Эпигенетика

Глава 11. Война с внутренним врагом

В науке существует множество примеров того, как случайное, казалось бы, событие приводило к великим открытиям. Наверное, наиболее известным среди этих примеров является история о том, как Александр Флеминг обнаружил, что плесенный грибок, случайно оказавшийся в экспериментальной чашке Петри, убил культивируемые там бактерий. Это и стало тем случайным событием, которое привело к открытию пенициллина и последующему появлению антибиотиков. В результате этого выдающегося, но сделанного совершенно случайно открытия, были спасены жизней миллионов людей.

В 1945 году Александр Флеминг был удостоен Нобелевской премии в области медицины вместе с Эрнстом Чейном и Говардом Флори, разработавшими способы промышленного получения пенициллина, что сделало возможным использовать антибиотик в терапевтических целях. Знаменитое высказывание Айзека Азимова, вынесенное в эпиграф настоящей главы, подсказывает нам, что Александр Флеминг был не просто счастливчиком, которому улыбнулась неожиданная удача. Его прозрение не было чистым везением. Очень маловероятным представляется то, что Флеминг был первым ученым, культуры бактерий которого оказались инфицированными плесенным грибком. Его открытие стало результатом понимания, что происходит нечто необычное, и осознания значимости этого явления. Благодаря своим знаниям и профессиональной подготовке Флеминг смог из случайного события сделать далеко идущие выводы. Он видел то, что, возможно, видели до него многие другие исследователи, но его мышление было совершенно другим.

Даже если мы согласимся с тем, что случайные события играют заметную роль в научных исследованиях, мы все же почувствуем себя увереннее, если будем считать, что наука обычно развивается по логическому и упорядоченному пути. Вот одна из тропинок, следуя которой, мы могли бы представить себе такой прогресс в эпигенетике…

Эпигенетические модификации контролируют судьбу клетки — это те самые процессы, благодаря которым клетки печени, например, остаются клетками печени, а не превращаются в другие типы клеток. Рак представляет собой резкий сбой в нормальном контролировании судьбы клетки, в результате которого клетки печени перестают быть самими собой и превращаются в раковые клетки, из чего следует, что при раке эпигенетическая регуляция становится аномальной. Следовательно, мы должны направить свои усилия на разработку препаратов, которые бы препятствовали нарушению эпигенетической регуляции. Такие лекарственные препараты оказались бы чрезвычайно полезны для лечения и профилактики рака.

Процесс этот требует тщательных разработок и больших затрат. Действительно, фармацевтические компании по всему миру на разработки эпигенетических лекарственных средств, способных помочь выполнению этой задачи затрачивают сотни миллионов долларов. Однако этот процесс представляется простым и понятным лишь в теории, тогда как на практике поиски лекарства от рака выглядят совсем иначе.

Уже существуют лицензированные препараты для лечения рака, принцип действия которых основан на подавлении эпигенетических ферментов. Эти соединения проявили себя как средства против раковых клеток прежде, чем их стали применять для подавления эпигенетических ферментов. В действительности, именно эффективность этих соединений пробудила интерес к эпигенетической терапии, как и ко всей эпигенетике в целом, хотя путь к успеху не был усыпан розами.

Когда-то давным-давно, в самом начале 1970-х, молодой южноафриканский ученый по имени Питер Джонс работал с химическим соединением под названием 5-азацитидин. Это соединение, о чем на тот момент уже было известно, обладало противораковым действием, поскольку было способно остановить деление раковых клеток при лейкемии, и демонстрировало обнадеживающие результаты при испытании его на больных лейкемией детях[167].

Сегодня Питер Джонс является признанным во всем мире первооткрывателем эпигенетических методик лечения рака. Высокий, худощавый, загорелый, с густым ежиком седых волос он, как магнит, притягивает к себе внимание участников крупных конференций. Подобно многим поистине великим ученым, с которыми мы уже познакомились на страницах этой книги, он посвятил десятилетия своей жизни исследованиям в только начинавшей развиваться области науки. Питер Джонс и сегодня остается в первых рядах тех, кто прикладывает все силы, чтобы понять влияние на здоровье эпигенетических факторов. Сейчас главные его усилия направлены на составление характеристик всех эпигенетических модификаций, присутствующих в широчайшем многообразии различных типов клеток и заболеваний. Теперь в его распоряжении находятся технологии, позволяющие его сотрудникам анализировать миллионы данных, получаемых с самого современного сложнейшего оборудования. Тогда же, в 1970-х, ученый сделал свое первое открытие исключительно благодаря собственной наблюдательности и старательности — просто необходимых настоящему ученому качеств.

Сорок лет назад никто до конца не понимал, как действует 5-азацитидин. По химическому строению он очень похож на основание Ц (цитидин) в ДНК и РНК. 5-азацитидин, как предполагалось, добавлялся в цепочки ДНК и РНК. Оказавшись там, он каким-то образом нарушал нормальное копирование ДНК и транскрипцию или активность РНК. Раковые клетки, подобные тем, что возникают при лейкемии, чрезвычайно активны. Им необходимо синтезировать в больших объемах белки, а это значит, что они должны транскрибировать большие количества мРНК. Так как делятся они очень быстро, им, кроме того, нужно стремительно воспроизводить свои ДНК. Но если в один или оба эти процесса вмешивался 5-азацитидин, то вещество, так или иначе, препятствовало росту и делению раковых клеток.

Питер Джонс с коллегами изучали воздействие 5-азацитидина на различные клетки млекопитающих. Выращивать множество типов клеток в лабораторных условиях, если брать их непосредственно у человека или животных — задача невероятно кропотливая. Даже если создать все необходимые условия для роста клеток, они могут вдруг перестать делиться после нескольких циклов и погибнуть, что случается довольно часто. Чтобы обойти эту проблему, Питер Джонс работал с клеточными линиями. Клеточные линии изначально получают от животных, включая человека, но в результате удачного стечения обстоятельств или экспериментальных манипуляций они способны расти в культуре при наличии необходимых питательных веществ, подходящей температуры и условий окружающей среды неограниченное время. Клеточные линии несколько отличаются от непосредственно клеток организма, тем не менее, они представляют собой вполне пригодную экспериментальную систему.

Типы клеток, которые исследовали Питер Джонс и его коллеги, обычно выращиваются в плоских пластиковых колбах, в чем-то похожих на лежащие на боку прозрачные плоские фляжки для виски или бренди. Клетки млекопитающих выращиваются на плоской внутренней поверхности таких фляжек. Они образуют единственный слой клеток, лежащих вплотную друг к другу, но никогда не растут слоями.

Однажды утром, после того как уже в течение нескольких недель клетки культивировались в вместе с 5-азацитидином, исследователи обнаружили в одной из колб с культурой странный комок. Для невооруженного глаза на первый взгляд он выглядел как грибковая инфекция. Большинство людей в такой ситуации вымыли бы колбу и дали себе слово впредь быть более аккуратными при культивировании клеток, чтобы подобное больше никогда не повторилось. Но Питер Джонс поступил иначе. Он тщательно исследовал этот комок и пришел к выводу, что тот был вовсе не грибком. Этот комок состоял из огромного количества клеток, слившихся в гигантские клетки с множеством ядер. Там были крошечные мышечные волокна, синцитиальные ткани, с которыми мы встречались при обсуждении процесса подавления хромосомы X. Как оказалось, эти микроскопические мышечные волокна иногда даже сокращались.[168]

Это было более чем странно. Хотя линия клеток изначально была получена от эмбриона мыши, ничего подобного мышечной клетке ранее обычно не формировалось. Как правило, она развивалась в клетки эпителия — тип клеток, выстилающих поверхности большинства наших органов. Работа Питера Джонса продемонстрировала, что 5-азацитидин способен менять потенциал этих эмбриональных клеток и вынуждать их становиться мышечными, а не эпителиальными, клетками. Но почему химическое соединение, убивающее раковые клетки, вероятно, подавлением продукции в них ДНК и мРНК, дало здесь такой неожиданный результат?

Переехав из Южной Африки в Университет Южной Калифорнии, Питер Джонс продолжил заниматься этой темой. Два года спустя он и работавшая под его руководством доктор философии Ширли Тейлор обнаружили, что клеточные популяции, обработанные 5-азацитидином, формируют не только мышечную ткань. Они могли создавать клетки других типов, в том числе жировые клетки (адипоциты) и клетки, которые называются хондроцитами. Эти клетки вырабатывают хрящевые белки, подобные тем, что выстилают поверхности суставов и позволяют двум плоскостям беспрепятственно скользить друг по другу.

Эти результаты показали, что 5-азацитидин не является каким-то особым ориентированным на мышцы фактором. В докладе, посвященном этой работе, профессор Джонс выдвинул удивительное по своей проницательности предположение, что «5-азацитидин… вызывает реверсию в более плюрипотентное состояние»[169]. Другими словами, это химическое соединение закатывало шарик немного вверх по склонам уоддингтоновского эпигенетического ландшафта. После этого он опять начинал скатываться вниз по долинам среди его холмов, но останавливался уже совсем в другой конечной точке.

Однако по-прежнему не существовало теории о том, почему 5-азацитидин приводит к таким неожиданным результатам. В связи с этим Питер Джонс самокритично вспоминает чудную историю, ставшую поворотным пунктом в подходе к самой проблеме. Когда он стал работать в Университете Южной Калифорнии, то сначала получил назначение на факультет педиатрии, однако ему очень хотелось работать по совместительству и на факультете биохимии. Чтобы получить это место, ему предстояло пройти дополнительное собеседование, которое сам он считал абсолютно бессмысленным. В ходе интервью Питер Джонс, рассказав о своей работе с 5-азацитидином, отметил, что никому не известно, почему это химическое соединение воздействует на плюрипотентность клеток. Роберт Стеллваген, другой ученый из этого же университета, также принимавший участие в интервью, спросил: «А вы не думали о метилировании ДНК?» Наш кандидат признался, что не только не думал, но и никогда не слышал о нем[170].

Питер Джонс и Ширли Тейлор немедленно занялись метилированием ДНК и очень скоро продемонстрировали, что именно оно было причиной таких эффектов 5-азацитидина. Это соединение подавляло метилирование ДНК. Питер Джонс и Ширли Тейлор синтезировали ряд родственных ему химических соединений и протестировали их влияние на клеточную культуру. Те из них, что препятствовали метилированию ДНК, также вызывали изменения в фенотипе, которые осуществлял и 5-азацитидин. Соединения, не влиявшие на метилирование ДНК, не оказывали на фенотип никакого воздействия[171].

Цитидин (основание Ц) и 5-азацитидин очень похожи по химическому строению. Они показаны на рисунке 11.1, где для простоты продемонстрированы лишь самые главные компоненты их структуры (они называются цитозин и 5-азацитозин соответственно).

В верхней части диаграммы, которая очень похожа на рисунок 4.1, показано, что цитозин может быть метилирован метил-трансферазой ДНК (ДНМТ1, ДНМТ3А или ДНМТ3Б) для создания 5-метилцитозина. В 5-метилцитозине атом азота (N) заменяет ключевой атом углерода (С), который обычно и метилируется. Метилтрансферазы ДНК не могут добавлять метиловую группу к этому атому азота.

^{Рис. 11.1. 5-азацитозин может быть включен в ДНК во время копирования ДНК, которое происходит перед делением клетки. 5-азацитозин занимает место основания Ц, но так как в нем находится атом азота в позиции, где должен быть атом углерода, чуждое основание не может быть метилировано ДНМТ1 так, как это показано на рисунке 4.2}

Давайте еще раз вернемся к главе 4 и представим себе метилированную область ДНК. При делении клетки она размыкает две цепочки двойной спирали ДНК и копирует каждую из них. Однако ферменты, копирующие ДНК, не могут самостоятельно копировать метилирование ДНК. Как следствие, в каждой новой двойной спирали есть одна метилированная цепочка и одна неметилированная. Метилтрансфераза ДНК под названием ДНМТ1 может узнать ДНК, у которой метилирование ДНК присутствует только на одной цепочке, и может восстановить его на другой цепочке, тем самым восстанавливая изначальную схему метилирования ДНК.

Но если делящиеся клетки обработаны 5-азацитидином, то это аномальное цитидиновое основание добавляется в новую цепочку ДНК при копировании генома. Так как в аномальном основании место атома углерода занимает атом азота, фермент ДНМТ1 не может восстановить отсутствующую метиловую группу. Если это явление повторяется в процессе деления клеток, метилирование ДНК начинает выхолащиваться.

При делении клеток под воздействием 5-азацитидина происходит еще что-то интересное. Теперь известно, что когда ДНМТ1 связывается с областью, в которой ДНК содержит 5-азацитидин вместо обычного цитидина, ДНМТ1 прилипает к нему[172]. Этот оказавшийся в тупике фермент затем отсылается в другую часть клетки и разрушается. По этой причине общие уровни фермента ДНМТ1 в клетке понижаются[173][174]. Уменьшение количества ДНМТ1 в сочетании с фактом, что 5-азацитидин не может быть метилирован, означает, что объемы метилирования ДНК в клетке продолжают падать. Через некоторое время мы еще вернемся к вопросу о том, почему такое снижение уровня метилирования ДНК оказывается эффективным для борьбы с раком.

Итак, 5-азацитидин является примером того, как противораковый агент неожиданно проявил свои эпигенетические свойства. Как это ни странно, но довольно похожая история произошла и с другим соединением, которое теперь уже стало лицензированным средством лечения рака[175].

В 1971 году Шарлотта Френд продемонстрировала, что очень простое химическое соединение под названием ДМСО (полностью его имя звучит как диметилсульфоксид) оказывает неожиданно странное воздействие на раковые клетки мышей, больных лейкемией. Когда эти клетки обрабатывались ДМСО, они становились красными. Происходило это по той причине, что они активировали ген гемоглобина, пигмента, благодаря которому эритроциты имеют красный цвет[176]. Пораженные лейкемией клетки обычно никогда не активируют этот ген, и механизм этого явления был совершенно неизвестен.

Рональд Бреслоу из Колумбийского университета, а также Пол Маркс и Ричард Рифкинд из Мемориального ракового центра Слоуна-Кеттеринга, были весьма заинтригованы исследованиями Шарлотты Френд. Рональд Бреслоу тут же приступил к разработкам и созданию новых химических соединений, используя в качестве отправной точки строение ДМСО и кое-что добавляя или меняя в нем, как это делается при создании новых конструкций из деталей Лего. Пол Маркс и Ричард Рифкинд начали тестировать эти соединения на различных клеточных моделях. Некоторые из соединений оказывали на клетки иное, нежели ДМСО, воздействие. Они останавливали рост клеток.

После многочисленных экспериментов, дававших важную информацию о новых и все более усложнявшихся соединениях, ученые создали молекулу, получившую название САГК (субероиланилид гидроксамовая кислота). Это химическое соединение оказалось чрезвычайно эффективным препаратом для подавления роста и/или инициирования гибели клеток в популяции раковых клеток[177]. Однако ученым потребовалось еще целых два года, чтобы определить, что именно САГК делает в клетках. Ключевой момент в изысканиях произошел более чем через 25 лет после появления публикации Шарлотты Френд, когда Виктория Ричон из команды Пола Маркса прочла доклад группы исследователей из Токийского университета, датированный еще 1990 годом.

Японские ученые работали с соединением, которое называется Трихостатин А или ТСА. Как на тот момент уже было известно, ТСА препятствовал размножению клеток. Японские исследователи показали, что применение ТСА меняло пределы, в которых гистоновые белки присоединяли к себе ацетиловую химическую группу в популяции раковых клеток. Гистоновое ацетилирование — это одна из эпигенетических модификаций, с которой мы уже встречались в главе 4. Когда клетки обрабатывались ТСА, уровни гистонового ацетилирования повышались. Происходило это не потому, что это химическое соединение активировало ферменты, которые накладывают ацетиловые группы на гистоны. Причина была в том, что ТСА подавлял ферменты, удалявшие ацетиловые группы с этих хроматиновых белков. Эти белки называются гистондезацетилазами или, для краткости, ГДАЦ[178].

Виктория Ричон сравнила строение ТСА со строением САГК, которые показаны на рисунке 11.2.

^{Рис. 11.2. Строения ТСА и САГК. в которых схожие участки заключены в кружки. С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород.Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намеренно не показаны, однако они присутствуют там, где соединение изображено двойной чертой}

Не нужно обладать ученой степенью по химии, чтобы заметить, что ТСА и САГК выглядят удивительно похоже, особенно участками, которые находятся справа в цепи. Виктория Ричон предположила, что, подобно ТСА, САГК также подавляет ГДАЦ. В 1998 году она вместе с коллегами опубликовала доклад, в котором подтвердила, что все именно так и обстоит[179]. САГК не дает ферментам ГДАЦ удалять ацетиловые группы с гистоновых белков, и в результате этого на гистонах оказывается много ацетиловых групп.

Итак, 5-азацитидин и САГК оба подавляют разрастание раковых клеток и оба понижают активность эпигенетических ферментов. Казалось бы, мы имеем все основания считать, что это свидетельствует в пользу теории о том, что эпигенетические белки важны при развитии рака, но, возможно, мы делаем слишком поспешные выводы? Может быть, всего лишь случайным совпадением является то, что оба эти препарата воздействуют на эпигенетические белки? В конце концов, ферменты, которые являются мишенями для этих двух химических соединений, совершенно различны. 5-азацитидин подавляет ферменты ДНМТ, которые добавляют метиловые группы к ДНК. САГК, в свою очередь, подавляет семейство ферментов ГДАЦ, которые удаляют ацетиловые группы с гистоновых белков. На первый взгляд эти два процесса выглядят абсолютно разными. Может быть, не более чем совпадение то, что и 5-азацитидин, и САГК подавляют эпигенетические ферменты?

Эпигенетики считают, что о совпадении здесь не может быть и речи. Ферменты метилтрансферазы ДНК добавляют метиловую группу к цитидиновому основанию. Высокие концентрации этого основания присутствуют в длинных, насыщенных ЦГ цепочках ДНК, известных как островки CpG. Эти островки находятся выше генов, в областях промоторов, контролирующих экспрессию генов. Когда ДНК островка CpG оказывается сильно метилированной, ген, контролируемый этим промотором, подавляется. Другими словами, метилирование ДНК является репрессивной модификацией. Активность ДНМТ повышает метилирование ДНК и, соответственно, понижает экспрессию генов. Подавляя эти ферменты 5-азацитидином, мы можем повысить экспрессию гена.

Гистоновые белки также присутствуют в промоторах генов. Гистоновые модификации могут быть очень сложными, в чем мы уже убедились в главе 4. Но гистоновое ацетилирование является наиболее радикальным из них, если говорить о его воздействии на экспрессию генов. Если гистоны, находящиеся над геном, сильно ацетилированы, то этот ген будет активно экспрессироваться. Если гистоны недостаточно ацетилированы, то ген будет отключен. Гистоновое дезацетилирование является репрессивным изменением. Гистоновые дезацетилазы (ГДАЦ) удаляют ацетиловые группы с гистоновых белков и тем самым понижают экспрессию генов. Подавляя эти ферменты с помощью САГК, мы также можем усилить экспрессию генов.

Так что в обоих случаях действует один и тот же принцип. Оба наши ничем не связанные между собой химические соединения, контролирующие рост раковых клеток в культуре и теперь уже являющиеся лицензированными препаратами для лечения рака у человека, подавляют эпигенетические ферменты. Поскольку они повышают экспрессию генов, то возникает очередной вопрос: почему это так важно для лечения рака? Чтобы разобраться в этом, нам придется совершить небольшой экскурс в биологию рака.

Рак является результатом аномального и неконтролируемого разрастания клеток. Обычно клетки нашего организма делятся и размножаются в строго выверенном темпе. Этот процесс контролируется сложным уравновешивающим взаимодействием различных групп генов в наших клетках. Определенные гены способствуют разрастанию клетки. Иногда они называются протоонкогенами. Эти гены были обозначены значком «плюс» на диаграмме в предыдущей главе. Другие гены сдерживают клетку, препятствуя ее слишком активному разрастанию. Эти гены называются супрессорами новообразований. На той же диаграмме они были представлены знаком «минус».

Протоонкогены и супрессоры новообразований сами по себе не хорошие и не плохие. В здоровых клетках активность генов этих двух классов уравновешивает друг друга. Но когда в регуляции этого взаимодействия возникают какие-то неполадки, механизм пролиферации (то есть разрастания) клетки тоже может давать сбои.

Если протоонкогены становятся слишком активными, они могут подтолкнуть клетку к раковому состоянию. С другой стороны, если супрессоры новообразований оказываются репрессированными, они не могут больше препятствовать делению клетки. В обоих случаях результат одинаков — клетка может начать пролиферировать слишком быстро.

Однако рак не является всего лишь следствием излишне активной пролиферации клеток. Если клетки делятся слишком быстро, но по всем прочим параметрам остаются нормальными, то они образуют структуры, которые называются доброкачественными опухолями. Они могут быть неприглядными, они могут доставлять неудобства, но если они не давят на жизненно важный орган и не препятствуют его деятельности, то сами по себе практически не являются смертельно опасными. При полностью развившемся раке клетки не просто делятся слишком быстро, а сами становятся аномальными и начинают вторгаться в другие ткани.

Примером доброкачественных опухолей может служить родинка. К ним также относятся и небольшие наросты на внутренней поверхности толстой кишки, которые называются полипами. Ни родинки, ни полипы как таковые опасности не представляют. Проблема в том, что чем больше у человека родинок или полипов, тем выше вероятность того, что одно из этих образований сделает следующий шаг и разовьется в аномалию, которая подтолкнет его еще дальше по пути к возникновению полномасштабного рака.

Под этим подразумевается некий важный вывод, который неоднократно был подтвержден многими экспериментами. Рак — не одномоментное явление. Это многоступенчатый процесс, при котором каждый новый этап ведет клетку все дальше по пути превращения ее в злокачественную. Это утверждение справедливо даже в тех случаях, когда человек наследует очень сильную предрасположенность к раку. Примером этого может быть предклимактерический рак груди, передающийся в некоторых семьях от поколения к поколению. Женщины, унаследовавшие мутировавшую копию гена под названием BRCA1, подвергаются очень высокой опасности раннего развития тяжелой формы рака груди, плохо поддающегося лечению. Но даже эти женщины не рождаются с активной формой рака груди. На развитие ему требуются многие годы, поскольку для этого должны аккумулироваться и другие нарушения.

Итак, клетки, аккумулируя отклонения, постепенно приближаются к тому, чтобы превратиться в раковые. Эти дефекты должны передаваться от материнской клетки дочерним клеткам, потому что в противном случае они бы утрачивались каждый раз при делении клетки. Эти дефекты должны быть наследуемыми, чтобы привести к развитию рака. Не удивительно, что многие годы внимание ученого сообщества было сосредоточено на выявлении мутаций в генах, задействованных в развитии рака. Исследователи искали изменения в генетическом коде, в основополагающей схеме. Особенный интерес они проявляли к супрессорам новообразований, поскольку именно эти гены обычно подвержены мутациям при наследуемых видах рака.

Человек обычно располагает двумя копиями каждого гена-супрессора новообразований, как и большинства других, находящихся на аутосомах. По мере того, как клетка превращается в раковую, обе копии ключевых генов-супрессоров обычно подавляются (инактивируются). Во многих случаях это происходит по той причине, что ген мутирует в раковых клетках. Это явление называется соматической мутацией — она происходит в клетках организма в какой-то момент жизни, когда человек еще полностью здоров. Такие мутации называются соматическими, чтобы отличать их от генетических мутаций, передающихся от родителя ребенку. Мутации, инактивирующие две копии супрессора новообразований, могут быть самыми разнообразными. В некоторых случаях ими могут быть изменения в последовательности аминокислоты, приводящие к тому, что ген становится неспособен продуцировать функциональный белок. B других ситуациях это может быть утрата важной части хромосомы в становящихся раковыми клетках. У отдельного человека одна копия определенного супрессора новообразований может нести на себе мутацию, меняющую последовательность аминокислоты, тогда как на другой копии может отсутствовать часть хромосомы.

Совершенно ясно, что такие явления имеют место, причем происходят они довольно часто, но не менее часто оказывается крайне сложно точно определить, как именно мутировал супрессор новообразований. В последние пятнадцать лет мы начали понимать, что существует и другой способ, которым могут репрессироваться гены-супрессоры новообразований. Ген может подавляться эпигенетически. Если ДНК у промотора становится сильно метилированной или на гистоны накладываются репрессивные модификации, то супрессоры новообразований отключаются. Ген, таким образом, инактивируется без внесения изменений в базовую схему.

В разных лабораториях были определены виды рака, при которых имеет место именно этот процесс. Одной из первых в их числе называлась одна из разновидностей рака почки — гипернефроидная опухоль почки. Ключевым моментом при развитии этот вида рака является подавление особого гена-супрессора новообразований VHL. В 1994 году группа исследователей, возглавляемая известным ученым Стивеном Бэйлином, из Медицинского института Джонса Хопкинса в Балтиморе проанализировала островок CpG, расположенный перед геном VHL. В 19 процентах исследованных ими случаев гипернефроидной опухоли почки ДНК этого островка была гиперметилированной. В результате экспрессия этого ключевого гена-супрессора новообразований оказалась подавлена, что практически наверняка и стало главной причиной развития рака у исследованных учеными пациентов[180].

Метилирование промотора отнюдь не ограничивается лишь супрессором новообразований VHL и гипернефроидной опухолью почки. На следующем этапе работы профессор Бэйлин с коллегами проанализировали ген-супрессор новообразований BRCA1 при раке груди. Они исследовали случаи, при которых в роду у пациентов не было предков, страдавших этим заболеванием, а само оно не было вызвано мутацией BRCA1, которую мы обсуждали несколькими абзацами выше. В 13 процентах этих спорадических случаях рака груди островок CpG на BRCA1 оказался гиперметилированным[181]. Более широкий спектр аномалий в метилировании ДНК при раке был продемонстрирован Жаном-Пьером Исса из Андерсоновского ракового центра в Хьюстоне, работавшим в сотрудничестве со Стивеном Бэйлином. В результате совместно проведенных исследований они обнаружили, что более чем в 20 процентах случаев рака толстой кишки имеют место высокие уровни метилирования промотора ДНК одновременно на многих разных генах[182].

Последующие работы показали, что метилирование ДНК не является единственным фактором, претерпевающим изменения при раке. Существуют прямые свидетельства того, что гистоновые модификации также ведут к подавлению генов-супрессоров новообразований. Например, гистоны, связанные с геном-супрессором новообразований под названием ARHI, при раке груди отличаются низкими уровнями ацетилирования[183]. Подобное явление происходит и с супрессором новообразований PER1 при развитии одной из разновидностей рака легкого, которая называется немелкоклеточной карциномой легкого[184]. В обоих случаях наблюдается взаимосвязь между уровнями гистонового ацетилирования и экспрессией супрессора новообразований — чем ниже уровни ацетилирования, тем слабее экспрессия гена. Поскольку эти гены оба являются супрессорами новообразований, их пониженная экспрессия ведет к тому, что клетке становится труднее сдерживать пролиферацию.

Понимание того, что гены-супрессоры новообразований часто подавляются эпигенетическими модификациями, оказалось сродни свету в конце тоннеля, поскольку оно указывало путь для поиска нового способа лечения рака. Если бы удалось снова активировать один или несколько генов-супрессоров в раковых клетках, то появлялись бы реальные шансы обуздать безумную пролиферацию этих пораженных клеток. Возможно, уходящий поезд можно было бы не только остановить, но и повернуть обратно.

Когда ученые думали, что супрессоры новообразований подавляются вследствие мутаций или делеций, они не располагали широким выбором возможностей для повторного включения этих генов. В настоящее время проводятся исследования, которые должны дать ответ на вопрос, можно ли решить эту задачу с помощью генной терапии. При определенных условиях генная терапия может оказаться чрезвычайно эффективной, но говорить, что она станет решением проблемы, было бы пока слишком преждевременно. Генная терапия уже неоднократно и небезуспешно применялась при самых разных заболеваниях. Однако обычно крайне сложно доставить гены в нужные клетки, а затем заставить их активироваться, когда они окажутся на месте. Даже когда нам удается сделать это, часто организм отторгает кажущиеся ему лишними гены, и вся предварительная кропотливая работа оказывается сделанной впустую. Имели место и такие относительно редкие случаи, когда генная терапия сама инициировала развитие рака, так как имела непредсказуемые последствия, вызывавшие повышенную пролиферацию клеток. Но научное сообщество не оставляет надежд на генную терапию, и в определенных случаях именно она предлагает выход из тупиковых ситуаций[185]. Однако при таких заболеваниях как рак, когда в лечении нуждаются многие и многие люди, она оказывается слишком дорогой и сложной.

Вот почему вокруг разработки эпигенетических препаратов для лечения рака наблюдается такой ажиотаж. По определению, эпигенетические изменения не затрагивают базовый код ДНК. Как мы уже убедились, у некоторых пациентов одна копия супрессора новообразований бывает подавлена воздействием на нее эпигенетических ферментов. У этих больных код нормального белка супрессора новообразований не поражен мутацией. Значит, есть надежда, что лечение этих пациентов соответствующими эпигенетическими препаратами может изменить аномальную схему метилирования ДНК или гистонового ацетилирования. Если мы сможем добиться этого, то нормальный ген-супрессор новообразований будет снова активирован, что поможет организму вернуть себе контроль над раковыми клетками.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами (УПЛ) уже выдало лицензии на клиническое применение для лечения рака в США двум препаратам, подавляющим фермент ДНМТ1. Это 5-азацитидин (торговая марка «Видаза») и родственный ему 2-аза-5’-деоксицитидин (торговая марка «Дакоген»). Лицензии получили и два препарата, подавляющие ГДАЦ. Ими стали САГК (торговая марка «Золинза»), с которым мы уже встречались выше, и молекула под названием ромидепсин (торговая марка «Истодакс»), которая по химическому строению сильно отличается от САГК, но также подавляет ферменты ГДАЦ.

Не довольствуясь почестями и лаврами успеха, достигнутого им в раскрытии молекулярных функций 5-азацитидина, работы Питера Джонса, Стивена Бэйлина и Жан-Пьера Исса на протяжении последних тридцати лет сыграли просто огромную роль в продвижении этого химического соединения, пройдя долгий путь от лабораторных до клинических испытаний, что позволили стать ему лицензированный лекарственный препаратом. Не менее важную роль сыграла и Виктория Ричон в аналогичном процессе при создании лекарственного препарата САГК.

Лицензирование этих четырех химических соединений, направленных против двух различных видов ферментов, стало началом нового витка в развитии всей отрасли эпигенетической терапии. Однако они не стали универсальными чудо-препаратами, теми серебряными пулями, которыми можно было бы поразить любые разновидности рака.

И это не было сюрпризом ни для кого, кто работает в области исследования и лечения рака. Временами складывается впечатление, что некоторые журналисты бульварных изданий буквально пребывают под непреодолимым гнетом навязчивой идеи сообщить всему миру об открытии лекарства от рака. Нужно сказать, что вообще ученые стремятся избегать категоричности в суждениях, однако если большинство из них и придерживается в чем-то единого мнения, так это в том, что какого-либо универсального лекарства от рака не будет создано никогда.

Дело в том, что рак многообразен. Существуют, возможно, свыше сотни разных заболеваний с этим названием. Если мы возьмем всего лишь один пример — скажем, рак груди, — то обнаружим, что только это конкретное заболевание насчитывает множество разновидностей. Одни из них развиваются в результате реакции на женский гормон эстроген. Другие наиболее резко реагируют на белок под названием эпидермальный фактор роста. Ген BRCA1 в одних случаях рака груди репрессируется или мутирует, а в других — нет. Некоторые виды рака груди не реагируют ни на какие известные нам факторы роста рака, но могут оказаться восприимчивы к другим сигналам, которые мы пока не способны идентифицировать.

Поскольку рак представляет собой многоступенчатый процесс, два пациента, симптомы болезни которых выглядят очень схожими, могут страдать от совершенно различных молекулярных процессов. Их заболевания могут быть следствием разных сочетаний мутаций, эпигенетических модификаций и других факторов, инициирующих рост и развитие опухолей. А это значит, что разным пациентам требуются разные виды и комбинации противораковых препаратов.

Однако даже с учетом этого результаты клинических испытаний ингибиторов ДНМТ и ГДАЦ оказались весьма удивительными. Ни один из них не проявил себя эффективно при массивных новообразованиях, к которым относятся рак груди, толстой кишки или простаты. Однако они оказались наиболее действенны при борьбе с видами рака, развивающимися из клеток, вырабатывающих лейкоциты, циркуляция которых по организму является частью нашей системы защиты от болезнетворных микроорганизмов. Такие разновидности рака называются гематологическими опухолями. Пока не ясно, почему существующие эпигенетические препараты оказываются неэффективными для противоборства с массивными новообразованиями. Возможно, причина этого в том, что в этих видах рака действуют иные молекулярные механизмы, отличные от механизмов гематологических опухолей. С другой стороны, существует вероятность и того, что лекарственные препараты не могут проникать в массивные новообразования в достаточно высокой концентрации, чтобы воздействовать на большую часть раковых клеток.

Но даже и при гематологических опухолях существует заметная разница в воздействии ингибиторных препаратов ДНМТ и ГДАЦ. Оба ингибитора ДНМТ были официально допущены к применению против заболевания, известного как миелодиспластический синдром[186][187]. Это аномалия в развитии спинного мозга.

Оба ингибитора ГДАЦ получили лицензии на использование их для лечения другого вида гематологических опухолей, который называется кожная Т-клеточная лимфома[188]. При этом заболевании кожа становится насыщенной пролиферирующими иммунологическими клетками, называемыми Т-клетками, образующими видимые бляшки и обширные поражения кожного покрова.

Далеко не на каждого пациента, страдающего миелодиспластическим синдромом или кожной Т-клеточной лимфомой, эти препараты оказывают одинаково эффективное воздействие. И даже у тех пациентов, которые демонстрируют реакцию на эти средства, ни одно из них не излечивает заболевание полностью. Если пациенты перестают принимать лекарства, болезнь возвращается. Создается впечатление, что ингибиторы ДНМТ1 и ГДАЦ всего лишь сдерживают рост раковых клеток, замедляя и подавляя его. Они скорее ослабляют развитие болезни, нежели избавляют от нее.

Однако даже такие результаты часто приносит пациентам существенное облегчение, возрождая в них надежду на долголетие и/ или повышая качество жизни. Например, многие больные кожной Т-клеточной лимфомой испытывают постоянные боли и страдания из-за непрекращающегося и мучительного зуда в пораженных участках. Ингибиторы ГДАЦ зарекомендовали себя как весьма эффективное средство для смягчения этих симптомов даже у тех пациентов, на продолжительность жизни которых они не оказали какого-либо заметного влияния.

Нужно признаться, что часто бывает очень сложно прогнозировать, каким больным принесет пользу то или иное новое противораковое средство. И это является одной из самых серьезных проблем, стоящих перед фармацевтическими компаниями, разрабатывающими новые эпигенетические способы лечения рака. Даже сегодня, через несколько лет после выдачи Управлением по контролю за продуктами и лекарствами первых лицензий 5-азацитидину и САГК, нам по-прежнему неизвестно, почему эти препараты оказываются намного более эффективными при борьбе с миелодиспластическим синдромом и кожной Т-клеточной лимфомой, чем с другими видами рака. Просто так случилось, что при первых клинических испытаниях на человеке пациенты, страдавшие именно этими заболеваниями, более активно реагировали на эти лекарственные препараты, чем больные другими видами рака. Как только проводящие испытания исследователи обратили на это внимание, они стали планировать последующие испытания таким образом, чтобы они были в первую очередь ориентированы на представителей этих групп.

На первый взгляд, тут нет никакой серьезной проблемы. Казалось бы, фармацевтические компании могут продолжать разрабатывать разнообразные лекарства, а затем, тестируя их на пациентах, страдающих разными видами рака, и используя во всевозможных комбинациях с другими противораковыми препаратами, на практике определять, как можно использовать их наилучшим образом.

Главное препятствие такому развитию событий состоит в высокой стоимости затрат. Если мы зайдем на сайт Национального института раковых заболеваний, то сможем узнать о количестве испытаний, которые проходит тот или иной препарат в настоящий момент. В феврале 2011 года, например, проводилось 88 тестирований САГК[189]. Сложно дать точную оценку стоимости клинических испытаний, однако, основываясь на данных 2007 года, можно говорить, что, по самым скромным подсчетам, она составляет 20 тысяч долларов на каждого пациента[190]. Учитывая, что в каждом испытании участвуют двадцать пациентов, мы можем сделать вывод, что только клинические испытания САГК обходятся Национальному институту раковых заболеваний в сумму свыше 35 миллионов долларов. И это наверняка нижняя граница возможных расходов.

Исследователи из Колумбийского университета и Ракового центра Слоуна-Кеттеринга, первыми разработавшие САГК, тут же получили патент на свое открытие. Затем они заключили договор с компанией под названием «Атон Фарма» на создание из САГК лекарственного препарата. В 2004 году, когда это средство продемонстрировало первые обнадеживающие результаты в лечении кожной Т-клеточной лимфомы, «Атон Фарма» была приобретена гигантским фармацевтическим концерном «Мерк» за сумму, превышающую 120 миллионов долларов. Не приходится сомневаться в том, что «Атон Фарма» затратила миллионы долларов на доведение САГК до стадии лекарственного средства. Разработка лекарственных препаратов — весьма дорогостоящее занятие. Две компании, выпустившие на рынок ингибиторы ДНМТ1, относительно недавно были куплены более серьезными фармацевтическими фирмами, причем стоимость каждой сделки составили почти 3 миллиарда долларов[191]. Если компания затрачивает астрономические суммы денег на разработку или приобретение нового лекарственного препарата, то она вряд ли станет вести себя подобно пьяному матросу, когда дело дойдет до клинических испытаний.

Конечно, значительно большего прогресса можно было бы достичь, если бы мы могли проводить клинические испытания, заранее представляя себе, на борьбу с какими видами рака ориентировано то или иное средство, чем продолжать действовать, полагаясь на слепую удачу. К сожалению, большинство исследователей сходятся во мнении, что испытания противораковых препаратов на животных не позволяют в полной мере судить о том, насколько эти же средства окажутся эффективными при лечении рака у людей. Если говорить до конца откровенно, то это относится не только к противораковым препаратам, нацеленным на эпигенетические ферменты, но и практически ко всей онкологической фармации.

В стремлении обойти эту проблему исследователи как теоретических, так и практических областей пытаются сейчас найти следующее поколение эпигенетических мишеней в онкологии. ДНМТ1 принадлежит к числу ферментов относительно широкого поля деятельности. Метилирование ДНК это, скорее, все или ничего — подлежит ли CpG метилированию или нет? Не проявляют особую избирательность обычно и ГДАЦ. Если им удается получить доступ к ацетилированному лизину на отростке гистона, они удаляют эту ацетиловую группу. На отростке гистона обычно присутствует много лизинов — на гистоне H3, например, их семь. САГК способны подавлять, по меньшей мере, десять различных ферментов ГДАЦ. Вполне вероятно, что каждый из этого десятка способен дезацетилировать любой из семи лизинов на отростке H3, а это вряд ли можно назвать примером точной настройки.

Вот почему фармакологические исследования сейчас направлены на изучение различных эпигенетических ферментов, которые значительно более ограничены в своей деятельности, чтобы определить, какие из них играют важную роль в развитии разных видов рака. Главная причина этого в том, что проще будет понять клеточную биологию ферментов относительно ограниченного поля деятельности, а это, в свою очередь, поможет определить, какие лекарственные средства окажутся наиболее эффективными для борьбы с тем или иным видом рака.

Первая проблема в осуществлении этих планов выглядит довольно обескураживающей. Какие именно белки нужно исследовать? Существует, пожалуй, не меньше сотни ферментов, накладывающих или удаляющих гистоновые модификации («писателей» и «ластиков» эпигенетического кода). Наверное, не уступают им в численности и белки, считывающие эпигенетический код. Наша задача еще более усложняется тем, что многие из этих «писателей», «ластиков» и «читателей» активно взаимодействуют друг с другом. Как же нам приступить к определению наиболее подходящих кандидатов на главные роли в новых программах по разработке лекарственных средств?

В нашем распоряжении нет таких химических соединений как 5-азацитидин и САГК, на которые мы могли бы опереться в своих исследованиях, поэтому нам остается только рассчитывать на собственные относительно неполные знания рака и эпигенетики. Одна из тем, обещающих принести плоды, состоит в изучении того, как гистоновые и ДНК модификации действуют в тандеме.

Наиболее сильно репрессированные участки генома отличаются высокими уровнями метилирования ДНК и чрезвычайной компактностью. ДНК в них становится предельно туго закрученной и практически недостижимой для ферментов, транскрибирующих гены. Но наибольшую важность представляет вопрос о том, как эти области подвергаются жесткой репрессии. Модель этого процесса продемонстрирована на рисунке 11.3.

^{Рис. 11.3. Схематические изображение того, как различные виды эпигенетических модификаций взаимодействуют друг с другом, постепенно создавая все более жестко репрессированный и туго закрученный участок хромосомы, в результате чего клетке становится чрезвычайно сложно экспрессировать гены с этого участка}

На этой модели показана последовательная цепочка событий, приводящих клетку во все более репрессивное состояние. В соответствии с этой моделью, репрессивные гистоновые модификации притягивают метилтрансферазы ДНК, которые осуществляют метилирование ДНК в области этих гистонов. Это метилирование, в свою очередь, притягивает больше модифицирующих репрессивные гистоны ферментов, в результате чего возникает неизменный цикл, что, в свою очередь, приводит к формированию все более неблагоприятного для экспрессии генов участка.

Данные экспериментов подтверждают, что во многих случаях эта модель соответствует действительности. Репрессивные гистоновые модификации могут выступать в роли «наживки» для привлечения метилирования ДНК к промотору гена-супрессора новообразований. Одним из наиболее ярких примеров этого является эпигенетический фермент, который мы уже встречали в предыдущей главе, под названием EZH2. Белок EZH2 добавляет метиловые группы к лизиновой аминокислоте в позиции 27 на гистоне H3. Эта аминокислота известна как H3K27. К — это однобуквенный код лизина (L — код другой аминокислоты, которая называется лейцин).

Метилирование H3K27 само по себе может подавить экспрессию гена. Однако, по меньшей мере в некоторых типах клеток млекопитающих, это гистоновое метилирование привлекает метилтрансферазы ДНК к тому же самому участку хроматина[192][193]. В число метилтрансфераз ДНК входят ДНМТ3А и ДНМТ3Б. Это важно, поскольку ДНМТ3А и ДНМТ3Б способны осуществлять процесс, известный как независимое метилирование ДНК. Иначе говоря, они могут метилировать необработанную ДНК и создавать совершенно новые участки чрезвычайно репрессированного хроматина. В результате, клетка получает возможность превратить относительно непостоянную репрессивную метку (метилирование H3K27) в более стабильное метилирование ДНК.

Не менее важны и другие ферменты. Фермент под названием LSD1 удаляет метиловые группы с гистонов — это «ластик» эпигенетических модификаций[194]. Особенно активно он делает это в позиции 4 на гистоне H3 (H3K4). H3K4 представляет собой противоположность H3K27, так как когда H3K4 свободен от метиловых групп, гены обычно остаются подавленными.

Неметилированный H3K4 может связывать белки, и один из них называется DNMT3L. Пожалуй, не должно вызывать удивления то, что он родственен ДНМТ3А и ДНМТ3Б. DNMT3L сам не метилирует ДНК, но притягивает ДНМТ3А и ДНМТ3Б к неметилированному H3K4. В этом состоит еще один способ наложения стабильного метилирования ДНК на прежде девственный участок[195].

По всей вероятности, многие гистоны, расположенные у промоторов генов-супрессоров новообразований, способны нести на себе обе эти репрессивные гистоновые метки — метилирование H3K27 и неметилирование H3K4, — которые, действуя одновременно, влияют на метилтрансферазы ДНК еще активнее.

И EZH2, и LSD1 способны активировать гены при определенных видах рака, и их экспрессия согласуется с тяжестью заболевания и уровнем смертности пациентов[196][197]. По общему правилу, чем более активны эти ферменты, тем ниже шансы пациентов на благоприятный исход.

Итак, пути воздействия гистоновых модификаций и метилирования ДНК постоянно пересекаются. Это может объяснить, по крайней мере отчасти, одну из загадок современной эпигенетической терапии. Почему такие химические соединения как 5-азацитидин и САГК всего лишь контролируют раковые клетки, а не уничтожают их полностью?

В предложенной нами модели при помощи 5-азацитидина можно подавлять метилирование ДНК, лишь пока пациент принимает этот препарат. К несчастью, многие противораковые лекарственные средства обладают весьма опасными побочными эффектами, и ингибиторы ДНМТ не являются исключением. Постепенно эти побочные эффекты могут превратиться в настолько серьезную проблему, что пациенты оказываются вынужденными прекратить прием лекарств. Однако раковые клетки больных по-прежнему могут сохранить гистоновые модификации у супрессоров новообразований. Как только пациент перестает принимать 5-азацитидин, эти гистоновые модификации практически немедленно снова начинают притягивать ферменты ДНМТ, восстанавливая стабильную репрессию экспрессии генов.

Некоторые исследователи проводят клинические испытания, одновременно применяя САГК и 5-азацитидин, и пытаются вмешаться в этот цикл, разрушая механизмы эпигенетического подавления ДНК и гистонов. Пока неясно, окажутся ли их усилия успешными. В случае неблагоприятного исхода можно будет предположить, что в восстановлении метилирования ДНК низкие уровни гистонового ацетилирования играют далеко не главную роль. Возможно, для этого более важны некие особые гистоновые модификации, подобные тем, которые мы только что описали. Но мы пока не имеем лекарственных средств для подавления каких-либо других эпигенетических ферментов, так что на настоящий момент мы зашли в тупик, где мы просто лишены возможности выбора.

В будущем, возможно, нам вовсе не придется пользоваться ингибиторами ДНМТ. Связь между метилированием ДНК и гистоновыми модификациями при раке не абсолютна. Если островок CpG метилирован, то расположенный под ним ген подавлен. Но существуют и гены-супрессоры новообразований, которые располагаются под неметилированными островками CpG, как и такие, которые вообще не имеют островков CpG. Эти гены также могут быть подавлены, но исключительно благодаря гистоновым модификациям[198]. Это продемонстрировал Жан-Пьер Исса из Андерсоновского Ракового центра Хьюстона, сделавший огромный вклад в клиническое применение методик эпигенетической терапии. В таких случаях, если нам удастся обнаружить подходящие эпигенетические ферменты, на которые следует направить ингибиторы, у нас, возможно, получится возобновить экспрессию супрессоров новообразований, и тогда нас уже перестанет волновать вопрос метилирования ДНК.

Есть ли что-то особенное в генах-супрессорах новообразований, которые подавляются эпигенетическими модификациями? На этот счет существуют две взаимоисключающие теории. Согласно первой из них, эти гены не представляют собой ничего из ряда вон выходящего, и этот процесс абсолютно случаен. По этой теории, время от времени те или иные супрессоры новообразований случайно подвергаются эпигенетическим модификациям. Если в результате этого происходит изменение экспрессии гена, то это может означать, что клетки с такой эпигенетической модификацией начинают расти чуть быстрее и чуть лучше, чем их соседи. Это дает клеткам преимущество в росте, и они перерастают окружающие их клетки, постепенно аккумулируя все больше эпигенетических и генетических изменений, в результате чего они трансформируются в раковые.

Другая точка зрения заключается в том, что супрессоры новообразований, подавляемые эпигенетически, являются каким-то образом выбранными для этого процесса мишенями. Это не просто случайное стечение неблагоприятных обстоятельств, так как на самом деле риск именно этих генов подвергнуться эпигенетической репрессии превышает среднестатистические показатели.

В последние годы — когда в нашем распоряжении появились технологии для составления все более точных профилей эпигенетических модификаций в самых разнообразных типах клеток — мы начинаем склоняться в сторону второй позиции. Существует целый ряд генов, которые, как представляется, более других уязвимы для репрессии эпигенетическими механизмами.

На первый взгляд это может показаться полностью противоречащим здравому смыслу. Как, ради всего святого, могло случиться, что в результате миллиардов лет эволюции мы оказались обладателями клеточного механизма, делающего нас уязвимыми перед канцерогенными изменениями? Однако это следует рассматривать в контексте. Большинство эволюционных процессов неразрывно связаны со стремлением индивидуума оставить после себя как можно более многочисленное потомство. Для человека, достигающего репродуктивного возраста, крайне важно, чтобы его раннее развитие протекало максимально продуктивно. В конце концов, о каком воспроизводстве можно говорить, не пройдя благополучно эмбриональную стадию развития? Но как только мы достигаем репродуктивного возраста и получаем возможность продолжить род, то, с эволюционной точки зрения, нам совсем необязательно продолжать жить после этого еще несколько десятилетий.

Именно по этой причине в ходе эволюции предпочтение отдавалось совершенствованию клеточных механизмов, обеспечивающих эффективные рост и развитие на ранних стадиях, включая и производство многочисленных и разнообразных типов тканей. Многие из этих типов тканей содержат в себе запасы стволовых клеток, специфических для каждой ткани. Эти клетки необходимы организмам для роста тканей в процессе нашего взросления и для регенерации тканей после травм. Назначения и отличительные особенности этих специфических для разных тканей стволовых клеток контролируются отлаженными механизмами эпигенетических модификаций. Пользуясь эпигенетическими модификациями для контроля экспрессии генов, клетки сохраняют некоторую гибкость. Например, они имеют возможность превращаться в более специализированные клетки. Возможно, когда мы говорим о раке, еще более важно то, что эпигенетические модификации также позволяют клеткам делиться и создавать новые стволовые клетки. Поэтому мы никогда не будем испытывать недостатка в клетках кожи или клетках костного мозга, даже если проживем сотню лет.

Это требование к схемам экспрессии генов, которые отнюдь не высечены в камне, возможно, и является той причиной, по которой эпигенетическая репрессия генов-супрессоров новообразований не может быть случайным процессом. Невозможно идти сразу двумя маршрутами. Регуляторные системы, придающие клеткам гибкость, одновременно являются и системами, позволяющими им сбиваться с верного пути. С эволюционной точки зрения, это та плата, которую нам приходится вносить за то, чтобы чувствовать себя Машенькой из сказки про трех медведей. Согласно эпигенетическим сценариям, некоторые из наших клеток не полностью плюрипотентные или окончательно дифференцированные. Напротив, они, не принадлежа ни к тем, ни к другим, колеблются где-то у самой вершины уоддингтоновского эпигенетического ландшафта, готовые в любой момент скатиться вниз.

Питер Лэйрд, работающий, как и Питер Джонс, в Университете Южной Калифорнии, продемонстрировал, как действует эффект домино этой системы в раковых клетках. Его сотрудники сделали анализ схем метилирования ДНК в раковых клетках, обращая особое внимание на промоторы генов-супрессоров новообразований. Как оказалось, гены-супрессоры новообразований, гистоны которых были метилированы комплексом EZH2 в ЭС клетках, в двенадцать раз чаще демонстрировали аномально высокие уровни метилирования ДНК, нежели гены, которые не стали мишенью для EZH2. Питер Лэйрд очень элегантно охарактеризовал этот эффект, заявив, что «обратимая репрессия генов заменена их бессрочным сайленсингом, обрекающим клетку на вечное пребывание в состоянии самообновления и тем самым делающим ее предрасположенной к последующим злокачественным преобразованиям»[199]. Это вполне согласуется с идеей, что раку присущ аспект стволовых клеток. Если клетки закольцованы в состоянии стволовых клеток, в котором они не способны дифференцироваться в клетки на дне эпигенетического ландшафта, то они становятся очень опасными, поскольку в любой момент могут начать делиться, чтобы образовать как можно больше себе подобных клеток.

Жан-Пьер Исса назвал гены, которые эпигенетически подавляются при раке толстой кишки, «сторожами». Это те гены, обычная функция которых заключается в том, чтобы препятствовать самообновлению клеток и подталкивать их к полному превращению в дифференцированные клеточные типы. Подавление этих генов при раке блокирует клетки в присущем стволовым клеткам состоянии постоянного самообновления. В результате создается совокупность клеток, которые способны к делению, к аккумулированию дальнейших эпигенетических изменений и мутаций и к постепенному сползанию в полновесное раковое состояние[200].

Когда мы представляем себе клетки на уоддингтоновском ландшафте, то очень трудно вообразить такие клетки, которые могут задержаться где-нибудь недалеко от его вершины. Мешает нам в этом интуитивное понимание того, что склон — не слишком подходящее место для постоянного пребывания. Если шарик начал катиться по наклонной плоскости, то он будет продолжать катиться по ней, пока какое-нибудь препятствие его не остановит. Но даже если он и остановится, всегда остается шанс, что он возобновит свое движение к подножию холма.

Что же удерживает клетки в таком шатком положении? В 2006 году группа ученых из Института Броуда в Бостоне, работавших под руководством Эрика Ландера, дала, по крайней мере, часть ответа на этот вопрос. Ключевой набор генов в ЭС клетках, тех самых плюрипотентных клетках, которые нам на данный момент известны, как обнаружилось, обладал весьма странной схемой гистоновых модификаций. Это были гены, крайне важные для контролирования того, остаются ли ЭС клетки плюрипотентными, или становятся дифференцированными. У этих генов был метилирован гистон H3K4, который обычно ассоциируется с активацией экспрессии генов. Также метилирован оказался и H3K27. Он обычно ассоциируется с отключением экспрессии генов. Ну, и какая модификация будет иметь при этом решающее значение? Будут ли гены активированы или же репрессированы?

Ответ — и то, и другое. Или ни то, ни другое, в зависимости от того, с какой стороны мы будем изучать этот вопрос. Эти гены находятся в состоянии, которое называется «уравновешенным». Чуть-чуть подтолкните их — измените условия в культуре, чтобы заставить клетки выбрать путь, например, дифференциации, — и одно из этих метилирований будет утрачено. Ген окажется полностью активирован или полностью подавлен, в зависимости от эпигенетической модификации[201].

При раке это имеет огромное значение. Стивен Бэйлин оказался третьим ученым, наряду с Питером Джонсом и Жаном-Пьером Исса, сделавшим колоссальный вклад в то, чтобы эпигенетическая терапия стала реальностью. Он показал, что эти уравновешенные гистоновые модификации присутствуют в ранних раковых стволовых клетках и что именно они играют решающую роль в установлении схем метилирования ДНК в раковых клетках[202].

Разумеется, что происходят и другие процессы. У многих людей рак не развивается, сколько бы лет они ни прожили. Что-то особенное должно происходить с людьми, заболевшими раком, нечто такое, что заставляет нормальные стволовые клетки сбиваться с пути истинного и становиться на путь неконтролируемого, агрессивного и аномального разрастания. Мы знаем, что окружающая среда оказывает огромное влияние на уровень риска заболевания раком (достаточно вспомнить о том, насколько велика опасность рака легких для курильщиков), но нам не до конца понятно, как и в чем пересекаются условия окружающей среды с эпигенетическими процессами.

Нельзя не учитывать и такой аспект как банальное невезение для людей, заболевших раком. У каждого из нас, вероятно, случаются внезапные колебания в уровнях, активности и локализации белков, нацеленных на наши эпигенетические коды и способных считывать, интерпретировать и стирать их. А ведь есть еще и некодирующие РНК.

На 3’ НТР в мРНК как ДНМТ3А, так и ДНМТ3Б есть места связывания для семейства миРНК под названием miR-29. Обычно эти миРНК связываются с молекулами ДНМТ3А и ДНМТ3Б и подавляют их. При раке легкого уровни этих миРНК падают, а вследствие этого повышается экспрессия мРНК ДНМТ3А и ДНМТ3Б и белка. В результате этого увеличивается независимое метилирование чувствительных промоторов супрессоров новообразований[203].

Вполне вероятно, что существуют и петли обратной связи между миРНК и эпигенетическими ферментами, которые они контролируют, возникающие, если один компонент в цепочке дает сбои. Это усиливает аномальные механизмы контроля в клетке, приводя к очередному порочному циклу, как это показано на рисунке 11.4. В этом примере миРНК регулирует особый эпигенетический фермент, который, в свою очередь, модифицирует промотор миРНК. В данном случае этот эпигенетический фермент создает репрессивную модификацию.

^{Рис.11.4. Положительная петля обратной связи, постоянно понижающая экспрессию микроРНК. которая обычно контролирует экспрессию эпигенетического фермента, создающего репрессивное состояние хроматина}

Еще очень и очень многое нам предстоит понять, прежде чем мы сможем успешно разработать следующее поколение эпигенетических препаратов для лечения раковых больных. Нам нужно определить, какие лекарственные средства более эффективны при тех или иных разновидностях рака, и для каких пациентов они окажутся наиболее полезными. И нам следует решить эти задачи заблаговременно, чтобы потом, в ходе бесконечных клинических испытаний, не пришлось зависеть от слепой удачи. По крайней мере, 5-азацитидин и САГК придали нам уверенность в том, что эпигенетическая терапия возможна при раке, хотя она еще очень нуждается в совершенствовании.

Как мы узнаем из следующей главы, эпигенетические задачи не ограничиваются одним лишь раком. Но, как ни печально признаваться в этом, мы все еще очень далеки от понимания того, как применить эпигенетическую терапию для удовлетворения одной из самых насущных потребностей западного мира — лечения психиатрических заболеваний.