Рак для чайников⁠⁠

Не так давно, в "горячем" на Пикабу была статья про новое лекарство от рака. И меня несколько удивили комментарии к ней - а именно то, что некоторая часть людей очень приблизительно понимает, что такое рак и как это работает.

Я не претендую на 100% точность, однако, для базового понимания подобного описания должно быть достаточно.

Уточню - я не онколог, и даже не врач, однако,  моя специальность связана с химией/биологией.  Соответственно, пост будет, если так можно выразиться, с теоретически - биологической, а не медицинской точки зрения. 
Надеюсь, что это интересно/познавательно кому-либо.

В процессе жизнедеятельности, в результате любого рода повреждений, мутаций [1], или от старости, но организм утрачивает клетки. Обычно это не является большой проблемой, поскольку, благодаря делению, потери могут быть возмещены за счет оставшихся клеток (пролиферация) [2]. Процесс деления клеток изучен весьма неплохо, и это весьма занятная штука, но для нас интересен тот момент, что самым важным этапом в процессе деления клетки является репликация ДНК - то есть, из одной материнской молекулы ДНК мы получаем несколько идентичных (или почти идентичных) молекул ДНК (Рис. 1) [3].

Рис. 1. Репликация ДНК

Вот на этом то моменте и могут начаться проблемы.

Первая из них заключается в том, что изначальная молекула может быть повреждена. Случиться подобное может как в результате химического или физического, а иногда и биологического влияния, так и в результате обычного сбоя. Механизм репликации надежен, в среднем, он дает одну ошибку на 100 000 нуклеотидов. Проблема в том, что в человеческой клетке таких нуклеотидов около 6 миллиардов, что дает нам порядка 120 000 ошибок на одно деление одной-единственной клетки [4]. Понятно, что для нормального функционирования подобной точности, мягко говоря, слегка недостаточно. К нашему счастью, в клетках есть механизм (назовем его “вычиткой (“proofreading”), так-как русского аналога я не нашел) позволяющий устранить около 99% процентов от ошибок, возникших на первом этапе репликации [5]. Выглядит это как-то приблизительно следующим образом (Рис. 2):

Рис 2: “Вычитка” ДНК

Однако, нехитрый подсчет показывает, что этого все еще недостаточно. Дальше в дело включается механизм репарации ДНК. Если очень грубо: как мы знаем, в процессе репликации “материнская ветка ДНК” разматывается на две, и к каждой из них достраивается еще одна. Этот механизм репарации сравнивает достраеваемую ветку с основной, и пытается сделать их идентичными [6] (рис. 3).

Рис. 3. Репарация ДНК

Эта система позволяет уменьшить количество ошибок еще на порядок или два, но и ее надежность отнюдь не 100%.

Если обе системы не вычистили всех ошибок, но при этом клетка осталась жизнеспособной, то мы получаем мутировавшую клетку - и происходит это где-то в 30% случаев деления [7].

Сама по себе мутация не есть чем-то очень страшным, более того, мутации вполне можно назвать двигателем эволюции [8], тем более, что человеку одиночные мутации в соматических клетках - что слону дробинка. Но тут включается закон больших чисел. Мутировавшая клетка тоже будет делиться, и чем больше итераций, тем больше ошибок в ДНК накопится. И в определенный момент все пойдет очень не так.

В нормальных условиях клетка имеет предохранители - механизм, который не дает ей делиться бесконтрольно, а в дополнение к нему - механизм запрограммированного умирания, который уже был упомянут выше. Иногда эти предохранители тоже дают сбой. Например, мутация их “выключает”. В итоге мы получаем что-то потенциально опасное (рис. 4).

Рис. 4. Разница между нормальной и раковой клетками

Теоретически, иммунная система могла бы ее обезвредить, - раковые клетки имеют на своей поверхности некоторые специфические молекулы, но для этого иммунитету нужно знать, за чем охотиться. Если у лимфоцитов нет нужных рецепторов, то ликвидации "недоброжелателей" не происходит,  и дефектные клетки продолжают развиваться [9].

На этом этапе все уже плохо, но еще не смертельно. Если клетки не потеряли дифференциацию - читай, мышечная ткань остается мышечной тканью, и она даже работает как положено, просто растет туда, куда расти не должна,- то такая опухоль называется доброкачественной. Доброкачественные опухоли не дают метастазов (читай - печень не аннексирует кусок селезенки), и, в целом, довольно безвредны и легко удаляются, однако, при некотором стечении обстоятельств, такие опухоли вполне могут стать злокачественными [10].

В этом случае клетка теряет дифференциацию. Пример для понимания - мышечная ткань безконтрольно делится, производя при этом... нечто. Это нечто способно давать метастазы (Рис.5). Так-же я где-то читал, что опухоли могут выращивать свою собственную кровеносную систему, но сейчас не могу найти линк ¯\_(ツ)_/¯ .

Рис. 5. Расспостранение Метастазов

Получается такой себе паразит, питающийся и растущий за счет организма. И если иммунная система опознать его не может, то все, приплыли. Опухоль будет расти, пока не убьет носителя [11].

Забавно, но классические экологические закономерности постулируют,чем теснее хозяин и паразит интегрированы, тем менее выгодна паразиту смерть хозяина. Увы, рак под описание обычного паразита подходит слабо. C другой стороны - известны случаи, когда опухоль, по сути, эволюционировала в отдельный организм. Примеры - трансмиссивная венерическая саркома собаки [12] и лицевые опухоли тасманийских дьяволов, которые передаются через укусы [13].

Теперь перейдем к тому, что может стать причиной рака (кроме невезучести, конечно). Ответ - все то, что может как-то повредить ДНК соматических клеток. Выделяется категория веществ и факторов - канцерогены, но, чисто технически, любой канцероген будет мутагеном, хотя не любой мутаген - канцерогеном. Но это уже детали. Список канцерогенов и возможных канцерогенов весьма впечатляет размерами (кому интересно линк [14] содержит обзор канцерогенности одних только пестицидов).

Если очень упростить: среди химии основную опасность представляют некоторые тяжелые металлы, в основном - Cd, Pb [15], и большинство ароматической органики (видишь красивые бензольные кольца на структурной формуле вещества - имей ввиду, скорее всего, оно окажется канцерогеном) [16]. Хотя, конечно, этими веществами список отнюдь не ограничивается.

Среди излучений опасность представляет высокоэнергетическое ионизирующее излучение - рентгеновское и гамма. Ионизация являет собой отрывание электронов от атомов, что приводит к изменению свойств как самого атома, так и молекулы, в которую он входит. В нашем случае - подобная процедура приводит к повреждению ДНК. Если очень грубо - при очень большой дозе ДНК (да и все остальное в клетке) полностью разрушается, если доза не настолько высокая - ДНК повреждается, но клетка остается жизнеспособной. В таком случае, цепочка следующая: повреждение ДНК - больше ошибок при репликации - мутации - рак. Видимый свет, низкоэнергетические электромагнитные поля опасности НЕ представляют (роутеры, мобильники и тд) [17].

Некоторые ретровирусы могут стать причиной специфических форм рака из-за того, что встраивают свою ДНК в клетки, но это весьма редкий случай [18].

Выводы мы можем сделать следующие:
1. Гипотеза "Рак как наказание свыше" несостоятельна и процесс возникновения опухолей, как и их причины, более-менее ясен;

2. Гипотеза "Рак как метод естественного отбора" нестоятельна, посколько риск онкологии становится относительно существенным в возрасте, последующему репродуктивному;

3. Даже при отсутсвии неблагоприятных факторов окружающей среды, риск онкообразования выше нулевого; 

4. Риск онкогенеза повышается с возрастом;

5. Шапочки из фольги могут быть полезны в случае, если вас слушают инопланетяне, но от рака помогут слабо (для тех, кто боится излучения от мобильных телефонов и роутеров);

6. Моющие средства совсем не обязательно повышают риск онкологии. А, судя по количеству тестов, которые они проходят (должны проходить) перед сертификацией, - скорее точно НЕ повышают.

PS.
1. Если кому интересна тема генеческих заболеваний, модификаций и прочих радостей - очень рекомендую книгу "Сумма биотехнологий" Александра Панчина;

2. У Дэна Симмонса есть рассказ "Метастаз", который показался мне весьма "оригинальным способом" обьяснить причины раковых заболеваний;

3. Певод картинок не даю, поскольку они достаточно очевидны и бе перевода;

4. При отсутствии подписки, доступ к статьям - источникам можно получить через Sci-hub.

Источники:

1. Alberts B, 2002. Molecular Biology of the Cell, 4th edition.  Programmed Cell Death (Apoptosis);

2. Cell proliferation;

3. Steps of DNA Replication;

4. Leslie A. Pray, 2008. DNA Replication and Causes of Mutation; 

5. Cooper GM, 2000. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition; 

6. Marinus MG, 2012. DNA Mismatch Repair; 

7. Marnett LG, 2001. Endogenous DNA damage and mutation; 

8. Freese E, 1965. The Role of Mutations in Evolution; 

9. Schmitt TM, 2009. T Cell Receptor Gene Therapy for Cancer; 

10. What are the different types of tumors?

11. What is cancer;

12. Robeck CA, 2009.Origins and evolution of a transmissible cancer; 

13. Hamish MC, 2008.Tasmanian devil facial tumour disease: lessons for conservation biology; 

14. USEPA, 2004; 

15. Hayes B, 1997. The carcinogenicity of metals in humans; 

16. Staif K, 2005. Carcinogenicity of polycyclic aromatic hydrocarbons; 

17. Radiation: Risk factors; 

18. Robinson HL, 1982. Retroviruses and cancer.