Инфекционный рак
Михаил Гельфанд, «Природа» №2, 2016
Опубликовано на сайте «Элементы»
Когда говорят о раке как об инфекционном заболевании, обычно имеют в виду вирусы, которые провоцируют его развитие.
В русскоязычной медицинской литературе под раком подразумевают только злокачественные новообразования из эпителиальной ткани. Согласно англоязычной медицинской терминологии, рак – это любая злокачественная опухоль, а та, которая развивается из эпителиальной ткани, – карцинома. В этой статье для простоты под словом «рак» тоже подразумеваются любые злокачественные новообразования.
Среди самых известных примеров – вирусы папилломы человека 16-го и 18-го типов (вызывающие рак шейки матки), вирус Эпштейна – Барр, или вирус герпеса человека 4-го типа (лимфома Беркитта), и вирус саркомы Рауса (злокачественные опухоли соединительной ткани у птиц). Рак могут также провоцировать некоторые паразитические плоские черви, например кошачья двуустка (Opisthorchis felineus) и шистосома (Schistosoma) [1].
Однако есть заболевания, которые переносятся самими раковыми клетками. Попав в новый организм, они становятся родоначальниками опухоли. Тем самым, мы имеем дело с классическим инфекционным агентом, использующим хозяина для размножения и дальнейшего переноса в другой организм. Хотя известно всего несколько таких случаев, их список постепенно растет – и, похоже, то, что раньше считалось исключением, вполне может оказаться правилом. Изучение таких видов рака (в частности, выяснение их эволюционной истории и эпидемиологические исследования) существенно продвинулось в последние несколько лет благодаря секвенированию геномов опухолевых клеток.
Собаки
Один из таких видов рака – трансмиссивная венерическая саркома собак (Canine Transmissible Venereal Tumor – CTVT). Это опухоль наружных половых органов псовых, известная как отдельное заболевание уже более 200 лет [2]. В 1876 г. российский ветеринар М. А. Новинский продемонстрировал передачу болезни при переносе раковых клеток от больной собаки здоровой [3]. Хотя опухоль выглядит ужасно, в большинстве случаев она поддается полному излечению с помощью химиотерапии, а иногда даже сама исчезает через несколько месяцев.
Геном этой опухоли, а точнее, два генома – опухолей чистопородного американского кокер-спаниеля из Бразилии и собаки австралийских аборигенов, секвенировали в 2014 г. [4]. Количество мутаций в каждом из геномов примерно в 100 раз превышало число мутаций других раковых опухолей, что отражает давнюю историю накопления этих изменений. Свыше 10 тыс. генов – чуть меньше половины – имеют мутации, которые полностью разрушают более чем 600 генов. Спектр наблюдаемых нуклеотидных замен напоминает некоторые виды человеческого рака; в частности, хорошо заметны мутации, вызываемые ультрафиолетовым излучением.
Из сопоставления с геномами современных собак выяснилось, что представитель семейства псовых, в котором зародилась опухоль, жил около 11 тыс. лет назад и больше всего походил на аляскинского маламута. Это была среднего или крупного размера собака, черная либо двухцветная – темная на большей части тела и более светлая на животе, лапах. Часть генов, связанных с одомашниванием, имела аллели, характерные для волков, что отражает древность и некоторую примитивность породы. При этом секвенированные геномы двух опухолей разошлись менее 500 лет назад. Это может означать, что трансмиссивная венерическая саркома была занесена в Австралию собаками первых европейских поселенцев.
Оказалось также, что древняя собака происходила из небольшой, генетически однородной популяции. Возможно, это сказалось на первых этапах возникновения патогенного клона: поскольку собаки были близкими родственниками, клетки одной особи после заражения другой не уничтожались ее иммунной системой.
Тасманийские дьяволы
Клетки еще одного вида инфекционного рака – лицевой опухоли тасманийского дьявола (Devil Facial Tumor Disease – DFTD) – молодой патоген в отличие от клеток венерической саркомы собак. Тасманийские дьяволы – самые крупные хищники среди сумчатых млекопитающих, живущие на о. Тасмания. В 1996 г. на северо-западе острова было отмечено начало эпизоотии. Болезнь, проявляющаяся в больших и часто метастазирующих опухолях морды и полости рта, быстро распространяется и угрожает существованию вида.
Довольно быстро выяснилось, что заболевание разносится за счет передачи раковых клеток при укусах (а тасманийские дьяволы достаточно агрессивны) [5]. Некоторые особенности экспрессии генов этих клеток указывают на то, что они происходят из нервного гребня – вероятно, из шванновских клеток, в норме формирующих миелиновые оболочки нервных волокон.
В 2012 г. были секвенированы геномы двух здоровых особей тасманийского дьявола и двух заболевших DFTD из географически отдаленных областей. Анализ филогенетических деревьев, построенных по митохондриальным геномам; отсутствие следов опухолевых клеток в музейных образцах, собранных в 1941–1989 гг.; высокая заразность и бросающиеся в глаза внешние проявления – все эти факторы делают маловероятным возможность того, что болезнь долго существовала незамеченной в популяции тасманийских дьяволов [6]. Подсчет количества различий между двумя опухолевыми геномами и сопоставление их с геномами нормальных клеток позволили оценить скорость накопления мутаций и давление естественного отбора, а также показали, что прочитанные раковые геномы разошлись вскоре после появления предковой опухолевой клетки. При этом в обоих раковых геномах присутствует один и тот же набор предпочитаемых типов замен (какой нуклеотид каким заменяется чаще всего), что свидетельствует о каком-то молекулярном дефекте в механизме репликации или репарации у общего предка. Дополнительное генотипирование еще 69 больных животных позволило предположить не только время, но и место появления предкового клона на п-ове Форестье, а также подтвердило происходящее сейчас быстрое распространение одного из генетических вариантов опухоли.
Одно из предположений о том, как клетки лицевой опухоли избегают реакции со стороны иммунной системы нового хозяина, было основано на относительно малом генетическом разнообразии тасманийских дьяволов. У нескольких заболевших особей обнаружили два генетически различных типа клеток – т.е. эти животные как минимум дважды заразились патогенными клетками. Оказалось, однако, что у здоровых тасманийских дьяволов развивается нормальная реакция отторжения при пересадке ткани от другой особи. В дальнейшем выяснилось, что клетки лицевой опухоли не экспрессируют гены главного комплекса гистосовместимости и, видимо, таким образом избегают атаки иммунной системы [7].
Стратегия спасения вида понятна, хотя и печальна: нужно изолировать достаточное для сохранения генетического разнообразия количество особей тасманийского дьявола и повторно заселить ареал после вымирания диких животных – носителей и жертв болезни. Современные ученые имеют уникальную возможность наблюдать взрывную эпидемию инфекционного рака, и их первоочередная задача – собрать как можно большее число образцов для дальнейшего изучения.
Двустворчатые моллюски
Впрочем, уникальна ли эпизоотия лицевой опухоли тасманийского дьявола? Оказывается, аналогичная быстро распространяющаяся болезнь поражает двустворчатых моллюсков на Атлантическом побережье Северной Америки. Впервые развитие заболевания заметили в 1970-х годах у съедобных моллюсков Mya arenaria [8]. Оно выражается в неконтролируемом делении клеток иммунной системы и напоминает лимфому.
В раковых клетках обнаружили высокую экспрессию гена обратной транскриптазы, характерного для вирусов и подвижных элементов генома. Источником этой повышенной экспрессии оказался новый ретротранспозон (мобильный элемент генома, распространяющийся в нем через промежуточную стадию молекулы РНК) – Steamer. Естественно, предположили, что причина рака – вызванная ретротранспозоном геномная нестабильность [9]. Однако более подробный анализ показал, что у раковых клеток разных особей места внедрения ретротранспозона в геном совпадают и при этом отличаются от позиций Steamer в геномах хозяев [10]. Тем не менее множество копий ретротранспозона в геноме раковых клеток (150–300 штук в отличие от 2–10 в нормальных клетках) и тот факт, что большинство мест интеграции совпадает у разных экземпляров опухоли, позволяют предположить, что Steamer сыграл роль в первичной трансформации клеток.
Похожие опухоли были замечены и у других двустворчатых моллюсков: мидий, устриц, гребешков [11]. Интересно, что у тихоокеанских мидий (Mytilus trossulus) раковые клетки разных особей имеют одинаковый набор полиморфизмов. Это также может быть свидетельством общности происхождения опухолей и, стало быть, инфекционного пути возникновения рака [12]. У беспозвоночных нет главного комплекса гистосовместимости – основного защитника от внедрения чужеродных клеток – и потому нет возможности препятствовать экспансии инфекционных опухолевых клонов. Будем надеяться, что понимание механизма распространения инфекционного рака моллюсков поможет найти новые примеры среди других беспозвоночных.
Человек
Человек может заразиться раком при трансплантации органов, если в пересаженных тканях был незамеченный опухолевый клон [13]. Известен также случай, когда хирург, повредивший руку при операции, заразился саркомой [14]. Но, пожалуй, самая удивительная (и, увы, трагичная) история произошла с сорокалетним мужчиной из Колумбии, больным синдромом приобретенного иммунодефицита [15].
При первичном обследовании оказалось, что он заражен карликовым цепнем (Hymenolepis nana), но главным, разумеется, было не это, а многочисленные неоплазии в легких и в лимфатических узлах. Новообразования состояли из атипичных клеток малого размера, хотя некоторые были крупными и содержали множественные ненормальные ядра с большим количеством ядрышек.
Как пишут авторы публикации, этот случай был диагностическим кошмаром. С одной стороны, клинически опухоль вела себя как раковая – захватывала соседние ткани, клетки были одинаковыми и выглядели, как стволовые (высокое соотношение объемов ядра и цитоплазмы). С другой – маленький размер клеток указывал на инфекцию, вызванную неизвестным, возможно, одноклеточным эукариотическим патогеном. Клетки с множественными ядрами напоминали клетки слизевиков. Вероятность глистной инвазии рассматривалась, но была отклонена из-за примитивного, недифференцированного вида клеток и полного отсутствия цитологических признаков, характерных для паразитирующих червей.
Точный диагноз поставили лишь за 72 ч до смерти, когда из-за отказа почек состояние пациента было уже настолько плохим, что не было смысла применять специфическое лечение. Секвенирование генома клеток опухоли показало, что их источником был тот самый карликовый цепень, причем раковые клетки претерпели множественные геномные перестройки, как часто бывает и при обычных типах рака. Известно, что у пациентов с подавленной иммунной системой развитие ленточного червя часто идет по ненормальному пути – с образованием гигантских, плохо сформировавшихся организмов. По всей видимости, нормальное развитие требует взаимодействия с иммунной системой хозяина. Однако известны случаи неоплазий и у свободно живущих плоских червей. Таким образом, похоже, нет ничего исключительного в раке, вызванном перерождением клеток паразита.
Клетки HeLa
Болезнь Генриетты Лакс (Henrietta Lacks), родившейся в 1920 г., а умершей в возрасте 31 года от рака шейки матки, который дал многочисленные метастазы, диагностировали незадолго до смерти женщины. Поставленный диагноз «эпидермоидная карцинома» оказался неверным – на самом деле это была аденокарцинома шейки матки. Впрочем, эта частая в то время ошибка все равно не повлияла бы на лечение – радиотерапию с использованием источника излучения, вшиваемого внутрь тела. Образец опухолевой ткани, полученный во время операции, попал в распоряжение доктора Джорджа Отто Гая (George Otto Gey). Он обнаружил, что клетки образца способны неограниченно делиться. Так была создана «бессмертная» линия клеток человека HeLa (названная по имени носительницы опухоли), которая по сей день используется в тысячах биологических опытов и с помощью которой в промышленных масштабах производили вакцину от полиомиелита, после того как ее разработал вирусолог Джонас Солк (Jonas Salk).
Однако жизнеспособность клеток HeLa имеет и плохие последствия. Уже в 1960-х годах обнаружилось, что многие лабораторные клеточные линии заражены HeLa; по состоянию на сегодня – 10–20% [16, 17]. Таким образом, линия HeLa ведет себя почти как патоген, только ее хозяин – не организм, а клетки, культивируемые в лабораториях.
В марте 2013 г. геном одной из сублиний клеток HeLa был опубликован, однако по просьбе родственников Г. Лакс доступ к нему закрыли [18]. В августе того же года было достигнуто соглашение, согласно которому исследования, использующие геном клеток HeLa, должны проводиться исключительно в медицинских целях, а результаты следует помещать в единую базу данных [19]. Доступ к ней регулируется специальным комитетом, состоящим из биологов, специалистов по биоэтике и членов семьи Г. Лакс. Одновременно была опубликована вторая версия генома клеток HeLa и данные о перестройках в еще нескольких сублиниях [20]. Причиной трансформации, которая привела к роковой болезни знаменитой пациентки, стала интеграция вируса папилломы 18-го типа, вызвавшая активацию протоонкогена MYC.
Итак, похоже, что раковые клоны иногда ведут себя как самостоятельные одноклеточные патогенные организмы. Они преодолевают иммунологические барьеры при их ослаблении или в ситуации малого антигенного разнообразия у хозяев. Естественно предположить, что известные примеры вовсе не исчерпывают имеющегося многообразия инфекционных типов рака. Приблизительно понятно, где искать новые – в относительно больших, но генетически однородных популяциях. Существование таких видов рака указывает на одну из возможных причин появления генов тканевой несовместимости (которые сейчас так мешают при пересадке органов) – эволюционное преимущество, которое они давали, могло состоять как раз в защите от инфекционных опухолевых клонов.
***
Во время подготовки данной статьи к печати, буквально в последние дни 2015 г., вышла публикация о втором клоне лицевой опухоли тасманийского дьявола – DFT2 [21]. Вызываемые этим клоном опухоли внешне неотличимы от тех, причина появления которых – первый описанный клон DFT1. Внешне, но не гистологически или цитогенетически! В частности, клон DFT2 имеет Y-хромосому, а значит, его родоначальником был самец, в то время как клетки DFT1 происходят от самки. Имеются также различия в длинах микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК) и в аллелях главного комплекса гистосовместимости. Вероятно, скоро выйдет статья про геном DFT2, которая, будем надеяться, позволит построить гипотезы о механизмах возникновения этих клонов. Хотя авторы предполагают, что тасманийские дьяволы по каким-то причинам особо склонны к порождению опухолевых клонов, сложно объяснить, почему тогда этот вид до сих пор не вымер, учитывая ураганный характер нынешней эпидемии. В качестве совсем уж дикой гипотезы можно предположить, что клон DFT2 все же происходит от клеток DFT1, испытавших (частичную?) гибридизацию с клеткой зараженной особи. В самом деле, история трансмиссивной венерической саркомы собак включает горизонтальный перенос митохондриального генома от хозяина к опухоли [22]. Нечто подобное могло произойти и в случае с лицевой опухолью тасманийского дьявола. Это будет ясно после определения геномной последовательности DFT2, пока же никаких общих специфических маркеров у двух клонов не найдено. Правда, если гибридизация привела к полной замене генетического материала, не очень понятно, как ее детектировать существующими сегодня методами.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-24-00155).
Литература
1. Brindley P. J., da Costa J. M., Sripa B. Why does infection with some helminths cause cancer? // Trends Cancer. 2015. V. 1. P. 174–182. DOI: 10.1016/j.trecan.2015.08.011
2. Blaine D. P. A domestic treatise on the diseases of horses and dogs. L., 1803.
3. Novinski M. A. Zur frage uber die impfung der krebsigen geschwulste // Zentr. Med. Wiss. 1876. V. 14. P. 790–791.
4. Murchison E. P., Wedge D. C., Alexandrov L. B. et al. Transmissible dog cancer genome reveals the origin and history of an ancient cell lineage // Science. 2014. V. 343. P. 437–440. DOI: 10.1126/science.1247167
5. Pearse A. M., Swift K. Allograft theory: transmission of devil facial-tumour disease // Nature. 2006. V. 439. P. 549. DOI: 10.1038/439549a
6. Loh R., Bergfeld J., Hayes D. et al. The pathology of devil facial tumor disease (DFTD) in Tasmanian Devils (Sarcophilus harrisii) // Vet. Pathol. 2006. V. 43. P. 890–895. DOI: 10.1354/vp.43-6-890
7. Siddle H. V., Kreiss A., Tovar C. et al. Reversible epigenetic down-regulation of MHC molecules by devil facial tumour disease illustrates immune escape by a contagious cancer // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. P. 5103–5108. DOI: 10.1073/pnas.1219920110
8. Brown R. S., Wolke R. E., Saila S. B. et al. Prevalence of neoplasia in 10 New England populations of the soft-shell clam (Mya arenaria) // Ann. NY Acad. Sci. 1978. V. 298. P. 522–534. DOI: 10.1111/j.1749-6632.1977.tb19287.x
9. Arriagada G., Metzger M. J., Muttray A. F. et al. Activation of transcription and retrotransposition of a novel retroelement, Steamer, in neoplastic hemocytes of the mollusk Mya arenaria // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. P. 14175–14180. DOI: 10.1073/pnas.1409945111
10. Metzger M. J., Reinisch C., Sherry J. et al. Horizontal transmission of clonal cancer cells causes leukemia in soft-shell clams // Cell. 2015. V. 161. P. 255–263. DOI: 10.1016/j.cell.2015.02.042
11. Carballal M. J., Barber B. J., Iglesias D. et al. Neoplastic diseases of marine bivalves // J. Invertebr. Pathol. 2015. V. 131. P. 83–106. DOI: 10.1016/j.jip.2015.06.004
12. Vassilenko E. I., Muttray A. F., Schulte P. M. et al. Variations in p53-like cDNA sequence are correlated with mussel haemic neoplasia: A potential molecular-level tool for biomonitoring // Mutat. Res. 2010. V. 701. P. 145–152. DOI: 10.1016/j.mrgentox. 2010.06.001
13. Gandhi M. J., Strong D. M. Donor derived malignancy following transplantation: a review // Cell Tissue Bank. 2007. V. 8. P. 267–286. DOI: 10.1007/s10561-007-9036-1
14. Gärtner H. V., Seidl C., Luckenbach C. et al. Genetic analysis of a sarcoma accidentally transplanted from a patient to a surgeon // N. Engl. J. Med. 1996. V. 335. P. 1494–1496. DOI: 10.1056/NEJM199611143352004
15. Muehlenbachs A., Bhatnagar J., Agudelo C. A. et al. Malignant transformation of Hymenolepis nana in a human host // N. Engl. J. Med. 2015. V. 373. P. 1845–1852. DOI: 10.1056/NEJMoa1505892
16. Gartler S. M. Apparent HeLa cell contamination of human heteroploid cell lines // Nature. 1968. V. 217. P. 750–751.
17. Masters J. R. HeLa cells 50 years on: the good, the bad and the ugly // Nat. Rev. Cancer. 2002. V. 2. P. 315–319. DOI: 10.1038/nrc775
18. Landry J. J., Pyl P. T., Rausch T. et al. The genomic and transcriptomic landscape of a HeLa cell line // G3 (Bethesda). 2013. V. 3. P. 1213–1224. DOI: 10.1534/g3.113.005777
19. Callaway E. Deal done over HeLa cell line // Nature. 2013. V. 500. P. 132–133. DOI: 10.1038/500132a
20. Adey A., Burton J. N., Kitzman J. O. et al. The haplotype-resolved genome and epigenome of the aneuploid HeLa cancer cell line // Nature. 2013. V. 500. P. 207–211. DOI: 10.1038/nature12064
21. Pye R. J., Pemberton D., Tovar C. et al. A second transmissible cancer in Tasmanian devils // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. DOI: 10.1073/pnas.1519691113
22. Lu X., Kang Y. Cell fusion as a hidden force in tumor progression // Cancer Res. 2009. V. 69. P. 8536–8539. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-09-2159
Об авторе
Михаил Сергеевич Гельфанд – доктор биологических наук, профессор, член Европейской академии, заместитель директора Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Область научных интересов – биоинформатика, молекулярная эволюция, системная биология, сравнительная и функциональная геномика, метагеномика.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru