Если двух онкогенов мало для создания полного спектра рака, то сколько же на самом деле требуется активированных протоонкогенов и дезактивированных супрессоров опухоли? Какие генетические шаги нужны, чтобы превратить нормальную клетку в опухолевую? Применительно к человеческому раку на эти вопросы невозможно ответить экспериментальным путем. Нельзя же искусственно вызывать рак у людей, чтобы на его примере проследить активацию и инактивацию генов! Однако на эти вопросы можно ответить при помощи ретроспективного метода. В 1988 году врач-клиницист Берт Фогельштейн из балтиморского медицинского Института Джонса Хопкинса задался целью определить количество генетических изменений, которое требуется, чтобы вызвать рак у человека. Вопрос этот, в том или ином виде, занимал Фогельштейна почти двадцать лет.

Фогельштейна вдохновили наблюдения, сделанные Георгиосом Папаниколау и Оскаром Ауэрбахом в 1950-е годы. И тот, и другой, работая с различными видами рака, обратили внимание на то, что рак не возникает непосредственно из нормальной клетки. Как правило, он медленно крадется, преодолевая отдельные переходные стадии между полностью нормальной и откровенно злокачественной клеткой. На протяжении десятилетий, перед тем как рак шейки матки достигнет неукротимой инвазивной формы, в тканях можно наблюдать судьбу предраковых клеток, начиная с первых шагов в мрачном движении к недугу. Принцип мазков Папаниколау основан на выявлении и удалении этой предраковой стадии, пока болезнь не достигла стадии злокачественности. Точно так же и Ауэрбах отмечал, что в легких курильщиков предраковые клетки появляются задолго до возникновения самого рака. Рак толстой кишки тоже претерпевает на своем пути серию постепенных изменений — от неинвазивных доброкачественных образований под названием аденома до высокоинвазивной терминальной стадии, инвазивной саркомы.

Фогельштейн решил исследовать этот процесс на примере рака толстой кишки. Он собирал у пациентов образцы тканей, представляющих разные стадии рака толстой кишки. Затем он взял серию из четырех генов рака у человека — как онкогенов, так и супрессоров опухолей — и оценил каждую клиническую стадию из своей коллекции на активацию или инактивацию этих четырех генов[35].

Зная о гетерогенности каждого рака, можно наивно предположить, что у каждого пациента будет наблюдаться собственный набор генетических мутаций, а соответственно — и свой уникальный набор мутировавших генов. Фогельштейн обнаружил в образцах рака толстой кишки поразительно устойчивые закономерности: на примере многих образцов и многих пациентов одни и те же переходные стадии рака сопровождались одними и теми же изменениями генетического состояния. Раковые клетки активировали или инактивировали гены отнюдь не случайным образом. Переход от предраковых стадий к злокачественному инвазивному заболеванию в точности коррелировал со строгой и типичной последовательностью активации и инактивации генов.

В 1988 году Фогельштейн писал в «Нью-Ингленд джорнал оф медесин»: «Параллельно с клинической прогрессией опухоли у больных накапливались четыре молекулярных изменения… По всей видимости, в самом начале процесса одна клетка начинает усиленно делиться и создает маленькое доброкачественное новообразование. Во время роста этих клеток нередко наблюдается мутация в гене ras. И наконец, потеря генов-супрессоров опухолей… может ассоциироваться с перерождением аденомы в саркому».

Поскольку в 1988 году Фогельштейн сам выбирал четыре гена, на активность которых проверял свои образцы, он не мог посчитать общее количество генов, необходимых для полного озлокачествления, — технологиям, позволяющим провести подобный анализ, предстояло появиться только через двадцать лет. Тем не менее он доказал существование постепенного генетического перехода от стадии к стадии. Папаниколау и Ауэрбах описали патологические процессы, сопровождающие наступление рака, как многоступенчатый процесс — от первичных доброкачественных изменений к инвазивному раку. Фогельштейн же продемонстрировал, что генетическое наступление рака тоже является многоступенчатым процессом.

Знать это было приятно. За десять лет, с 1980 по 1990 год, в человеческом геноме обнаружили не меньше сотни протоонкогенов и супрессоров опухолей, и это изобилие порождало тревожный вопрос: если геном человека так густо усыпан всеми этими зловещими генами, только и ждущими возможности подтолкнуть клетку на роковую дорожку, почему же тогда у людей ежеминутно не развивается какой-нибудь новый вид рака?

Генетики, занимающиеся проблемами рака, уже знали ответ на этот вопрос. Во-первых, протоонкогены активируются за счет мутаций, а мутация — не столь уж частое событие. Во-вторых, гены-супрессоры опухолей должны инактивироваться, однако в каждой клетке содержится по две копии каждого гена, а значит, для инактивации гена-супрессора требуется две независимые мутации, что случается еще реже. Фогельштейн дал третий ответ. Активация или инактивация одного гена, постулировал он, обеспечивает лишь первый шаг в процессе канцерогенеза. Наступление рака — процесс медленный и длительный, проходящий через много мутаций во многих генах. Выражаясь в терминах генетики, наши клетки не сидят на краю пропасти, за которым их караулит рак. Они влекутся к этой пропасти постепенно, за много шагов.

Пока Берт Фогельштейн описывал медленное шествие рака от мутации к мутации, занимающиеся раком биологи исследовали функции этих мутаций. Они знали, что мутации раковых генов описываются двумя категориями: они либо активируют протоонкогены, либо инактивируют антионкогены. Характерным признаком рака является патологическое деление, однако раковые клетки не просто делятся, они еще и мигрируют по телу, уничтожая другие ткани, заселяя органы и колонизируя отдаленные уголки организма. Чтобы понять синдром рака во всей его полноте, биологам требовалось увязать мутации в генах раковых клеток со всем сложным и многогранным патологическим поведением этих клеток.

Гены кодируют белки, а белки нередко работают как миниатюрные молекулярные переключатели, активирующие еще какие-нибудь белки и инактивирующие третьи, включающие и выключающие все новые и новые переключатели внутри клетки. Для любого такого белка можно нарисовать схему действия: белок А включает белок Б, который включает белок В и выключает белок Г, а тот, в свою очередь, включает белок Д — и так далее. Подобный молекулярный каскад называется сигнальным путем исходного белка. В клетке постоянно работает множество таких сигнальных путей, передающих и получающих сигналы. Именно они все и обеспечивают функционирование клетки и ее взаимосвязь с окружением.

Как выяснили биологи, занимающиеся проблемами рака, протоонкогены и гены-супрессоры опухолей сидят в ключевых узлах сигнальных путей. Например, белок Ras активирует белок Mek, а тот активирует Erk, который еще через несколько промежуточных ступеней ускоряет деление клетки. Этот каскад, называемый сигнальным путем Ras-Mek-Erk, в нормальной клетке строго регулируется, тем самым строго регулируя и клеточное деление. В раковой же клетке активированный Ras постоянно активирует Mek, а тот так же постоянно активирует Erk, что выражается в бесконтрольном клеточном делении, патологическом митозе.