Ученым известно, что возраст и вес являются факторами риска развития рака. Это должно означать, что киты, в число которых входят одни из самых крупных и долгоживущих животных на Земле, имеют огромный риск развития рака.
Но они этого не делают. Вместо этого у них меньше шансов заболеть или умереть от этой загадочной болезни. То же самое можно сказать о слонах и живых родственниках динозавров, птицах. Марк Толлис, доцент Школы информатики, вычислительной техники и киберсистем Университета Северной Аризоны, хочет знать почему.
Толлис возглавил группу ученых из Университета штата Аризона, Университета Гронингена в Нидерландах, Центра прибрежных исследований в Массачусетсе и девяти других учреждений по всему миру для изучения потенциальных механизмов подавления рака у китообразных, группы млекопитающих, в которую входят киты, дельфины и морские свинки. Их результаты, в ходе которых был выделен геном горбатого кита, а также геномы девяти других китообразных, чтобы определить, насколько эффективна их защита от рака, были опубликованы сегодня в Molecular Biology and Evolution..
Исследование является первым крупным вкладом недавно созданного Аризонского центра рака и эволюции или ACE под руководством Карло Малей в рамках премии в размере 8,5 миллионов долларов от Национального института рака. Мэйли, биолог-эволюционист, является исследователем в Центре персонализированной диагностики Biodesign Вирджинии Дж. Пайпер ASU и профессором Школы наук о жизни. Он является старшим соавтором нового исследования.
Исследование показало, что природа победила рак бесчисленными способами на древе жизни, сказал Толлис, и исследователи могут использовать эту информацию, чтобы помочь найти потенциальные новые цели для предотвращения рака у людей, например, используя китовую версию белок, который может остановить пролиферацию клеток, для разработки лекарств, уменьшающих размеры опухолей у людей.
"Наша цель состоит не только в том, чтобы природа информировала нас о более эффективных методах лечения рака, но и в том, чтобы дать общественности новый взгляд на рак", - сказал Толлис. «Тот факт, что киты и слоны эволюционировали, чтобы победить рак, и что динозавры тоже страдали от него, предполагает, что рак был селективным давлением на протяжении многих миллионов лет эволюции, и он всегда был с нами. Мы надеемся, что это может изменить отношение людей к болезни, что может быть болезненным и личным. Это также помогает лучше понять биоразнообразие. В нашем шестом массовом вымирании нам нужны все причины для сохранения, которые мы можем получить."
Почему киты?
В своей основе рак возникает, когда клетки тела делятся и мутируют. Деление клеток является нормальным явлением у живых существ, как и клеточные или соматические мутации. В большинстве случаев соматические мутации либо безвредны, либо организм способен исправить эти мутации. Если этого не происходит, это может привести к раку.
Помимо этого основания, рак становится намного сложнее. Несмотря на все исследования, проводимые на всех типах рака и всех типах организмов, остается больше вопросов, чем ответов. Однако возраст и размер тела являются хорошо известными факторами риска у людей. Толлис сказал, что одним из объяснений этого является то, что общий риск развития рака зависит от количества клеточных делений, происходящих в течение жизни организма.
«Это вызвано соматической эволюцией - генетическими изменениями, которые происходят, когда клетки тела копируют свои геномы, делятся и производят дочерние клетки», - сказал он. «Чем дольше вы живете, тем больше у вас клеточных делений и тем выше вероятность возникновения вызывающей рак мутации в геноме клеток-потомков. Точно так же более крупные особи состоят из большего количества клеток, что также увеличивает вероятность мутаций, вызывающих рак».
Зная об этом, стоит задуматься над тем, имеют ли киты, которые живут дольше большинства млекопитающих на планете и имеют гораздо более высокий процент жира в организме, больше шансов заболеть раком. Это не так. Это явление, известное как парадокс Пето, изучали Толлис и его команда. Как киты игнорируют эти хорошо известные факторы риска? В более раннем исследовании Карло Мэйли из ASU исследовал альтернативные механизмы, ответственные за подавление рака у слонов.
Методы и выводы
Команда работала в соответствии с федеральным разрешением на проведение исследований, чтобы получить образцы кожи взрослой самки горбатого кита у побережья Массачусетса. Этот кит по кличке Соль хорошо известен как исследователям, так и наблюдателям за китами. Она была внесена в каталог Центром прибрежных исследований в середине 1970-х годов и выбрана для этого исследования, потому что ее жизненная история является одной из наиболее хорошо задокументированных среди всех горбатых китов. Команда секвенировала и собрала геном Солта, что требует извлечения ДНК из кожной ткани, разделения ее на более мелкие фрагменты и пропускания через секвенатор ДНК, который производит почти 2 миллиарда коротких последовательностей. Затем они снова собрали эти последовательности в сборку генома, которая охватывает около 2,7 миллиарда пар оснований. (Напротив, человеческий геном имеет длину около 3,1 миллиарда пар оснований.) Они также секвенировали РНК, что помогает в процессе нахождения точных координат, где гены лежат в геноме.
Затем команда сравнила геном горбатого кита с геномом других млекопитающих, включая других океанских гигантов, таких как синий кит, финвал, гренландский кит и кашалот. Они ожидали увидеть много различий, но также и несколько сходств, особенно в тех частях генома, которые выполняют важные функции. Они также искали части генома, которые эволюционировали, чтобы помочь китам адаптироваться к окружающей среде.
Они обнаружили, что некоторые части генома кита эволюционировали быстрее, чем у других млекопитающих. Эти части генома кита содержат гены, контролирующие клеточный цикл, пролиферацию клеток и репарацию ДНК, необходимые для нормального функционирования клеток. При раке человека многие из этих генов мутированы. В геноме кита также появилось множество дупликаций в генах-супрессорах опухолей.
"Природа показывает нам, что эти изменения в генах рака совместимы с жизнью. Следующие вопросы: какие из этих изменений предотвращают рак, и можем ли мы использовать эти открытия для предотвращения рака у людей?" сказал Карло Малей, биолог-эволюционист рака из Института биодизайна ASU и один из двух ведущих авторов, которые начали этот проект в 2011 году вместе с Пером Палсбёллем, генетиком по сохранению морских млекопитающих из Гронингенского института эволюционных наук о жизни при Университете Гронингена. с Джуком Роббинсом из Центра прибрежных исследований.
Это говорит о том, что киты уникальны среди млекопитающих тем, что для того, чтобы развить свои гигантские размеры, эти важные гены «домашнего хозяйства», которые эволюционно сохраняются и обычно предотвращают рак, должны были не отставать, чтобы поддерживать вид. «Фитнес», - сказал Толлис.«Мы также обнаружили, что, несмотря на то, что эти части генома китов, связанные с раком, развиваются быстрее, чем у других млекопитающих, в среднем у китов с течением времени накапливается гораздо меньше мутаций ДНК в их геномах по сравнению с другими млекопитающими, что предполагает более низкую скорость мутаций».
Такая медленная скорость изменений может также ограничивать подверженность китов вызывающим рак соматическим мутациям.
Это исследование основано на исследованиях, проведенных группой ASU, которые выявили более низкие показатели заболеваемости раком у слонов, еще одного крупного млекопитающего, которое может жить долго, но генетически не имеет много общего с китами. Оба вида пришли к одному и тому же результату - подавлению рака - с помощью разных механизмов. То же самое, вероятно, относится и к вымершим гигантским динозаврам; хотя ученые нашли доказательства рака в окаменелостях динозавров, эта группа организмов включает в себя самых крупных животных, когда-либо ходивших по земле, и, следовательно, у них, вероятно, также было эффективное подавление рака.
Следующими шагами Толлиса и его команды будет лучшее понимание фенотипа подавления рака с помощью экспериментов с клеточными линиями китов, которые обеспечат важную функциональную проверку геномных результатов команды. Это станет первым шагом в создании лекарств от рака для человека, полученных из китов. Они также изучают других животных, таких как летучие мыши, черепахи и крокодилы, чтобы увидеть, как эти разнообразные долгоживущие виды подавляют рак. Геном горбатого кита также послужит основой для исследований других членов команды о частоте мутаций китов и других адаптациях с использованием коллекции из более чем 9 000 образцов ДНК, собранных у горбатых китов, живущих на свободном выгуле, курируемых командой Палсбёлля.
Это исследование проводится при поддержке Аризонского центра эволюции рака, который финансируется за счет пятилетнего гранта от Национального института здравоохранения при дополнительном финансировании Университета Гронингена.