р53 – господарят на живота и смъртта
На 2 юли 1992 г. е публикувана статията на имунолога Дейвид Лейн (David Lane), за ролята на протеина р53 като „пазител на генома“. Ако ДНК е носител на гените, то молекулата p53 е тази, която ги „включва и изключва“ според нуждите си. Смърт от рак, диабет, инсулт – всички са в ръцете на р53 – тя управлява клетката и решава съдбата ѝ. На лекарите на бъдещето предстои да се научат да влияят върху неговите решения.
Снимка: Shutterstock
За ползата от ваксините
Характерът на рака е бил открит благодарение на огромен анти-ваксинанален скандал.
През 1960 г. американците сериозно обмисляли преминаването от мъртва ваксина срещу полиомиелит на жива, създадена в Синсинати от Алберт Себин и произвеждана в Подмосковието от приятеля му Михаил Чумаков. Масовите ваксинации в СССР показали много по-добър резултат от инокулацията на убитата ваксина на Salk в Съединените щати. Културата на Sabin върху бъбреците на маймуни била подложен на внимателни проучвания, в резултат на които се оказало, че тя е заразена с друг вирус, от който боледуват резус маймуни. Новият вирус бил наречен SV40, което означава „маймунски вирусен номер 40“.
За всеки случай, производителите на ваксини заменили резусите с други примати без SV40. И добре че го направили, защото през 1962 г. става ясно, че SV40 причинява рак при хамстерите. Най-досадното е, че с ваксината Salk, съдържаща канцерогенния SV40, до 1955 г. били имунизирани десетки милиони деца. Формалинът във ваксината е убивал полиомиелита, но не и SV40.
Трудно е да се каже дали тази грешка е била фатална, дали е довела до смъртта на четиридесетгодишни американци, които са били деца през 50-те години на миналия век. Важното в случая е, че урокът от преди половин век е бил научен, за да няма риск за днешните деца. Въпреки това, историята с маймунския вирус си остава любимо „плашило“ на анти-ваксърите.
Всъщност, в лицето на SV40, късметът се усмихна на всички ни: започва поголовно изследване на онкогенния вирус, причиняващ рак на опитните животни – най-добър модел за практикуване на „ваксинация срещу рак”. През 70-те години милиони долари са били хвърлени за проучвания по темата, по нея били привлечени да работят редица учени. Един от тях бил младият Дейвид Лейн.
Дейвид разбирал баща си, но не искал друга кариера. Бил лош ученик. Когато бил на 10, семейството му, за да събуди у него интерес към учението, му подарява евтин, пластмасов микроскоп. И Дейвид се вторачва в него. Не залегнал над учебниците, но обичал да гледа онова, което съучениците му не можели. И решил да стане имунолог. Да гледа в микроскопа, а с чрез това и в отвъдното.
Цифрите са малко
Веднага след като Лейн постъпил в университета, баща му починал внезапно от колоректален рак. Усещането за пълна безпомощност пред ужасна болест обхванала цялото семейство и повлияла върху избора на специалност на Дейвид – онкоимунология. За да си гарантира място, той решава да се занимава с изотопи. В началото на 70-те учените знаели всички „прелести“ на лъчението, а радиофобията превзела младите, така че Дейвид почти нямал конкуренти.
И понеже работил с изотопи, поканили го да работи по проучването на SV40, много преди да е защитил дисертацията си. В The Imperial Cancer Research Foundation (сега Фондация за изследване на рака Великобритания), работили върху антиген T, – активната част от SV40 вируса, отговорен за неговия онкогенен ефект. Антителата, които организмът произвежда, трябва да бъдат насочени към този антиген. Бил открит още един антиген обаче – протеин, който се образува в самата клетка, когато антигенът е въведен в нея. Масата на тази протеинова молекула е 53 хиляди пъти по-голяма от масата на протона, така че накрая я наричат р53.
Обикновено в клетката не се открива р53, но явно били, че не е от вирус. Лейн решил да провери п53 изобщо не е свързана с рака изобщо. Оказало се, че в тъканите на мишки, страдащи от полиомиелит, причинени от друг вирус, също се открива р53. През есента на 1978 г. Лейн и неговият сътрудник Lionel Crawford самонадеено изпращат в „Nature“ резюме, с три цифри и с твърдението, че р53 „регулира определени клетъчни функции“. Рецензията им била върната с три аргумента: 1. това не интересува никого; 2. и други са получили подобен резултат; 3. цифрите са малко.
Лейн и колеги веднага провели биофизични изследвания, цифрите станали 4 и статията все пак излязла 1979 г. В същото време още в три лаборатории, включително и в Принстън Арнолд Левин, работили върху проучването на протеина.
Идея, родена в кръчмата
Интересът към p53 – първият известен специфичен протеин, който се появява в злокачествените клетки, е обясним. През 1982 г. синът на Михаил Чумаков, Петър, в Института по молекулярна биология, клонира ген, отговорен за производството на този протеин – p53 става достъпен за изследване. И започват да валят предположения – едни твърдят, че р53 е причинителят на рака, тъй като се откривал във всички метастази, други говорили за белтък – мутант… Станало ясно, че полипите на дебелото черво се израждат в рак в присъствието на р53, Трети съобщоли, че напротив, р53 предпазва от рак.
Лейн наблюдавал споровете отсрани, защото бил зает с написването на ръководство за изолиране на антитела. Книгата излиза през 1988 г. и се продава в 40 000 тираж!
И когато раковият фонд решил да открие лаборатория в шотландския град Данди, не се колебали дълго дали да поканят Лейн за неин ръководител.
Обсъждайки програмата за работа, Лейн налага идеята си, че р53 не е „съюзник“ на онковируса, а „командир“ на генома. Един от сътрудниците – Хол – поема експеримента върху себе си – облъчват ръката му с необходимата за образуването на рак на кожата доза ултравиолетови лъчи (толкова, колкото за 20 мин. плаж на о. Корфу) . Последват 10 биопсии. Кожата от Хол не понасяше биопсия, всеки белег се възпалява, но хипотезата е потвърдена: р53 се появява в големи количества в отговор на всяко въздействие, което е изпълнено с увреждане на генома.
Лейн изпратил съобщение до сп. Natura за експеримента и статия със заглавие „Две белтъка един срещу друг.“ Редакторът отхвърли заглавието като скучно. И тук на помощ идва религиозното му възпитание – р53 се бори за „традиционните ценности“. По аналогия на „пазител на вярата“, р53 може да се начере „пазител на генома“ («The Guardian of the Genome»). Това вече ставало за статия. И тя се появява. на 2 юли 1992 г.
Успешното име помогнало бързо да се разбере какво се случва. Достатъчно било да си припомним еволюционната теория на Дарвин. Геномът на всяка клетка има определена роля. Когато всички клетки на тъканта имат едни и същи гени, всеки работи по обща програма, правейки нещо общо. Но ако геномът стане различен, клетките започват да се конкурират в пълно съответствие с теорията на естествения подбор. Борбата за съществуване се печели от този, който бързо разделя и изтегля ограничени ресурси. Разликата между богатите и бедните нараства, богатите нарастват все повече и повече, докато слабите и бедните не се предадът съвсем. Тялото губи единството си и загива. Това е ракът.
р53 е протеинът, който поддържа „реда“ във всяка клетка – постоянно „преглежда ДНК“ и не ѝ позволява да се копира, ако се открият изменения. Когато геномът е толкова увреден, че не може да бъде възстановен, клетката или е осъдена на преждевременно стареене, или е осъдена да извърши самоубийство. Протеин р53 започва производството на ензими-убийци и участва в самото изпълнение. Фрагментите от разрушена клетка – апоптотични тела + ще бъдат изядени от макрофагите.
След изясняване ролята на р53 стана ясно защо радиационната терапия и химиотерапията работят – те увреждат раковите клетки и по този начин „принуждават“ р53 да им заповядва да се самоубият.
Когато има толкова мощен „властелин“, какъвто е р53, нормално е да има и някой, който да му се противопоставя. Mdm2 е открит през 1992 г. Самият р53 започва процеса на създаване на това противопоставяне – апаратът на самоунищожението. Ако всичко е наред, след 20 минути молекулите на протеините на p53 и Mdm2 се свързват и този агрегат се изпраща в протеазата – нещо между месомелачката на белтъка и компоста. Но ако по време на изследването на ДНК, р53 намери увреждане, неговата молекула се комбинира с остатъка от фосфорна киселина, така че Mdm2 да не може да стигне до нея и да я изтегли към месомелачката. Така „пазителят на генома“ получава изключителни правомощия – p53 става все повече и повече, докато не се справо с разграждането. Ако следите на нарушения на геном изчезнат, концентрацията на р53 спада почти до нула. Това е наблюдавано от Дейвид Лейн в кожата на асистента си.
р53 не се появява от нищото, той се произвежда от напълно материален ген, който сам по себе си е уязвим за радиация и податлив на мутация. Продуктът на изменен ген често не мисли да „нареди“ самоубийството на анормална клетка. Мутантът спира действието на Mdm2 и нарежда делене и проява на мутацията; произвеждат се ензими, които :издърпват: капиляра от най-близкия кръвоносен съд. Потомството на болна клетка се размножава, улавя всички нови канали за снабдяване и образува тумор.
Мутанти причиняват до 70% от всички злокачествени тумори. Добрата новина е, че всеки тип рак има своя собствена мутация p53, която може да бъде инсталирана и открита по време на рутинния анализ. По този начин, Лейн установява, че подмяната на коя конкретна аминокиселина в даден момент в молекулата на „геномния пазител“ води до развитие на колоректален рак, от който починал баща му. Те научили в Дънди и адреса на фаталното заместване на аминокиселините под влиянието на бензипирен в тялото на пушач, развил рак на белия дроб. Той дори трябваше да се обяснява с адвокатите на тютюневите компании, които много помолиха Лейн “да не го декларира така категорично”.
Защо умираме?
Резултатите все още не са публикувани, но в частни разговори изследователите не изразяват ентусиазъм. Като цяло в човешкия геном е необходим опозиционният „пазител на генома“. Той обработва p53 протеин в митохондриите, откъдето владетелят на генома започва процеса на самоубийство на раковата клетка. Без Mdm2 „пазителят на генома“ избира ролята на „правителството на професионалистите, които трябва да работят във всеки режим“ и помага да се копира променената ДНК, позволявайки на раковите клетки, ако не да се размножават, след това поне да възпроизвеждат своите числа.
От друга страна, ако изобщо деактивирате p53 и прехвърлите силата на опозицията, клетката нулира всички настройки и се превръща в стъбло. Арнолд Левин вече каза, че р53 е пазител не само на генома, но и на епигенома. Тя придава на клетката индивидуалност, точно както обикновените хора по целия свят приличат помежду си, а управляващите класове имат различни идеи и образование, давайки им страни национална физиономия.
Въпреки че опитът с инхибитора не може да се нарече успешен, той напредна диагнозата. Всеки ден в тялото на обикновения човек, „пазителят на генома“ записва 50 милиарда невъзстановими клетки. В присъствието на тумор няколко десетки милиона от тях са ракови. Материалът с мутации навлиза в кръвния поток и чрез ДНК анализ може да се каже дали все още има злокачествени израстъци. Много е важно да се знае след операцията – да се реши дали да се предпише химиотерапия, която струва до 100 хил. Евро и може да причини значителни вреди. Лейн е оптимист по този въпрос: възможно е диагнозата рак да стане по-лесна и по-евтина, като поема 40 млрд. Долара годишно.
За да се намери начин да се манипулира клетъчното правителство, се обърна към своята история. Откъде идва този p53 протеин? Той вече е на милиард години, той е хиляда пъти по-стар от човечеството. През това време направи голяма кариера. Тя произхожда от безгръбначни. Той започна, така да се каже, с обикновен механик: разпознал е повреда в ДНК и ги е изцелил сам. Когато нашите предци дойдоха да кацнат от океана, имаха двама племенници – p63 и p73. Те дублират неговите функции и по добър начин се конкурират с чичото.
В хода на еволюцията на р53, не всяка „повреда“ е била ремонтирана сама по себе си, но се е научила как да включва гени, които предизвикват специално адаптиран ензим за специфична задача. Въпреки че „пазителят на генома“ е такъв директор на завода, който в критична ситуация се издига до самата машина, основната му функция е да събира информация. Протеинът р53 отговаря на хиляди сигнали от всички клетъчни системи и управлява гените, отговорни за всички видове процеси. Той „взривява фабриката си, за да не завладее врага” само с най-сериозна опасност, а в мирно време задачата му е да ръководи производството.
Както при мениджърите, всеки има свой характер. Преди около 30 хиляди години човешката раса е разделена на две части: в един „пазител на генома“ тя е по-бдителна и често дава решителни заповеди. Такива хора са по-малко склонни към рак, но рядко живеят до 75 години, тъй като техните клетки се актуализират по-често, стареят по-бързо.
Бдителността не винаги е добра. Смъртта от инсулт е масово проявление на бдителност от страна на „пазачите на генома“. Когато се наруши подаването на кислород към клетките, р53 взема решение за несъвместимост на хипоксията с живота. Ако се открие начин да се притъпи тази бдителност, може да се намалят загубите.
Мишка срещу суперкомпютър
Експериментите върху мишки тук няма да помогнат изобщо. При гризачи протеинът р53 играе малко по-различна роля. Да, и сред хората тя варира значително. Различни форми на p53 при мъжете и жените (оттук и неравнопоставеността на двата пола към различните видове рак), на руснаците и китайците (например китайските жени са податливи на назофарингеален рак 80 пъти по-силен от руснаците).
И накрая, ракът е удобна за проучване заболяване: забележими мутации, огромни количества р53, масови жертви. А какво прави „пазителят на генома“ при не толкова смъртоносни заболявания като аутизъм, диабет, затлъстяване? Мишките няма да дадат отговор, експериментите с хора са неетични, а манипулациите с генома – незаконни. Дори ако на някое правителство му хрумне идеята да експериментират част от населението, това няма да помогне с p53. р53 има твърде много власт.
Само за четвърт век броят на работите с този белтък надхвърлят 50 хиляди. Ние знаем за две хиляди гени, които p53 включва и изключва; Според изчисленията на биоинформатиката има два пъти повече. Петр Чумаков казва, че минават последните дни, когато един човек може да знае всички за протеина p53. След това само един компютър може би ще може да държи всичката информация и ние ще трябва да изградим цифрови симулации. Първоначално очевидно не е много успешен: предметът на изследване сам по себе си е биологичен компютър. Който работи на неразбираем език, постоянно претърпява вирусни атаки, увисва и прави грешки, опитвайки се да завладее световното господство, след това да се затвори от света и да удуши всички живи същества в своите граници.
Библиография:
— Lane DP, Crawford LV. T antigen is bound to a host protein in SV40-transformed cells. — Lane DP. Cancer. p53, guardian of the genome. Nature, 02.07.1992 — О вмешательстве белка p53 и новейших препаратов таргетной терапии в клеточный цикл на портале основанной Лейном в 1996 году научно-производственной компании Cyclacel
— Любомир Василев о разработанном исследователями «Рош» ингибиторе Mdm2, 03.02.2004
— Результаты клинических испытаний ингибитора Mdm2 в 2010 году— Николай Желев. Man of Science: Celebrating Professor Sir David Lane’s 60th anniversary. Biodiscovery, 01.07.2012— Kathleen Weston, Cancer Research UK London Research Institute. Blue Skies and Bench Space: Adventures in Cancer Research. Глава об истории фонда, где начинал Лейн – наиболее подробный биографический очерк его юных лет. London, 2014
— Маттиас Дёббельштайн (Геттингенский университет) о неудаче клинических испытаний ингибитора Mdm2 и её возможных причинах, 29.06.2017— База знаний по биологии человека. История изучения p53, на русском языке Михаил Шифрин
