Объединяйтесь!

Иньяки Руис-Трилло, руководитель лаборатории многоклеточного генома в Институте эволюционной биологии в Барселоне (Испания), – человек, очарованный амебой. Если говорить конкретнее, то он одержим Capsaspora owczarzaki – одноклеточным организмом, который из-за своего необычного образа жизни считается ближайшим из ныне известных родственников многоклеточных животных.

В отличие от большинства других одноклеточных существ, которые все время держатся особняком, Capsaspora в течение жизни пробует три разных варианта. Прежде всего эту амебу можно найти в виде отдельных клеток, плавающих в крови пресноводных улиток. Другим способом ее бытования оказывается компактная споровидная циста, которую формируют отдельные амебы. Наконец, наиболее любопытен третий тип. Реагируя на какой-то пока не опознанный сигнал, амебы вдруг начинают ползти друг к другу, сбиваясь в небольшую группу; в такие периоды они даже выделяют что-то вроде клея, который скрепляет их вместе. Именно здесь, в «серой зоне» между одноклеточностью и многоклеточностью, удобнее всего прояснить правила, регулирующие многоклеточную жизнь, а также разобраться в том, каким образом рак их ломает.

В генах Capsaspora Руис-Трилло и его команда обнаружили множество сюрпризов, которые могут пролить свет и на происхождение многоклеточных сообществ, и на источники рака. Как и следовало ожидать, у Capsaspora имеется полный набор генов клеточного цикла, которые позволяют ей воспроизводиться, а также все прочие механизмы, которые необходимы для создания клетки и обеспечения ее жизнедеятельности, например для «активации» и «отключения» генов или производства энергии. Но при этом интересующая нас амеба обладает и некоторыми другими генетическими функциями, которые представляются абсолютно ненужными, по крайней мере на первый взгляд.

Интересно, что в организме Capsaspora присутствуют практически все гены и молекулы, которые многоклеточные животные используют для формирования различных тканей. Более того, Руис-Трилло обнаружил в этом любопытнейшем одноклеточном предке почти каждую новацию, позже освоенную многоклеточной жизнью. Например, клетки Capsaspora производят молекулы, называемые интегринами, которые, покрывая поверхность клеток животных, позволяют им «склеиваться» и образовывать упорядоченные структуры. У Capsaspora также имеется самобытная версия генов, которые ранее считались атрибутом исключительно животного развития: именно они позволяют клеткам в стадии раннего эмбриогенеза определяться с тем, что в будущем организме будет верхом или низом, передом или задом, левым или правым.

Кроме того, имеются еще четыре или пять генов, которые внешне очень похожи на генетическую подборку, известную как «путь бегемота» (Hippo pathway) и отвечающую за то, насколько крупным станет тело животного. Руис-Трилло научился даже брать эти гены у Capsaspora и вводить в геном плодовой мушки, заставляя их контролировать размер ее глаз. У самой амебы, однако, глаза отсутствуют (да и любой другой орган тоже). Отсюда возникает вопрос: для чего же одноклеточному организму нужны молекулярные атрибуты сложного многоклеточного существа? «Все эти механизмы активируются, когда Capsa переходит из одной формы в другую – амеба превращается в цисту или циста в агрегат, – объясняет Руис-Трилло. – Этот процесс подобен дифференциации у более сложных животных, но здесь он расчленен во времени: сначала вы становитесь одним, затем другим, потом третьим. При этом каждой клетке в каждый определенный момент приходится сохранять лишь одну форму. В этом заключается серьезная проблема одноклеточного организма».

Ребенок, растущий в утробе матери, формирует сотни различных типов клеток, каждая из которых специализируется на выполнении конкретной задачи. Однако если бы мы были похожи на Capsaspora, нам пришлось бы проходить все стадии последовательно: сначала все наше тело становилось бы печенью, а затем мозгом или мускулатурой. Как показывают изыскания Руиса-Трилло, главное отличие людей и других сложных организмов от разрозненного коллектива амеб состоит в том, что в процессе эволюции наши клетки научились выполнять различные задачи одновременно. И хотя у Capsaspora есть все гены, необходимые для назначения различных функций, эта амеба не очень хорошо справляется с многозадачностью.

Более сложные организмы развили несколько уровней изощренных приспособлений, которые позволяют контролировать то, когда и где будут активированы их гены. Хотя многие из этих контролеров имеются и у Capsaspora, это создание лишено бесчисленного множества генетических «контрольных переключателей» дальнего радиуса действия, рассыпанных по всему геному сложных многоклеточных существ. Именно они запускают работу генов в нужное время и в нужном месте, заставляя организм в процессе его развития создавать необходимые виды тканей. Стоит обратить внимание на то, что в раковых клетках сбои происходят именно в дистанционных взаимодействиях между «переключателями» и генами.

Помимо явной генетической недоразвитости по сравнению с многоклеточными организмами, у Capsaspora отсутствует еще одно важное свойство: эта амеба не умеет умирать. Точнее говоря, эти крошечные существа, конечно же, в какой-то момент прекращают существовать, но при этом у них отсутствуют важнейшие компоненты клеточной программы суицида, известной как апоптоз, которая запускается, когда клетки повреждаются или становятся ненужными.

В многоклеточных организмах, включая людей, апоптоз обеспечивает мощную защиту от рака. Вы даже можете это наблюдать на примере собственного тела, когда по легкомыслию обгорите на солнце: чешуйки омертвевшей кожи, которые отслаиваются спустя несколько дней, – это поврежденные клетки, которые слишком испорчены, чтобы воспроизводиться должным образом, и поэтому им «поручается» умереть, а не задерживаться, создавая проблемы в будущем. Неудивительно, что генетические изменения, которые нарушают ключевые компоненты этой суицидальной реакции, оказываются важным этапом в развитии рака: растущая опухоль не только требует воспроизведения все новых клеток, но и нуждается в том, чтобы они не умирали.

В этом открытии запечатлено противоречие между потребностями отдельной составляющей многоклеточного тела и совокупным благом всего его сообщества. «Жизненная цель» одноклеточного организма состоит в том, чтобы произвести как можно больше своих копий и не умереть, но с позиции многоклеточного существа самое главное состоит в том, чтобы клетки, напротив, выполняли свой долг и были готовы умирать для общего блага группы – когда они повреждены, неправильно работают или больше не нужны.

«На протяжении миллиардов лет клетки просто делились: если вы одноклеточный, то вам только этим и приходится заниматься. Однако как только вы оказываетесь внутри другого организма, речь идет уже не только о вас, – говорит мне Руис-Трилло. – Многоклеточность приносит великую пользу организму, и вам в том числе, однако теперь вы попали в абсолютно другие условия, и то, что вы могли делать, будучи автономной единицей, становится невозможным, поскольку вам нужно следить за своим поведением и следовать правилам».

Это проблема, с которой вы, безусловно, сталкивались, если когда-нибудь ездили на отдых с группой друзей. Действия и решения, которые кажутся достаточно простыми для одиночки, внезапно превращаются в предмет сражений за желания и приоритеты, которые разделяют участников. По словам Руиса-Трилло, многие студенты из его лаборатории любят ходить в походы, но это не приводит автоматически к гармоничному отдыху.

«Когда вы идете в поход один, у вас обычно все легко. Вы едите, когда захотите и что захотите, – говорит он. – Вы ставите палатку там, где нравится, и спите тогда, когда хочется, – все по собственному усмотрению. Однако как только вы отправляетесь в поход в составе группы, состоящей из десяти человек, у вас появляются проблемы. Неизбежно начинаются споры: а почему бы нам не поставить палатку здесь или почему нельзя поесть сейчас?».

Чтобы избежать аналогичных трудностей, клетки поддерживают постоянную коммуникацию друг с другом, отправляя и получая сигналы, сообщающие о текущей обстановке и необходимых действиях. Некоторые из этих сообщений представляют собой свободно циркулирующие химические вещества, которые диффундируют от клетки к клетке или перемещаются по кровотоку, в то время как другие больше похожи на старомодную систему «две жестяные банки с веревкой», требующую непосредственного физического контакта между клетками для передачи сигнала. На деле многие гены из числа тех, что нужны для многоклеточности, участвуют в коммуникации между клетками – и с развитием рака контакты этого типа прекращаются.

Хотя многоклеточный образ жизни имеет несомненные преимущества перед одноклеточным существованием, бóльшее количество клеток чревато бóльшими проблемами. Как нередко случается в жизни, чем сложнее что-то устроено, тем чаще оно ломается. Если в многоклеточных организмах наличествуют многоуровневые и сложнейшие регуляторные механизмы, которые позволяют клеткам специализироваться на выполнении различных задач и воспроизводиться в тот момент и в том месте, когда и где это необходимо, то можно не сомневаться и в наличии процессов, которые, пойдя наперекосяк, выведут из строя всю систему. Миллиард лет назад, когда мы были немногим больше амеб, все было гораздо проще.