Клетки собачьей саркомы превратились в самостоятельных паразитов 11 тысяч лет назад

Древнейший череп собаки

Рис. 1. Древнейший череп собаки, найденный в Разбойничьей пещере на Алтае. Возраст находки около 33 тысяч лет; однако собаки доледникового времени, вероятнее всего, не оставили потомков, и люди послеледниковья одомашнили других собак, у которых и появилась собачья саркома. Фото из статьи N. Ovodov et al. 2011. A 33000-Year-Old Incipient Dog from the Altai Mountains of Siberia: Evidence of the Earliest Domestication Disrupted by the Last Glacial Maximum

Продолжается исследование трансмиссивной венерической саркомы (ТВС) собак — интереснейшего случая превращения многоклеточной ткани в одноклеточных паразитов. Клетки ТВС, как выяснилось, обрели самостоятельность и стали болезнетворными паразитами, которые переносятся от одной собаки к другой при половых контактах. Эта паразитическая клеточная линия образовалась, по уточненным расчетам, 11 тысяч лет назад, на заре одомашнивания собак. Таким образом, ТВС является самой древней клеточной культурой; она несет геном первой заболевшей собаки, правда за прошедшее время ее гены претерпели сильные мутационные изменения. Около 10 тысяч белок-кодирующих генов содержат по крайней мере одну мутацию, в этом геноме обнаружено 1,9 миллиона нуклеотидных замен. Тем не менее, даже при такой мутационной нагрузке «клеточная культура» ТВС продолжает существовать, демонстрируя замечательную устойчивость. Анализ генов ТВС позволяет набросать портрет первого носителя трансмиссивной саркомы, представителя древних домашних собак.

Трансмиссивная венерическая саркома собак (ТВС) была впервые описана в конце XIX века М. А. Новинским. Опухоли развиваются как правило в районе половых органов собак, редко дают метастазы; собака болеет несколько месяцев, затем в большинстве случаев выздоравливает, приобретая иммунитет. Эта болезнь чаще всего переносится половым путем (отсюда и термин «венерическая саркома»). В 2006 году были опубликованы результаты исследования генома клеток ТВС, и эти результаты оказались совершенно неожиданными. Ученые тогда выяснили, что клетки саркомы не являются переродившимися клетками заболевших собак, а на самом деле — это клетки древних носителей этого заболевания. Отсюда выводится удивительная история ТВС: некогда раковые клетки каким-то образом обрели самостоятельность, превратившись в одноклеточных паразитов. С тех пор они путешествуют от одной собаки к другой, животные передают их при половом акте. Достаточно одной паразитической клетки, чтобы началось болезненное разрастание ткани. Эти клетки-паразиты обходят иммунную защиту, снижая экспрессию генов главного комплекса гистосовместимости. Поэтому иммунная система не сразу узнает врагов, ее защитные действия откладываются на несколько месяцев. Так что у зараженных собак есть достаточно времени для передачи болезнетворной клетки следующей жертве.

Таким образом, ТВС — это пример клеток многоклеточного организма, реализовавших свое «право на самоопределение» и вернувшихся в изначальное одноклеточное существование. Но эта революция не сделала их по-настоящему свободными, так как они приспособились к паразитическому образу жизни и не могут существовать вне животного; кроме того, у них утрачена способность к половому размножению. То есть клетки ТВС являются клоном, самой старой из известных нам клеточных культур млекопитающих, которые требуют постоянного пересева. Кроме того, это клетки древних собак, сохранившиеся, правда, не в суперхолодильниках и сильно изменившиеся, но зато живые. Изучение этого удивительного клона может многое раскрыть как в области лечения раковых заболеваний, так и в области эволюции многоклеточных организмов, а также в истории одомашнивания собак. Так что изучение этого заболевания из частных ветеринарных вопросов переместилось на передовой фронт биологической науки.

Новое исследование, проведенное международной группой ученых, представляемых Элизабет Мёрчисон (Elizabeth Murchison) из Института Сенгера и Дэвидом Уэджем (David C. Wedge) с отделения ветеринарии Кембриджского университета при участии Робина Вайса (Robin A. Weiss), посвящено оценке мутационного груза, который накопили клетки саркомы за время своего существования, и, параллельно, его датировке. Для этого ученые анализировали геномы двух ТВС — одна была взята от австралийской дворняги, а другая — от кокер-спаниеля из Бразилии (были прочитаны и геномы заболевших хозяев). Из-за такой географической удаленности прямая передача клеток от одной собаки к другой стопроцентно исключена.

Клетки ТВС несут 57–58 хромосом (хромосом у ТВС вообще может быть от 57 до 64, и большинство из них диплоидные), тогда как клетки собак — 78 хромосом (рис. 2). Высока доля гомозиготных участков. Обнаружилось огромное число вставок, делеций, перестановок в хромосомах ТВС: больше 2000 структурных изменений, общих для обеих ТВС, плюс еще некоторое число уникальных для каждой. Общее число нуклеотидных замен, уникальных для ТВС (то есть не обнаруженных у собак и волков), колоссально — 1,9 миллиона SNP. Из них около 5% найдены только в одном из вариантов ТВС, то есть это те мутации, которые бразильская и австралийская линии ТВС приобрели после своей дивергенции. По оценкам ученых, более 10 000 генов ТВС несут по меньшей мере одну несинонимичную замену; около 2,8% (то есть 647) белок-кодирующих генов собак оказались ненужными и были утеряны клетками саркомы. Всё это свидетельствует о высочайшем мутационном грузе клеток-паразитов.

Метафазные хромосомы нормальной собаки и ТВС

Рис. 2. Метафазные хромосомы нормальной собаки (слева) и ТВС (справа): определение кариотипа методом флуоресцентной гибридизации. Хорошо видна массовая реорганизация хромосом ТВС по сравнению с собачьими, хотя остается много аналогичных участков. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

При столь высокой мутационной изменчивости удивительно, что не обнаружено никакой внутриклональной изменчивости. Все клетки собачьей саркомы имеют сходный геном. В отличие от них, в раковых опухолях человека присутствуют субклоны — линии клеток с немного различными геномами. Считается, что в опухолях человека происходит быстрый отбор клеточных линий с разными мутациями; а у собак, по всей видимости, такой отбор не идет. Почему это так — неизвестно, но болезнь действительно имеет весьма стабильную симптоматику, как следует из записей Новинского конца XIX века.

Около 40% мутаций клетки-паразиты получили в результате облучения ультрафиолетом: об этом судили по доле характерных замен «цитозин на тимин», которые специфично происходят при УФ-облучении нуклеотидов. Именно этот тип мутаций был использован для датировки появления ТВС. Для человеческих раковых заболеваний частота мутационных замен «цитозин-тимин» в зависимости от возраста пациента хорошо изучена. Этими коэффициентами воспользовались для расчета возраста ТВС, подставив в уравнение число соответствующих замен в ТВС; в результате возраст клона получился около 11 тысяч лет. Примерно 500 лет назад разделились австралийская и бразильская линии саркомы. Авторы исследования отмечают, что это ориентировочная оценка, так как у собачьей саркомы базовая зависимость может отличаться от человеческих вариантов, что возможна и тканеспецифичная изменчивость, а также не исключена и хронологическая неравномерность мутационного процесса. Однако данный возраст — 11 тысяч лет (о спорах относительно возраста одомашнивания собак см., например, отрывок из доклада А. Н. Власенко «Откуда есть пошла Canis familiaris?») — совпадает с ранним периодом одомашнивания и началом расселения и диверсификации собак. Как можно судить по высокой степени гомозиготности, ТВС берет начало от прародителя, жившего среди небольшой обособленной группы сородичей еще до начала появления различных пород.

Из детального анализа генов ТВС вырисовывается портрет той древней собаки, которая заболев саркомой, впервые передала свои дефектные клетки. Это была довольно крупная собака, похожая на волка, с короткой шерстью, черной или темно-коричневой (окрас агути), стоячими ушками и удлиненной мордой. Из современных пород ближе всего к ней по составу генов оказались представители старых пород — сибирская хаски, маламут, шарпей, чау-чау и акита (рис. 3).

Филогенетическое древо собак
Рис. 3. Чтобы определить место прародителя ТВС на филогенетическом древе, ученые сравнили 23782 полиморфных локуса, известных у 86 различных пород собак, волков и койотов, с двумя вариантами ТВС. Наиболее старые породы закономерно оказались самыми близкими к ТВС. Показан облик представителей этих пород (снизу вверх): акита, чау-чау, динго, шарпей, родоначальник ТВС, маламут и сибирская хаски. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Превращение раковых клеток в одноклеточных паразитов происходило в маленькой обособленной популяции первых одомашненных собак. Если бы численность собак осталась низкой и если бы не увеличилось их разнообразие, то популяция с такой болезнью быстро бы вымерла. Выживанию способствовало и то, что саркома не обладает половым размножением, и что разные ее линии не обмениваются генами. В арсенале ее приспособительных средств только мутационная изменчивость. У собак, напротив, половое размножение способствовало быстрому обмену обретенных генов устойчивости, популяция с возрастающей численностью приспосабливалась быстрее, чем паразит наращивал свою вирулентность. И собаки выжили.

Более печальная судьба ожидает, по-видимому, тасманийского дьявола, в популяции которого в настоящее время распространилась трансмиссивная лицевая опухоль (см. также Devil facial tumour disease). Эту болезнь описали в 1996 году, но к настоящему времени поражено уже около 50% популяции дьяволов. Лицевая опухоль переносится, как и в случае ТВС, переродившимися клетками первого заболевшего животного, и она во всех случаях летальна. Популяция тасманийского дьявола совсем невелика, ареал его сильно ограничен, поэтому естественным образом тасманийский дьявол не успеет выработать защиту от этого заболевания. По оценкам ученых, к середине XXI века этот вид вымрет.

Источники:
1) Elizabeth P. Murchison et al. Transmissible Dog Cancer Genome Reveals the Origin and History of an Ancient Cell Lineage // Science. 2014. V. 343. P. 437–440.
2) Heidi G. Parker and Elaine A. Ostrander Hiding in Plain View — An Ancient Dog in the Modern World // Science. 2014. V. 343. P. 376. — синопсис к обсуждаемой статье.

См. также:
Элизабет Мерчисон: Борьба с инфекционным раком — лекция о трансмиссивной лицевой опухоли тасманийских дьяволов и о ТВС собак на сайте TED.com.

Елена Наймарк


17
Показать комментарии (17)
Свернуть комментарии (17)

  • atrus  | 29.01.2014 | 17:10 Ответить
    > Популяция тасманийского дьявола совсем невелика, ареал его сильно ограничен, поэтому естественным образом тасманийский дьявол не успеет выработать защиту от этого заболевания. По оценкам ученых, к середине XXI века этот вид вымрет.

    Так может отловить всех, пока не поздно, отдиагностировать и здоровых поселить в заповедник?
    Ответить
    • chech > atrus | 29.01.2014 | 18:31 Ответить
      В Википедии написано, что на ранних стадиях оно плохо диагностируется
      Ответить
      • hongma > chech | 06.02.2014 | 18:42 Ответить
        Отловить по максимуму и расселить маленькими группками. Если в микрогруппе после карантина никто не заболел - их можно объединять. А заболевших можно и лечить попробовать....
        Ответить
  • dims  | 30.01.2014 | 01:07 Ответить
    Не совсем понял, каким образом установлено родство между ТВС и нетрансмиссивными вариантами саркомы?

    Не может ли быть так, что мы наблюдаем не прямой процесс (самоопределение рака в отдельный организм), а обратный, то есть, постепенное превращение паразитического организма в раковое заболевание?

    Может ли быть так, что через много лет, ТВС деградирует и превратится в обычный рак?

    Может ли быть так, что многие виды рака образовались в результате деградации каких-либо паразитов?
    Ответить
    • naimark > dims | 30.01.2014 | 04:14 Ответить
      главное было понять, откуда произошли клетки ТВС. "Нетрансмиссионный" рак - это все же перерождение собственных клеток заболевшего организма, только организм с сильно ослабленной нервной системой может заразиться чужими раковыми клетками. Происхождение ТВС стало понятно, когда клетки ТВС РАЗНЫХ заболевшиших собак стали сравнивать между собой. Вот тут-то и обнаружилось, что между ними исключительно высока степень сходства, при этом клетки саркомы совсем не похожи по своему генотипу (кариотипу) на клетки хозяев. В заметке есть ссылка на статью 2006 года, где это открытие подробно описано.
      На второй вопрос можно ответить однозначно - нет. Слишком уж похожи паразитические клетки по своему генотипу на собачьи.
      ТВС не может превратиться в "обычный" незаразный рак, потому что в этом случае он никак не сможет распространяться и мгновенно вымрет.
      Ответить
      • dims > naimark | 30.01.2014 | 04:40 Ответить
        Я понимаю, что сравнили разных ТВС и поняли, что они ближе к друг к другу, чем к собакам-хозяевам. В статическом отношении сомнений нет.

        Вопрос в другом: откуда узнали, что идёт процесс "реализации права на самоопределение", а не обратный процесс?

        Предположим, обратный процесс возможен. То есть, сначала у нас есть просто болезнетворный организм, потом он постепенно утрачивает способность к независимому существованию и становится паразитическим, потому степень его независимости снижается, пока он не становится онкогеном. Он не вымирает, нет, он продолжает жить вместе с организмом хозяина, полностью ассимилировавшись с ним. Просто иногда происходит "взбрык", то есть, всплеск древней генетической программы независимости -- тогда развивается рак. Поскольку программа не использовалась, она не может реализоваться в полной мере. Раковые клетки обладают способностью путешествовать в пределах организма, но не могут передаться в другой организм, так как потеряли этот навык. Происходит смерть обоих организмов.

        В процессе симбиотической жизни паразита, очевидно, должен быть возможен процесс захвата им генов из организма хозяина и тогда, взяв геном такого организма, учёные не смогут определить, то ли 10 тысяч лет назад произошло разделение геномов, то ли, наоборот, происходит их конвергенция и через Н лет в будущем мы получим собаку, предрасположенную к определённому виду саркомы половых органов, не передающейся от особи к особи.

        В общем, мой вопрос: в чём нестыковки такой попытки перевернуть всё с ног на голову?
        Ответить
        • Rattus > dims | 30.01.2014 | 15:58 Ответить
          >То есть, сначала у нас есть просто болезнетворный организм, потом он постепенно утрачивает способность к независимому существованию и становится паразитическим, потому степень его независимости снижается, пока он не становится онкогеном.

          Ещё раз - собачье происхождение клеток TBC установлено давно, окончательно и обжалованию не подлежит. Даже далеко неполный сиквенс позволяет совершенно достоверно отличить клетку собачью от, например, кошачьей. О бесконечно удаленных от позвоночных одноклеточных эукариотах вообще речи не идёт.
          У клеток эукариот слишком большие геномы и слишком малочисленны и ограниченны случаи горизонтального переноса, чтобы можно было однозначно определять их происхождение и родство.
          Естественное же возникновение гибридом также невозможно между неродственными клетками.
          Ответить
        • PavelS > dims | 31.01.2014 | 00:24 Ответить
          > В процессе симбиотической жизни паразита, очевидно, должен быть
          > возможен процесс захвата им генов из организма хозяина

          Но не до такой же степени, чтобы 90% генов были от собаки, чтобы их порядок на хромосомах был как у собаки и т.д.??? Таки легко проследить кто предок.

          > Раковые клетки обладают способностью путешествовать в пределах
          > организма, но не могут передаться в другой организм,
          > так как потеряли этот навык.

          1) Тезис неверный. Тут проблема не в том, чтобы 1 клетка "перебежала" от одного хозяина другому, а в том чтобы она там прижилась. Вирулентность собачьего рака - это не "заслуга" клеток саркомы, это скорее вина людей, что у собак очень низкое биоразнообразие. У собак я так понимаю пересадка органов шла бы заметно легче чем у людей, т.к. в результате близкородственных спариваний на протяжении последних 10 000 лет генетическое разнообразие собак (особенно породистых) крайне невелико. Т.е. иммунная система чужие клетки не отличает от своих, в частности чужие раковые клетки тоже не отличает от своих и очень слабо их атакует, т.к. собаки очень похожи между собой. У людей не так, т.к. у людей даже в пределах одной расы (породы) гораздо выше степень разнообразия. В собаках же чистота породы поддерживалась искусственно, так вот и результат. У тасманских дьяволов тоже порода не очень разнообразна, так вот вам те же самые грабли.
          2) Вам уже писали, что если какая-то линия саркомы потеряет способность передаваться - то она просто вымрет.
          Ответить
        • dro > dims | 31.01.2014 | 17:42 Ответить
          ++В общем, мой вопрос: в чём нестыковки такой попытки перевернуть всё с ног на голову?++
          ваша попытка перевернуть всё "с ног на голову" вполне разумна. Вполне возможно, что "сначала у нас есть просто болезнетворный организм". Известны такие "организмы", вызывающие рак (хотя не все считают вирусы организмами). Авторы этого не отрицают. Если такой организм играл роль, то у него был очень маленький геном, иначе бы его заметили. Так что все сходится. Но это была (или не была) первая стадия, про которую авторы ничего не пишут, ибо доказательств у них нет
          Ответить
          • PavelS > dro | 31.01.2014 | 21:42 Ответить
            Если не ошибаюсь, очень многие клеточные культуры человека проистекают из раковых клеток; их выращивают тоннами ради биологических экспериментов. Так вот многие из этих культур являются носителями ряда вирусов, некоторые из которых способствуют перерождению обычных клеток в раковые. Такое бывает.

            Тем не менее, результат слияния клетки человека (или собаки) с вирусом всё-таки принято называть клеткой человека, а не вирусом, получившим себе в геном ряд генов человека.
            Ответить
            • dro > PavelS | 01.02.2014 | 19:18 Ответить
              ++Тем не менее, результат слияния клетки человека (или собаки) с вирусом всё-таки принято называть клеткой человека, а не вирусом, получившим себе в геном ряд генов человека++
              Т.е, отвечая на вопрос основателя дискуссии: "В общем, мой вопрос: в чём нестыковки такой попытки перевернуть всё с ног на голову?" можно ответить: "в терминологии".
              Ответить
              • PavelS > dro | 01.02.2014 | 21:46 Ответить
                Не совсем. В эволюционном плане клетки саркомы отдаляются от клеток носителя поколение за поколением. Автор ветки предположил что наоборот, приближаются.
                Ответить
                • dro > PavelS | 01.02.2014 | 23:19 Ответить
                  В некотором смысле приближаются. получается

                  . пес + вирус -> больной пес + ТВС

                  исходные организмы дальше друг от друга, чем конечные. другое дело, автор ветки предполагает (неявно), что процесс сближения монотонный, и спрашивает, почему авторы статьи так не считают. ответ простой: для этого нет никаких оснований, а для предположения немонотонности кое-какие основания есть (общие закономерности эволюции, например). основания, конечно, не очень хорошие - нет контроля. вот если бы проследить изменения генома ТВС в изолированной популяции собак на протяжении 10 лет хотя бы, то тогда другое дело. впрочем, для такого эксперимента есть гораздо более веские причины, и я надеюсь, это сделают.
                  Ответить
  • PavelS  | 31.01.2014 | 00:37 Ответить
    Вот, статья же была.
    http://elementy.ru/news/430092
    Ответить
    • naimark > PavelS | 31.01.2014 | 02:19 Ответить
      точно! но ссылка на лекцию Элизабет Мерчисон немного более информативная
      Ответить
      • PavelS > naimark | 01.02.2014 | 22:06 Ответить
        Если кратко, она повторила то, что мне было и так известно по публикациям на этом сайте, но добавила вот какие детали:
        1) клетки саркомы имеют явные признаки того, что у их предка был определённый пол. Они не "набирались" из особей различного пола, а происходят от одной женской особи, по крайней мере у тасманских дьяволов.
        2) в 1950-е годы ставились эксперименты явного заражения раком посредством пересадки раковых клеток. В подавляющем большинстве случаев пересаженная раковая ткань отторгалась.
        Ответить
  • Atropos  | 05.03.2014 | 16:18 Ответить
    А у людей такое есть?
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»