Від раку до COVID-19. Як еволюція пов'язана з хворобами?

Клітка (червона), заражена вірусами SARS-CoV-2 (жовті), оброблене зображення електронного мікроскопа (фото: svoboda.org)

Еволюційна біологія, яка веде своє походження від праць Дарвіна, понад століття черпала інформацію з викопних останків і порівняльної анатомії. Відкриття структури ДНК і подальша розшифровка генома надали їй набагато більш потужні інструменти, за допомогою яких вчені здатні щодо докладно з'ясувати еволюційні витоки різних біологічних особливостей живих організмів. У тому числі - наші сильні і слабкі сторони в боротьбі з різними хворобами, від раку до коронавирусной інфекції.

Про те, що таке еволюційна генетика, як вона допомагає лікувати рак і допомогли нам захищатися від COVID-19 неандертальці, Радіо Свобода поговорити з Дмитром Петровим, професором Стенфордського університету, керівником лабораторії еволюційної біології.

Дерево, побудоване на генах

Після того, як вчені знайшли спосіб розшифровувати ДНК, з'ясувалося, що існують стійкі гени, які зберігаються в поколіннях дуже довго, і по їх наявності та порівняно можна легко простежити еволюцію. А за ступенем розбіжності генів, можна визначити час, коли вона становить сталося, тобто коли виникла та чи інша група організмів. За генам еволюція простежується дуже глибоко, на сотні мільйонів і навіть мільярди років тому. Наприклад, в організмах всіх нині живих істот є гени, які залишилися у нас від загального предка, від якого відбулося все сучасне природне розмаїття. Якщо розташувати всі наші сучасники істоти від найпростіших до найскладніших в одну лінію, то з одного боку будуть стояти люди і вищі ссавці, а з іншого - організми, клітини яких навіть не мають ядер, - бактерії і архебактерии. І всі вони містять стародавні гени загального предка - саме по собі це є одним з переконливих доказів теорії Дарвіна.

На підставі схожості генетичних послідовностей можна зобразити єдине "древо життя" - як раніше робили за допомогою інструментів палеонтології та порівняльної анатомії.

"Наприклад, - говорить Дмитро Петров, - ми хочемо визначити, коли виникли кити, іншими словами, коли вони генетично відійшли від інших ссавців. Ми намагаємося це визначити, аналізуючи їх гени. А палеонтологи знаходять скам'янілі кістки, які, імовірно, залишилися від китів , і намагаються визначити вік цих кісток. і потім ми можемо порівняти результати генетичного і палеонтологічного аналізів ".

До речі, самі по собі викопні останки можуть стати предметом генетичного аналізу. В порівняно молодих останках, вік яких становить десятки тисяч років, іноді вдається виділити і розшифрувати ДНК. Наприклад, були секвенувати ДНК мамонта і ДНК тих видів людей, які передували сучасній людині, таких як неандертальці або денисовців.

Еволюційна генетика має і свої обмеження. Вона не може відновити генетичні послідовності, а отже, і еволюцію тих видів, які вимерли давно, не залишивши після себе нащадків, і чий генетичний матеріал не зберігся. Такі групи організмів називаються тупиковими гілками еволюції. А таких тварин і рослин дуже багато.

Цікаво, що організми на різних і навіть віддалених один від одного гілках (а багатоклітинні організми, наприклад, беруть свій початок від різних одноклітинних - тобто гілки можуть бути по-справжньому далекі) еволюційного древа можуть розвиватися подібним чином. Ось приклад: якщо білок родопсин, який вміє реагувати на світло, був створений в ході еволюції тільки один раз, то очної апарат, який фокусує світло, природа "винайшла" щонайменше 40 разів - і в результаті цього з'явилося 40 різних типів очей. Так, очі восьминога і людини дуже схожі за своєю структурою, але еволюціонували вони абсолютно незалежно.

Еволюція - це швидко чи повільно?

Дарвіна бентежило, що зміни в живих організмах відбуваються, як йому здавалося, повільно і що, виходячи з швидкості цих змін, тривалість еволюції непорівнянна з тривалістю існування нашої планети. Ця проблема багато в чому пояснювалася тим, що за часів Дарвіна вік Землі був сильно недооцінений. Сучасник Дарвіна лорд Кельвін вважав, що Земля утворилася всього лише 20-400 млн років тому. Сьогодні геологи оцінюють вік Землі приблизно в 4,5 млрд років, а вік найдавніших живих істот - в 3,7-4,2 млрд років. Крім того, з'ясувалося, що швидкість еволюції непостійна. Дмитро Петров пояснює, що довгий час геноми можуть залишатися стабільними, і раптом відбувається ривок - і утворюється відразу багато змін. Такі ривки еволюції виникають, коли змінюється навколишнє середовище і організми повинні до цих змін швидко пристосуватися. Ті, хто не зумів пристосуватися, вимирають.

Цей факт добре підтверджується і палеонтологічного літописом: довгі періоди відносної еволюційної стабільності перериваються короткими епізодами, коли тваринний і рослинний світ радикально змінюється. Періоди самого радикального оновлення часто були пов'язані зі значними геологічними і екологічними катастрофами, наприклад, дуже активним вулканізмом або падінням великих метеоритів, які запустили ланцюжок різких змін навколишнього середовища, в першу чергу змін складу і температури атмосфери і океану. Крім того, різні організми еволюціонують з різною швидкістю, яка залежить від швидкості зміни поколінь і швидкості накопичення мутацій.

"Наприклад, - говорить Дмитро Петров, - в одній невеликій пробірці ми маємо 10 млрд дріжджових клітин. У середньому в кожному поколінні на кожні 100 клітин припадає одна мутація. А це означає, що в нашій пробірці на кожне покоління виникає 100 млн мутацій. Навіть якщо тільки одна з усіх цих мутацій виявиться корисною в якійсь конкретній ситуації, припустимо, при деякій зміні живильного середовища, і допоможе її власникам успішно конкурувати зі своїми родичами, то вже через кілька поколінь носії цієї мутації будуть домінувати в пробірці, пригнічуючи тих, хто цієї мутації не має ". При цьому швидкість "зміни поколінь" у дріжджових клітин - всього кілька годин.

Еволюційна генетика і рак

Саме здатність клітин до швидкої еволюції - одна з проблем при лікуванні раку.

Клітини пухлини в організмі, подібно дріжджовим клітинам в пробірці, відповідають на зміни середовища, фіксуючи вдалі мутації. Дмитро Петров вважає, що в якомусь сенсі пухлина можна вважати самостійним організмом: "З точки зору природного відбору пухлина - це певна спільнота клітин," інтерес "якої сильно відрізняється від" інтересу "всього організму. Наш організм можна спрощено уявити собі як збори клітин, які узгоджено працюють, дотримуючись загальні інтереси. А клітини пухлини - це злісні індивідуалісти, які не беруть участі в цьому процесі, вони живуть самостійно, роблять щось своє і не слухаються наказів організму, тобто живуть в організмі своїм відособленим життям. Отже , їх можна назвати незалежною еволюційної лінією клітин. і еволюція клітин пухлини відбувається, подібно еволюції колонії бактерій або дріжджів, дуже швидко протягом декількох років, і саме ця висока швидкість еволюційного процесу призводить до проблем. Вчені знаходять ліки для придушення раку. Але пухлини еволюціонують , пристосовуються і перестають реагувати на ліки, які були ізнач льно ефективними ".

Велика частина співробітників лабораторії Дмитра Петрова в Стенфорді займаються саме раковими захворюваннями. За допомогою певної системи вони моделюють різні види раку людини, індукуючи різні модифікації ракових пухлин в легенях мишей, а потім пробують різні ліки для їх лікування. Модифікації пухлин - це і є по суті різні еволюційні гілки. Наприклад, страшний діагноз аденокарцинома легкого - загальна назва для десятків можливих варіантів захворювання, пов'язаних з різними генетичними модифікаціями, що з'явилися в результаті мутацій клітин. І ці модифікації можуть дуже по-різному реагувати на одні і ті ж ліки. Еволюційні біологи намагаються відстежити різні шляхи еволюції ракової пухлини і то, як з ними пов'язана ефективність різних терапій.

COVID-19 і еволюція

Сама по собі пандемія COVID-19 - наслідок еволюції. Для того щоб "перескочити" на людину з природного носія, яким, мабуть, була летюча миша, вірусу SARS-COV-2 знадобилося накопичити необхідні мутації.

Але і здатність людини протистояти вірусам - теж наше еволюційну перевагу. Кілька років тому Дмитро Петров і його учень Давид Енард з університету Арізони США опублікували дослідження, в якому встановили, що сучасні люди успадкували гени, що відповідають за імунну відповідь на вірусні захворювання, від неандертальців. Саме завдяки генам неандертальців сучасні люди проявляють відносну стійкість, наприклад, до грипу, гепатиту С, а також ВІЛ. Це пояснюється тим, що неандертальці заселили Європу на сотні тисяч років раніше, ніж предки сучасних людей, кроманьйонців. У той час, коли сучасна людина вийшла з Африки, її тваринний світ сильно відрізнявся від тваринного світу Європи. А адже саме тварини є носіями інфекцій, які згодом перекидаються і на людей. Протягом сотень тисяч років під дією природного відбору у неандертальців встиг виробитися імунну відповідь на деякі типи місцевих збудників інфекцій, що передаються вірусами. А ми - кроманьйонці - просто успадкували ці гени в результаті схрещування з неандертальцями, тобто отримали вже готовий продукт.

Втім, Дмитро Петров не поспішає затверджувати, що саме гени неандертальців допомагають нам відносно успішно боротися з COVID-19. Імунна відповідь на Коронавірусние інфекцію влаштований досить складно, і частина його дійсно, мабуть, пов'язана з неандертальських генами. З іншого боку, неандертальці в еволюційному сенсі можуть претендувати не тільки на роль рятівників від нового вірусу, а й на роль убивць. Відповідно до одного з недавніх досліджень, гени, відповідальні за небезпечні ускладнення COVID-19, що викликають дихальну недостатність, були успадковані нами від тих же неандертальців. Яка "позитивна" роль цих генів в організмі, вчені поки не розуміють.

Подальші перспективи співіснування людства з COVID-19 теж значною мірою будуть визначатися еволюцією - еволюцією вірусу. У багатьох випадках еволюція робить патогени менш агресивними, адже можливість якнайширше поширюватися, дозволяючи носію переносити хворобу на ногах, - еволюційну перевагу. Але це не завжди так і зовсім не обов'язково відноситься до вірусу SARS-CoV-2. Дмитро Петров звертає увагу, що цей вірус і так поширюється досить легко, на нього не виявляється еволюційного тиску, а отже, немає причини, що спонукає його змінитися в цьому аспекті. Якщо ж перешкоди до поширення виникнуть - колективний імунітет, вакцинація або масово дотримуваний строгий карантин - це може підштовхнути вірус до змін, до еволюції до більш "м'якої" формі, вболіваючи якої, люди будуть вести звичайне життя, продовжуючи поширювати інфекцію. Проблема в тому, що SARS-CoV-2 і так володіє подібними якостями: він допускає бессимптомную передачу. Тому його еволюція до менш агресивному варіанту зовсім не обов'язкова.

Джерело