99 Белок p53 как «страж генома» Дэвид Лейн 1992 год

2 июля 1992 г. вышла статья иммунолога Дэвида Лейна о роли белка p53 как «стража генома». Пари в пивной привело к открытию клеточного правительства. Если ДНК несет в себе гены, то p53 включает и выключает их по своему усмотрению. Смерть от рака, диабета, инсульта — в руках этого вещества, которое правит клеткой и вершит ее судьбу. Врачам будущего предстоит научиться влиять на его решения.

Природа рака открылась благодаря громадному антипрививочному скандалу. В 1960 г. американцы всерьез задумались о переходе с убитой вакцины от полиомиелита на живую, которую создал в Цинциннати Алберт Сэбин, а производил в Подмосковье его друг Михаил Чумаков. Массовые вакцинации в СССР показали гораздо лучший результат, чем прививки убитой вакциной Солка в Соединенных Штатах. Культуру Сэбина на обезьяньих почках стали внимательно изучать и обнаружили, что она загрязнена другим вирусом, которым болеют макаки-резусы. Новый вирус получил название SV40, что означает всего лишь «обезьяний вирус № 40».

На всякий случай производители вакцин заменили резусов приматами других видов, свободных от SV40. Патогенность его для человека неизвестна, зато к 1962 г. выяснили, что он вызывает рак у хомячков. Досаднее всего было то, что вакцина Солка, которую с 1955 г. успели ввести десяткам миллионов детей, также содержала SV40: Солк убивал вирус полиомиелита формалином, который на SV40 не действует.

Трудно сказать, насколько этот просчет фатален. Не исключено, что гибель от рака некоторых сорокалетних американцев, которые в 1950-х были детьми, могла быть связана с SV40. Важно, что урок усвоен полвека назад и опасности для нынешних детей не существует. Тем не менее история с обезьяньим вирусом остается любимым пугалом антипрививочников. На любом их форуме вы обязательно ее найдете с рефреном «мало ли чего еще ждать от этих связанных с “большой фармой” ученых».

На самом деле открытие SV40 обернулось большой удачей: вдоль и поперек изученный онкогенный вирус, вызывающий злокачественные опухоли у подопытных животных, — лучшая модель для отработки «прививки от рака», то есть вакцины против онкогенных вирусов. В 1970-е гг. на эту тематику бросили миллионы долларов и привлекли тысячи ученых, среди которых был юный Дэвид Лейн.

Родился он в 1952 г. в католической британской семье. Католики в Англии — обособленная каста, некогда гонимая. Отец Лейна считал, что Дэвид зря выбрал профессию биолога: ученый-католик мог не найти в Англии работы. Ведущие университеты, Оксфорд и Кембридж, — вотчина протестантов. Лейна ждал Лондонский университет, по традиции прибежище квакеров, католиков, марксистов и евреев. В те времена выпускников этого вуза воспринимали скептически.

Дэвид знал это, но иной карьеры не желал. В школе он учился плохо. Отчаявшись заинтересовать ребенка хоть чем-нибудь, родители на десятый день рождения подарили ему дешевый пластиковый микроскоп. Не то чтобы мальчик взялся за книги и стал мечтать о науке, но сама возможность видеть то, чего не видят одноклассники, его радовала. Он решил стать иммунологом, чтобы смотреть в микроскоп и дальше.

Едва Лейн поступил в университет, его отец скоропостижно скончался от рака прямой кишки. Ощущение полной беспомощности перед страшной болезнью, охватившее тогда всю семью, определило выбор специальности Дэвида: онкоиммунология. Чтобы гарантированно получить место исследователя вопреки религиозным предубеждениям, пришлось освоить работу с изотопами. К началу 1970-х гг. ученые вполне изведали прелести облучения, среди молодых развилась радиофобия, так что конкурентов почти не было.

Как специалист по меченным радиоактивным йодом белкам, Лейн был привлечен к серьезной работе над SV40 в обход многих старших товарищей, еще до защиты диссертации. В Имперском фонде изучения рака (ныне фонд Cancer Research UK) занимались антигеном T — активной частью вируса SV40, ответственной за онкогенный эффект. Антитела, которые вырабатывает организм, должны быть нацелены на этот антиген. Но обнаружились еще антитела на какой-то белок, образующийся в самой клетке при введении антигена. Масса молекулы этого белка была в 53 000 раз больше массы протона, поэтому в конце концов его назвали p53.

В норме никакого p53 в клетке не обнаруживалось, но возникал он явно не из вируса. Лейн решил проверить, не связано ли его появление с раком вообще. И в тканях мышей, больных полиомой, вызванной другим вирусом, тоже нашелся p53. Осенью 1978 г. Лейн и его сотрудник Лайонел Кроуфорд отослали в Nature статью об этом открытии, содержавшую три числа и нахальное предположение, что p53 «регулирует определенные клеточные функции». Рецензенты статью завернули по трем причинам: 1) это никому не интересно; 2) этот результат получили другие; 3) мало чисел.

Авторы быстро произвели биофизические измерения, так что чисел стало четыре, и в 1979-м статья все же вышла. К тому времени p53 выделили сотрудники еще трех лабораторий, среди них в Принстоне — Арнольд Левин, в будущем один из ключевых исследователей этого белка.

Поскольку p53 был первым известным специфическим белком, непременно появляющимся в злокачественных клетках, на него набросились ученые всего мира. В 1982 г. сын Михаила Чумакова Пётр в московском Институте молекулярной биологии клонировал ген, отвечающий за производство этого белка; p53 стал доступен для исследований. Следующие 10 лет предположения насчет его роли напоминали притчу о слепцах, которые ощупывали слона. Одни сообщали, что этот белок и есть причина рака, потому что его всегда находят в метастазах. Другие заметили в метастазах только белок-мутант. Так обстояло дело, в частности, с раком прямой кишки: полип перерождается в злокачественную опухоль в присутствии мутировавшего p53. Третьи сообщали, что нормальный (биологи говорят «дикий») p53, напротив, подавляет развитие опухолей.

^{Дэвид Лейн (слева) в 1979 г. в США, во время стажировки у открывателя ДНК Фрэнсиса Крика}

Лейн наблюдал дискуссию со стороны, поскольку был занят написанием методического руководства по выделению антител. Книга вышла в 1988 г. и стала мировым научным бестселлером — продали 40 тысяч экземпляров. Она сделала автору имя в науке. Когда онкологический фонд решил устроить лабораторию при университете шотландского города Данди, Лейна командировали руководить этим подразделением.

Решили заняться p53, но никак не могли выработать программу. Требовалась общая рабочая версия, а у каждого из сотрудников она была своя. Спор занял целый день и продолжился в пабе. Лейн отстаивал гипотезу своей юности: p53 — не союзник онковируса, а командир генома, он выдвигается на передовую при опасности возникновения рака.

Проверить это очень просто. Известно, что рак кожи вызывается ультрафиолетовым излучением. Надо поместить подопытное животное в солярий, потом взять образец кожи на анализ и отследить концентрацию p53. Вот только с подопытными животными у новой лаборатории были сложности, особенно без утвержденной программы.

Сотрудник Питер Холл взялся провести эксперимент на себе. Немедленно заключили пари на пиво и приступили к делу. Холл закатал рукав, получил под кварцевой лампой дозу ультрафиолета, соответствующую 20 минутам пребывания на пляже Корфу. Затем в течение двух недель Лейн срезал для анализа кожу с облученной части руки. Всего потребовалось девять разрезов. Холл плохо переносил биопсию, каждый шрам у него воспалялся. Но гипотеза подтвердилась: p53 в больших количествах появляется в ответ на любое воздействие, чреватое повреждением генома.

Лейн направил в Nature сообщение об эксперименте. Белку p53 определялось место регулятора, дирижера и генерального менеджера генома, который в случае опасной поломки останавливает клеточный цикл и включает гены синтеза белков, занимающихся ремонтом ДНК. Статья носила рабочее название «Два белка идут навстречу друг другу». Редактор забраковал заголовок как скучный.

Тогда-то Лейну и пригодилось религиозное воспитание. В клетке p53 борется за традиционные ценности. Молекула ДНК для него святыня, на которую нельзя посягать. По аналогии со «стражем веры» белок p53 можно назвать «стражем генома» («The Guardian of the Genome»). И вот это уже подходило для статьи, опубликованной 2 июля 1992 г.

Удачное название позволило быстро осмыслить происходящее. Достаточно применить эволюционную теорию Дарвина. Геном каждой клетки предписывает ей определенную роль в организме. Пока у всех клеток ткани одинаковые гены, все работают по общей программе, делают общее дело. Но если геном станет различаться, клетки начинают соревноваться в полном соответствии с теорией естественного отбора. Борьбу за существование выигрывает тот, кто быстрее делится и оттягивает на себя ограниченные ресурсы. Разница между богатыми и бедными растет, богатые наживаются за счет общества, пока бедные не протянут ноги. Организм утрачивает единство и гибнет. Вот что такое рак.

Для поддержания порядка в каждой клетке существует правительство, оно же верховный суд. Эту функцию исполняет белок p53. Он постоянно обследует ДНК и не позволяет ее копировать, если находит изменение. Когда же геном нарушен так сильно, что восстановлению не подлежит, клетка либо приговаривается к преждевременному старению, либо получает приказ совершить самоубийство. Белок p53 запускает производство ферментов-убийц и сам участвует в казни. Обломки разрушенной клетки — апоптозные тельца — поедают макрофаги.

Это передний рубеж войны с раком, подстерегающим нас каждую минуту. Как только прояснилась роль p53, стало понятно, почему работают лучевая терапия рака и химиотерапия. От них раковые клетки получают такие повреждения, что «страж генома» отдает приказ покончить с собой.

Когда правительство имеет такую власть, необходима оппозиция. Она была открыта в том же 1992 г. Это весьма скромных размеров белок под названием Mdm2. Правитель p53 сам запускает процесс создания этой оппозиции — аппарат самоуничтожения. Если все в порядке, через 20 минут молекулы белков p53 и Mdm2 соединяются, и этот агрегат отправляется в протеазу — нечто среднее между мясорубкой для белков и компостной кучей. Но если при обследовании ДНК правитель находит повреждение, его молекула соединяется с остатком фосфорной кислоты так, что оппозиция не может к нему подобраться и утащить в мясорубку. Так директор генома получает чрезвычайные полномочия. Белка p53 становится все больше, пока не разберутся с поломкой. Если сигналы о нарушении генома смолкнут, весь p53 списывается, его концентрация падает почти до нуля. Это и наблюдал Дэвид Лейн в коже своего ассистента.

Однако p53 не бесплотный дух, его производит вполне материальный ген, который сам уязвим для излучения и подвержен мутации. Продукт измененного гена часто и не думает отдавать приказ о самоубийстве ненормальной клетки. Мутант пресекает деятельность оппозиции и велит делиться, экспортировать мутацию, а также производить ферменты, которые тянут капилляр от ближайшего кровеносного сосуда. Потомство больной клетки размножается, захватывая всё новые каналы снабжения, и образует опухоль.

Мутанты вызывают до 70 % всех злокачественных образований. Хорошая новость в том, что для каждого вида рака характерна своя мутация p53, которую можно установить и обнаруживать при рутинном анализе. Так, Лейн установил, замена какой конкретно аминокислоты в определенной точке молекулы «стража генома» приводит к развитию рака прямой кишки, от которого погиб его отец. Узнали в Данди и адрес роковой подмены аминокислоты под воздействием бензпирена в организме курильщика, у которого развился рак легких. Пришлось даже объясняться с юристами табачных компаний, очень просившими Лейна «не заявлять об этом столь определенно».

Но от такого предложения можно было отказаться, потому что запугивать ученых уже поздно. Белком p53 оперативно занялись сотни лабораторий по всему миру. В первую очередь искали средства от рака.

Самая простая идея — помочь «стражу генома» в случаях, когда мутации p53 нет: таких раковых больных более 11 миллионов. Например, концентрацию правящего белка можно поднять, задавив оппозицию. В 2004 г. Любомир Ваcсилев сумел ингибировать белок Mdm2 в организме мышей и свести на нет опухоли у подопытных животных. Летом 2010 г. в четырех городах Франции компания Hoffmann-La Roche начала клинические испытания ингибитора на больных с липосаркомой.

Результаты пока не опубликованы, но в частных беседах испытатели не высказывают энтузиазма. Вообще, в геноме человека оппозиция «стражу генома» нужна. Она под ручку провожает белок p53 в митохондрию, откуда правитель генома запускает процесс самоубийства раковой клетки. Без Mdm2 «страж генома» выбирает роль «правительства профессионалов, которое должно работать при любом режиме» и помогает копированию измененной ДНК, позволяя раковым клеткам если не размножиться, то по крайней мере воспроизвести свою численность.

С другой стороны, если отключить p53 вовсе и передать власть оппозиции, клетка обнуляет все настройки и превращается в стволовую. Арнольд Левин уже сказал, что p53 — страж не только генома, но и эпигенома. Он придает клетке индивидуальность, как элита придает индивидуальность обществу: во всем мире простые люди похожи друг на друга, а правящие классы имеют разные идеи и воспитание; убери элиту — и не узнаешь народ.

Хотя опыт с ингибитором нельзя назвать удачным, он продвинул вперед диагностику. Каждый день в теле среднего человека «страж генома» списывает 50 миллиардов неремонтопригодных клеток. При наличии опухоли несколько десятков миллионов из них — раковые. Материал с мутациями поступает в кровь, и по анализу ДНК можно сказать, остались ли еще злокачественные образования. Это очень важно знать после операции — решая, назначать ли химиотерапию, которая стоит до 100 тысяч евро и может причинить немалый вред. Лейн по этому поводу полон оптимизма: можно облегчить и удешевить диагностику рака, на которую расходуется по 40 миллиардов долларов в год.

Чтобы найти способ манипулировать клеточным правительством, обратились к его истории. Откуда вообще взялся этот белок p53? Ему уже миллиард лет, он в тысячу раз старше человечества. За это время сделал большую карьеру. Возник он еще у беспозвоночных. Начинал, так сказать, простым слесарем: опознавал повреждения ДНК и собственноручно их залечивал. Когда наши предки вышли на сушу из океана, обзавелся двумя племянниками — p63 и p73. Они дублируют его функции и по-хорошему конкурируют с дядей.

По ходу эволюции p53 уже не чинил сам каждую поломку, а научился включать гены, отвечающие за синтез приспособленного под конкретную задачу фермента. Хотя «страж генома» — это такой директор завода, который в критической ситуации сам встает к станку, основная его функция — сбор информации. Белок p53 реагирует на тысячи сигналов от всех систем клетки и распоряжается генами, ответственными за всевозможные процессы. Свой завод он «взрывает, чтобы не достался врагу» только при самой серьезной опасности, а в мирное время его задача — руководить производством.

Как это бывает с руководителями, каждый имеет свой характер. Примерно 30 тысяч лет назад человеческий род разделился на две части, и в одной «страж генома» более бдителен и чаще отдает решительные приказы. У таких людей вероятность заболеть раком меньше, но они редко доживают до 75 лет, потому что их клетки чаще обновляются, быстрее стареют.

Бдительность не всегда хороша. Смерть от инсульта представляет собой массовое проявление бдительности со стороны «стражей генома». При нарушении снабжения клеток кислородом p53 принимает решение о несовместимости гипоксии с жизнью. Если найти способ притупить эту бдительность, можно было бы сократить потери.

Эксперименты на мышах тут не во всем помогут. В организме грызунов белок p53 играет несколько иную роль. Да и у людей его функции сильно различаются. По-разному работает p53 у мужчин и женщин (отсюда неодинаковая предрасположенность двух полов к разным видам рака), у русских и китайцев (например, китайские женщины подвержены раку носоглотки в 80 раз сильнее, чем русские).

Наконец, рак — удобная для изучения болезнь: заметные мутации, громадные количества p53, массовые жертвоприношения. А чем занят директор генома при не столь смертельных патологиях? Что предпринимает он при аутизме, диабете, ожирении? Мыши ответ не дадут, эксперименты на людях неэтичны, манипуляции с геномом пациента незаконны. Даже если правительству какой-нибудь страны понравится идея пустить часть населения на опыты, с p53 это не поможет. Он забрал себе слишком большую власть.

Всего лишь за четверть века число работ об этом белке перевалило за 50 тысяч. Мы знаем две тысячи генов, которые p53 включает и выключает; по расчетам биоинформатиков, их вдвое больше. Пётр Чумаков говорит, что уходят последние годы, когда один человек может усвоить все знания о белке p53. Еще немного — и удержать всё в уме сумеет лишь компьютер, а нам останется строить цифровые симуляции. Поначалу, видимо, не слишком удачные: объект изучения сам представляет собой биологический компьютер. Который оперирует на малопонятном языке, постоянно подвергается вирусным атакам, виснет и ошибается, норовя то захватить мировое господство, то закрыться от мира и внутри своих границ передушить все живое.

ОБСУЖДЕНИЕ В ГРУППЕ

Василий А.: Если можно, вопрос насчет «человеческий род разделился на две части» — про какое именно разделение речь? (Можно просто ссылку или PMID/doi.) И тот же вопрос насчет разницы p53 у мужчин vs женщин.

Ответ: Вот в этой лекции Арнольд Левин говорит о разделении наших предков порядка 30 тысяч лет назад (32:40): https://www.youtube.com/watch?v=2h2nyma8V3s.

85 % скандинавов имеют аргининовый аллель p53 (Arg72) и 97 % африканцев — пролиновый (Pro72, менее «бдительный»). Об этих аллелях еще Чумаков писал в «Генетике» в 1987 г., 23, 1547–1554.

Anna Kiriluk: Это выходит, что скандинавы должны редко доживать до 75, в отличие от негроидов, при этом последние должны чаще болеть раком? Кстати, а у славян какой аллель, проверяли?

Ответ: Именно так, среди скандинавов старше 75 преобладает более редкий аллель. Полиморфизм славян по 72-му кодону на примере жителей Ленинграда проверили едва ли не раньше, чем в Скандинавии. Также преобладает аргининовый аллель. Но это не значит, что его носители не болеют раком или, скажем, псориазом. Они всего лишь подвержены в 1,1–1,5 раза меньше.

Роман Артамонов: Очень интересно. Когда-то очень давно сталкивался с информацией, что как раз северные народы чаще страдают от онкологии, а южные — от инфекционных заболеваний. К чему привязывались в выводах — не помню, точно не к генетике и точно не к инсоляции (потому что инсоляция выше как раз в южных странах).

Ответ: Тут скорее условия жизни: на юге чисто статистически больше инфекций и возможностей ими заразиться. Северяне обычно богаче, живут дольше и до своего рака доживают.