема в том, что они все-таки очень долго живут! Чтобы сделать такое исследование, надо получить очень много старых животных. У нас есть колония мышей и колония голых землекопов приблизительно одинаковых размеров: мыши заболевают чем-нибудь буквально каждый день, а землекопы все здоровы.

А.С. Причем мышей нам приходится содержать в вивариуме, где они защищены от вирусов и получают стерильную воду. А голых землекопов мы содержим в нашей лаборатории, где абсолютно никаких особенных условий нет. Воздух обычный, подстилка из магазина, еда из магазина - даем им самые обычные овощи. Живут в нормальных условиях и ничем не болеют. А мышь, несмотря на то что защищена от всего, болеет постоянно.

То есть их можно содержать как домашних животных?

А.С. Да. Они, кстати, довольно дружелюбны, голые землекопы. Слепыши очень злобные, потому что живут индивидуально.

В.Г. Голый землекоп, наверное, тоже не самое идеальное домашнее животное: они в обычных условиях мерзнут, лучше держать их при 30 градусах Цельсия. Кстати, поэтому они легко идут на руки - им нравится греться. Голые землекопы любят собираться в одной комнате в туннеле и складываться в такую горку. Им вне Африки все-таки холодновато.

Понятно. В конце я, наверное, задам вопрос скорее философского плана. Среди биологов, изучающих старение, грубо говоря, существуют два клана, которые считают, с одной стороны, что старение - это врожденная программа - следовательно, ее потенциально можно отключить. Другие ученые придерживаются мнения, что старение - это накопление ошибок, поэтому радикальное продление жизни невозможно. Вы к какому лагерю можете себя отнести?

В.Г. К тому, который считает, что это довольно сложный вопрос. Мы не думаем, что старение - это какая-то развитая программа, что есть какой-то ген смерти, который можно убрать и мы начнем жить вечно. Скорее всего, в старении действительно есть запрограммированные элементы и есть элементы, которые происходят из-за накопления повреждений.

Где-то, скажем, до среднего возраста, у нас эффективно работают системы репарации ДНК, деградации поврежденных белков и замены тканей. После сорока-пятидесяти эти механизмы начинают постепенно выключаться.

А.С. Мы не говорим о запрограммированном старении, запрограммированном умирании, мы говорим о запрограммированном долголетии, потому что, чтобы жить долго, нужно этот процесс запрограммировать. Если у животного есть отбор на долголетие, у него формируются соответствующие эволюционные механизмы. Собственно, в своей работе именно их мы и исследуем. Источник