4.1. Многоклеточный организм и рак
Без эволюционного понимания природы появления первичных организмов невозможны как понимание механизмов развития опухолей, так и разработка современных методов лечения. Природа онкологических процессов непосредственно связана с усложнением регулирования функционирования клетки и ее взаимодействия с другими клетками в ходе появления многоклеточных организмов. Определяющим моментом эволюционного появления клетки было образование того, что мы сейчас называем плазматической мембраной. Это молекулярная структура из белков и липидов, способная защитить внутри клетки генетический материал, необходимый для роста и воспроизведения в ходе клеточного цикла. Клетки делятся на две большие принципиально отличающиеся группы: прокариоты и эукариоты. В отличие от прокариотических, где генетический материал расположен непосредственно в цитоплазме и зачастую представлен одной кольцевой ДНК, у клеток эукариот генетический материал находится в ядре и защищен ядерной оболочкой. Кроме того, эукариотическая клетка содержит различные органеллы, в том числе митохондрии, комплекс Гольджи и эндоплазматический ретикулум — структуры, также включающие мембраны.
Такие дополнительные органеллы эукариотической клетки, как митохондрии, имеют ряд характерных признаков: они содержат свою собственную генетическую информацию, реплицируются в ходе клеточного цикла, их активность регулируется клеточными сигналами, и они могут производить энергию в процессе метаболизма.
На данный момент известно около 200 семейств генов, общих для прокариот и эукариот.
Все одноклеточные организмы имеют тенденцию к неограниченному размножению в зависимости от наличия ресурсов. Таким образом, жизненный цикл каждого из этих организмов совпадает со временем, необходимым для размножения (то есть для завершения клеточного цикла), причем клеточный цикл представляет собой комплекс событий, в результате которых одна клетка делится на две. Прокариоты не стареют: их жизненный цикл очень прост. Они погибают, когда условия становятся неблагоприятными, а пищи становится мало, хотя это не всегда так: в определенных условиях некоторые клетки могут впадать в «спячку» и возобновлять рост, когда окружающая среда снова становится благоприятной.
В большинстве эукариотических клеток проявляется старение: продолжительность их жизни регулируется внутренними часами, состоящими из теломер и теломеразы. Основными физиологическими событиями в жизненном цикле отдельной клетки являются размножение посредством митоза, реакция на повреждение, гибель клетки и движение. Клетки делятся посредством митоза — процесса, при котором генетический код дублируется, а затем клетки делятся на равные новые клетки. Поскольку клетки подвергаются внешним воздействиям, химическим или физическим, присутствуют механизмы восстановления, которые могут блокировать дальнейшее деление до тех пор, пока не будут внесены необходимые исправления. Если нарушения невосстановимы, клетки могут вызвать собственную гибель посредством апоптоза. Апоптоз происходит не только вслед за патологическими изменениями, но может быть запущен и в определенные моменты развития организма.
В ходе эволюции многоклеточные организмы появлялись неоднократно и в разное время, более того использовались разные стратегии многоклеточности. Например, в то время как растения сконцентрировались на формировании жесткой клеточной стенки, которая объединяет разные клетки в один организм, клетки животных, у которых нет подобных структур, должны были полагаться на специальные мембранные белки — молекулы клеточной адгезии, обеспечивающие связывание клеток с внеклеточным матриксом (ВКМ) и друг с другом. Первым шагом перехода от одноклеточных к многоклеточным считается возникновение колониальных организмов, причем каждый член колонии может существовать самостоятельно. Колонии обладали рядом преимуществ по сравнению с одноклеточными организмами и образовывались в процессе деления клеток, при котором клетки не расходились, а объединялись в сложный консорциум. Расцвет многоклеточных организмов начался 600 млн лет назад, хотя возникли они намного раньше — около 2 млрд лет назад. Появились сложные организмы из множества клеток с разнообразными функциями, деятельность которых необходимо координировать. Требовалась усложненная система управления и контроля со стороны генетического аппарата. Основой генетического аппарата новых многоклеточных стал геном их предшественников, какие-то семейства генов подверглись коррекции, какие-то были «выключены». Гены, присутствовавшие в первых сложных организмах, «создавались» в течение почти миллиарда лет, и еще столько же времени ушло на «разработку» генетического аппарата следующего поколения многоклеточных. Вывести ген из строя или разрушить существующую отрицательную обратную связь между генами в ходе эволюционного процесса проще, чем создать новый генетический механизм. Таким образом, одной из причин развития опухолевых процессов могут быть «спящие» гены клеточной кооперации, которые появились около миллиарда лет назад одновременно с возникновением многоклеточных организмов. Если механизмы репарации ДНК не справляются со «сбоем», то возможна активация «древних» механизмов образования колоний. Расшифровка генома губки амфимедон квинслендский (Amphimedon queenslandica) выявила участки ДНК, отвечающие за рудиментарную клеточную кооперацию, в том числе за сцепление клеток и, что особенно важно, за регулирование разрастания. В организмах современных многоклеточных неполадки в работе этих генов вызывают неконтролируемый опухолевый рост.