Победа над раком с помощью информационных технологий06.10.2021 04:46

В этой статье мы изложим новую, пока ещё фантастическую, идею о том как с помощью информационных технологий можно победить рак. Быть может, полностью. Мир без рака возможен. В некой перспективе, близость которой зависит от нас.

Это лонгрид. Поэтому вначале будет оглавление, чтобы нетерпеливые могли нырнуть к самым горячим моментам: применяем IT-подход в биологии (пункт 4), наивная реализация контрольных сумм в ДНК (пункт 5.1), сложная реализация (пункт 5.2). Но перед комментированием желательно прочесть весь текст.

Идея пока ещё не обросла всеми нужными деталями для реализации. Предложения приветствуются. За найденные ошибки в тексте повышаю карму.

1. Что такое рак?
  1.1 Это серьёзная проблема человечества
  1.2 Определение рака
  1.3 Как лечат рак сегодня?
    1.3.1 Старые методы
    1.3.2 Недостатки старых методов
    1.3.3 Новые и экспериментальные методы

2. Причины рака

3. Информационные технологии против рака
  3.1 Более надёжное копирование
  3.2 Резервная копия
  3.3 Избыточность и репарация in place
  3.4 Контрольные суммы
  3.5 База данных с сигнатурами вирусов
  3.6 Удаление спящих вирусов
  3.7 Как ДНК защищена в природе

4. Как мы можем применить IT-подход в биологии против рака?
  4.1 Более надёжное копирование
  4.2 Резервная копия
  4.3 Избыточность и репарация (биологич. моменты)
    4.3.1 Избыточность
    4.3.2 Репарация
  4.4 Контрольные суммы и коды исправления ошибок
  4.5 База данных с сигнатурами опасных мутаций
  4.6 Подавление активности мобильных генетических элементов
  4.7 Потенциально самое лучшее решение

5. Делаем контрольные суммы для ДНК
  5.1 Наивная реализация идеи контрольных сумм
  5.2 Возможная биологическая реализация, приближенная к реальности
    5.2.1 Биологическая молекулярная реализация счётчика
    5.2.2 Примерный подсчёт увеличения надёжности копирования ДНК из-за счётчика
  5.3 Способы внедрения в ныне живущих и в эмбрионы
  5.4 На чём будем экспериментировать? Выбор модельного организма
    5.4.1. Возможный первый шаг — создание немутирующей бактерии
  5.5 Идеальный конечный результат — одна прививка, после которой человек не болеет раком.

6. Заключение. Что это даст?
  6.1 Увеличение жизни в среднем на 10 лет для заболевших
  6.2 Космические путешествия
  6.3 Мы берём эволюцию полностью в свои руки. Спонтанные мутации невозможны

1. Что такое рак?

1.1 Это серьёзная проблема человечества

Чувствуете ли вы себя хозяином своего тела? В обычной жизни молодых людей это чувство порой не вызывает сомнений. Но с возрастом его хрупкость всё больше даёт о себе знать. И жизнь и смерть во многом определяются генами. Но не только. Технологии и определяемые ими изменения в обществе уже продлили среднюю продолжительность жизни людей со времён каменного века в разы. И сделали основные причины смерти другими.

Если раньше люди часто умирали от инфекционных заболеваний, то за последние столетия их научились эффективно лечить и основной проблемой стали сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Но прогресс движется, сейчас и их лечат всё более эффективно и на первое место среди причин смертности, особенно, в развитых странах выходит онкология. И большинство людей почти гарантированно умрут от рака, если полностью убрать ССЗ.

К тому же, болеть онкозаболеваниями, в отличие от многих других болезней, крайне неприятно; они нередко омрачают последние месяцы и годы жизни человека чувством обречённости и нарастанием симптомов.

Таким образом, основные причины смертности людей — это ССЗ и рак. В тех странах, где с ССЗ успешно борются, смертность от рака увеличивается.

Например, в Великобритании 53% смертей после 75 лет происходят от рака. Если же смотреть по всем возрастам, то это 28% (данные 2016 года).

Если говорить о мире в целом, каждый третий мужчина и каждая четвертая женщина на Земле становятся жертвами рака.

По данным Википедии, насчитывается 135 разных видов рака.

По данным Национального Института Рака, таких видов насчитывается 183. Причём в каждом виде могут насчитываться десятки, сотни и тысячи и более его разновидностей, различающихся поврежденными генами.

Почти каждый вид рака требует своего уникального подхода в лечении, своих лекарств. Фармацевтические компании тратят огромные деньги, чтобы найти подход к каждому виду, потому что рак — болезнь смертельная.

На проведение исследований, связанных с раком, уходит, по разным оценкам, до 90% общего финансирования биологических и медицинских наук в мире.

А какой результат? Да, в некоторых случаях рак смогли перевести в хроническую болезнь и человек живёт до тех пор пока в состоянии проходить курсы химиотерапии.
Но люди как умирали от рака, так и умирают. Кто-то может возразить, что «за последние десять-двадцать лет общая онкологическая смертность в различных возрастных группах снижалась на 1% каждый год — и эта тенденция отмечается во всём мире.»

Это очень мало. Чтобы смертность уменьшилась в 100 раз, нам потребуется 450 лет. 0.01 = 0.99450.

Многие богатые люди так или иначе сталкиваются с раком и потом частным образом учреждают новые фонды борьбы с раком или даже открывают институты.

Это прекрасные начинания. Но вызывает удивление, почему эти люди задумываются об этом только когда припрёт к стенке, а не заранее. Ведь ценнее жизни ничего нет.

Некоторые примеры. В апреле 2016 года Шон Паркер (основатель Napster, Facebook, Spotify) выделил $250 миллионов на создание Parker Institute for Cancer Immunotherapy.

В том же 2016 Майкл Блумберг (бывший мэр Нью-Йорка) пожертвовал вместе с другими 128 миллионов долларов на создание института иммунотерапии рака Блумберга-Киммеля при университете Джона Хопкинса.

Недавно Олег Тиньков заболел раком крови и также создал свой фонд.

Известный факт, что родной сын Джо Байдена умер от рака. Под влиянием этого печального события Байден в 2016 году, когда был вице-президентом при Обаме, участвовал в создании коалиции «Cancer Moonshot» (в названии обыгрывается победа над раком по аналогии с успешно выполненной США задачей доставки человека на Луну).

Далее коалиция была переименована в Cancer Breakthroughs 2020. Байден и администрация Обамы запросили 1 миллиард долларов у конгресса США и получили 1.8 миллиарда на 7 лет, до 2024 года.

Учитывая, что сейчас Байден стал президентом США, мы надеемся, что он помнит об этой инициативе и сможет её дополнительно профинансировать.

Подведём итоги. Вылечить болезнь, имеющую тысячу лиц, не так просто. На уже появившийся рак можно влиять с целью его уничтожения, или, хотя бы, замедления развития, разными способами, и постепенно это удается все лучше. Но слишком медленно.

Итак, рак — это самое серьёзное препятствие на пути к долголетию.

1.2 Определение рака

Рак — заболевание, при котором клетки начинают расти и делиться бесконтрольно вследствие произошедших мутаций (повреждений ДНК, передающихся клеткам-потомкам).

При этом нужно отметить, что в клетке имеются механизмы защиты, ограничивающие способность деления дефектной клетки или даже приводящие ее к апоптозу (запрограммированная клеточная смерть). Поэтому в норме одна единственная мутация редко приводит к раку. Для того, чтобы возник рак, обычно необходимо, чтобы мутации одновременно сняли ограничение на число делений и отключили защитные механизмы самоубийства клетки.

Разумеется, данные поломки можно осуществить множеством различных способов. Что и приводит нас к раку как к чрезвычайно многоликой болезни, при которой каждый конкретный случай уникален (вызван своим уникальным набором мутаций).

Также важно отметить, что «критическая масса» поломок может набираться в течении нескольких поколений.

Подробнее об этом будет сказано ниже, в п 2.1.

1.3 Как лечат рак сегодня?

1.3.1 Старые методы

Ведущим классическим методом лечения рака является хирургическое вмешательство. Если хирургически удалить из организма все раковые клетки без исключения, рак будет излечен полностью (хотя операция может иметь вредные последствия для организма, в частности, удаление части здоровых тканей вместе с опухолью).
Приходится соблюдать компромисс между максимизацией повреждения опухолевых клеток и минимизацией повреждения здоровых тканей, которое происходит в результате практически любого метода лечения.

Также существуют и развиваются другие направления лечения рака, наиболее часто используемые — химиотерапия и лучевая терапия.

Химиотерапия — применение разнообразных лекарственных препаратов для уничтожения раковых клеток. То, что раковые клетки незначительно отличаются от здоровых человеческих клеток, в отличии от, например, клеток бактерий или грибков, осложняет лечение.

Лучевая терапия стала применяться довольно скоро после открытия рентгеновского излучения и радиации на рубеже XIX и XX веков. В ней могут использоваться как электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучение), так и электроны, протоны, нейтроны, ионы.

Перечисленные виды терапии могут применяться не только по отдельности, но и в комбинациях.

В качестве комбинированных методов, можно привести нейтронозахватную терапию (в ней эффект оказывают реакции между радиочувствительными медикаментами и нейтронами), фотодинамическую терапию, при которой происходит избирательное разрушение раковых клеток под действием светового или инфракрасного излучения из-за накапливаемых в опухолях светочувствительных веществ.

Вылечить рак иногда удаётся даже полностью, но, как правило, это непросто, поэтому важно принимать профилактические меры, стараясь, чтобы он не возник.

Согласно статье от Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ):

В настоящее время можно предотвратить возникновение 30–50% раковых заболеваний, если избегать факторов риска и осуществлять соответствующие стратегии профилактики, основанные на фактических данных.

1.3.2 Недостатки старых методов

Однако, распространенные способы лечения рака имеют серьёзные побочные эффекты.

При химиотерапии и лучевой терапии, которые напоминают ковровые бомбардировки и здоровых и раковых клеток, массово портятся органеллы и ДНК здоровых клеток, что провоцирует повторные раковые опухоли после выздоровления, даже если и удастся его достичь (что непросто, так как нужно уничтожить ВСЕ раковые клетки и при этом не нанести повреждения здоровым клеткам, которые окажутся несовместимыми с жизнью организма).

Хирургические вмешательства сами по себе травматичны и рискованны.

Даже у профилактики есть минусы. Например, гипердиагностика.

Гипердиагностика рака — это обнаружение при скрининге или другом виде медицинского обследования новообразования, которое, имея все признаки злокачественной опухоли, при этом не прогрессирует и не приводит к смерти пациента, либо прогрессирует настолько медленно, что может не проявить себя клинически в течение жизни.

При этом человеку, фактически, необоснованно ставят диагноз «рак», что может самым серьезным образом отразиться на образе и качестве его жизни. К тому же такой диагноз — источник неоправданно высоких показателей выживаемости больных раком предстательной или молочной железы. Источник.

Не исключена даже такая возможность, что лечение ложно диагностированной онкологии старыми методами спровоцирует онкологию настоящую.

Увеличение продолжительности жизни раковых больных за последние 20–30 лет произошло не из-за того, что появились революционные методы терапии, а главным образом потому, что рак начал диагностироваться на более ранней стадии. Источник.

Вдумайтесь в предыдущую цитату. В некоторых случаях больные стали жить дольше после выявления рака только потому, что отсчёт времени их оставшейся жизни начался раньше, так как опухоль нашли раньше. Т.е. по факту в некоторых случаях профилактика иногда добавляет больше беспокойства, чем лечит.

Старые методы либо оттягивают печальный итог, либо несут в себе колоссальные побочные эффекты. Известно, что дети, перенёсшие рак и вылеченные химиотерапией, умирают на десятки лет раньше, чем дети, никогда не болевшие раком. Если в детстве ребёнка вылечили от рака, то он проживёт в среднем 58 лет, на 16 лет меньше (или на 25% меньше), чем люди не болевшие раком в детстве.

Ни один из старых методов не может гарантировать устойчивую ремиссию.

1.3.3 Новые и экспериментальные методы

Их можно разделить на несколько групп. Естественно, эта классификация не претендует на полноту.

1. Физические методы
   
   • локальная гипертермия (уничтожение раковых клеток нагревом)
   • криоабляция (локальное замораживание)
   • лазерная терапия
   • воздействие сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности
   • радиочастотная абляция (РЧА) с использованием токов высокой частоты (450–500 Кгц).
   
   
2. Нанотехнологии
   
   • деформация раковых клеток изнутри
     
     Деформация раковых клеток изнутри

     «Ученые из Германии создали совершенно новый способ лечения рака — он направлен на разрушение структуры злокачественных клеток, чтобы запустить процесс их самоуничтожения. Первые доклинические результаты показали многообещающие перспективы будущей терапии — разные культуры раковых клеток уничтожались в среднем за 4 часа. При этом терапия абсолютна безвредна для здоровых клеток.» Источник.

   • закупорка сосудов ведущих к опухоли
     
     Закупорка сосудов ведущих к опухоли

     «В крупном исследовании в области наномедицины ученые Аризонского государственного университета (ASU) в сотрудничестве с исследователями из Национального центра нанонауки и технологии (NCNST) Академии наук Китая успешно запрограммировали нанороботы для сокращения опухолей путем отсечения их от притока крови.» Источник.

   • Направленная доставка лекарств в опухоль липосомами или магнитными наночастицами
   
   
3. Биохимические методы
   
   • блокирование или замедление экспрессии онкогенов
     
     Блокирование экспрессии онкогенов

     Результаты исследования, опубликованные в журнале Molecular Cancer Therapeutics (Pecot et al., Therapeutic Silencing of KRAS using Systemically Delivered siRNAs), показали, что использование малых интерферирующих РНК (миРНК) не только резко останавливает рост рака в клетках легкого и толстого кишечника, но и препятствует распространению метастазов. РНК-интерференция имеет большие перспективы в лечении заболеваний печени, вирусных инфекций и рака. Источник.
   • активация генов-супрессоров (в первую очередь гена p53)
   • блокирование сигнальных путей деления и пролиферации клеток
   • таргетная терапия (на рецепторы опухолевых клеток)
   • пролекарства, активируемые в опухоли
4. Иммунологические методы
   
   • активация иммунного ответа (ингибиторы контрольных точек, CAR-T, adoptive T-cells, дендритная терапия)
     Хорошая статья от Русфонда о методе CAR-T.
     
     Создание новых рецепторов на Т-клетках

     Ещё в 2010 году Уильям Людвиг вылечился сразу от трёх видов рака с помощью CAR-T. Зелиг Эшхар (Zelig Eshhar), иммунолог из Вайцмановского института в Израиле в 1989 году изобрёл «химерный рецептор антигенов Т-клеток», CAR-T, описав их, как «Т-тела». Они были созданы из смешанных вирусов, переносящих новый человеческий ген. Вирусы проникали в клетки человека, перенося этот ген. На месте ген создавал на Т-клетках новый рецептор, имитировавший функцию наведения антител, помогая им нацеливаться на раковые клетки».

     Статья в NY Times, научпоп-статья на английском, перевод последней на Хабре.
     Научная статья:
     Chimeric Antigen Receptor–Modified T Cells in Chronic Lymphoid Leukemia
     

     Нобелевская премия в 2018 году за активацию иммунного ответа

     В 2018 году получил Нобелевскую премию способ основанный на активации иммунного ответа, предложенный James P. Allison и Tasuko Honjo. Способ пока проверен на нескольких видах рака и только на мышах.
   
   

Очень перспективным выглядит метод лечения рака CAR-T. Из организма извлекаются иммунные T-клетки, проходят процесс «обучения» борьбе с опухолями (на них создаются химерные рецепторы-антигены против конкретного вида опухоли) и затем возвращаются в организм.

Перечисленные методы не универсальны, имеют существенные побочные эффекты и далеко не во всех случаях дают гарантии излечения.

1.3.4 Недостатки новых методов

Многие из новых методов очень дорогие, например, CAR-T (~$500K).

На подготовку и применение методов молекулярного уровня (нанороботы, моноклональные антитела) нужно существенное время. Например, для метода CAR-T в мире на текущий момент есть всего 2 завода (в Германии и США), которые могут делать такие T-клетки, а процесс производства занимает около 3 недель. Что не оставляет шанса поздно диагностированным больным на терминальных стадиях, даже если у них есть информация об этом методе и нужная сумма.

Физические методы имеют те же недостатки, что и традиционные. Они действуют на уровне довольно больших опухолей и после лечения возможно возникновение метастазов.
Мало где можно воспользоваться новыми и экспериментальными методами, так как они не успели получить широкого распространения.

Главная проблема новых методов в том, что они не дают полную защиту от рака, а только иногда его могут вылечить.

2. Причины рака

Эпигенетические ошибки приводят к возникновению доброкачественных опухолей, клетки которых по мере накопления мутаций озлокачествляются. Причиной являются повреждения в генах некоторых клеток, снимающие ограничения в количестве и скорости делений.

Необходимо примерно от 10 до 25 «драйверных» (ключевых) мутаций в ключевых генах для запуска процесса озлокачествления (часть из них могут быть наследственными). Далее уже растущая опухоль накапливает несколько тысяч дополнительных мутаций, некоторые из них приводят ко всё более её злокачественному её поведению.

В живом организме постоянно существуют разного рода факторы, которые повреждают структуру ДНК, но клетка устроена таким образом, что подавляющее большинство этих повреждений быстро исправляются (этот процесс называется репарацией), поэтому мы, как правило, доживаем до 40 лет без рака.

Есть различные виды репараций, поскольку существуют различные виды повреждений ДНК. За основополагающий вклад в исследования процессов репараций трое учёных в 2015 году были награждены Нобелевской премией.

Подавляющее большинство из повреждений ДНК оперативно репарируются. Однако, часть из них закрепляется в генотипе, избежав репарации и защитные силы организма больше не воспринимают их как нечто инородное. Их мы называем мутациями.

Происходят мутации по разным причинам. Например, по причинам химических реакций внутри клетки или неточному копированию ДНК при делении клетки. Также могут быть дополнительные мутации при контакте с внешними мутагенными факторами (например, с радиацией, химическими мутагенами).

Они могут происходить в кодирующих (это очень опасно) и некодирующих областях генома. Мутации могут быть нейтральными или даже полезными, но как правило, они ничего хорошего организму не несут. Обычно их последствия определяют жизнедеятельность конкретной клетки (если клетка не делится) или её потомков, если клетка делится. Далеко не все даже вредные мутации приводят к раку. Считается, что каждая клетка в течение жизни человека накапливает около 400 мутаций (так называемые соматические мутации, обычно не приводящие к раку, но нарушающие функционирование).

Если в результате мутаций клетка начинает делиться неконтролируемо, возникают злокачественные опухоли. Таким образом, повреждения в одной клетке могут стать причиной гибели всего организма.

Для того, чтобы управлять геномом в направлении повышения его стабильности, нужно понимать природу накопления неисправленных ошибок в геноме, для чего нужно знать виды повреждений генов и виды репарации, а также причины и количественные оценки точности процесса репарации для различных участков генома. Тем более, что некоторые учёные полагают, что от 80% до 90% всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК.

Гены, которые имеют риск стать причиной опухолей после мутаций в них, называются протоонкогенами (после получения приводящей к раку мутации их называют онкогенами).

Мутации в генах-онкосупрессорах (подавителях рака) могут также способствовать развитию рака, если они приведут к нарушению или отключению этих генов. К настоящему времени идентифицировано примерно 300 онкогенов и супрессоров опухолей.

Итак, основной причиной рака являются нарушения в ДНК: в протоонкогенах или в генах-супрессорах.

3. Информационные технологии против рака

Суть рака — это повреждения ДНК, закрепившиеся как мутации. Фактически, рак — это информационная проблема. Борьба с потерями информации породила информатику. Попробуем взглянуть на рак с этой точки зрения и рассмотрим основные методы из мира IT по сохранению информации.

Традиционные медицинские подходы подбирают лечение исходя из конкретной разновидности опухоли, места её возникновения и т.п., однако, сосредоточив усилия и финансовые ресурсы в поисках универсальных информационных механизмов предотвращения рака, вероятно, можно было бы решить проблему рака дешевле, быстрее и эффективнее, чем создавая отдельный способ лечения для каждого частного случая.

Могут ли идеи из мира IT дать что-то новое биологии в помощь в борьбе с раком?

Можно сказать, что в IT-мире информация может теряться или портиться (если не брать в расчёт ошибки человека) в основном из-за несовершенств/поломок линий связи и устройств хранения информации, а также из-за злонамеренных действий вирусов.

3.1 Более надёжное копирование

Переход от аналогового копирования информации к цифровому совершил революцию в деле распространения информации.

Более надёжное копирование получается из-за нескольких компонентов:

• сам двоичный код более помехоусточив, чем аналоговая информация (всего 2 уровня сигнала)
• передача вместе с информацией проверочных кодов
• хранение информации вместе с восстанавливающими кодами

При цифровом копировании информации мы можем использовать кодирование с избыточностью, контрольные суммы, хэши, цифровые подписи, чтобы быть уверенными в том, что копия идеентична оригиналу.

Поэтому, если мы придумаем более совершенный способ копирования ДНК, то значительно уменьшим процент мутаций.

3.2 Резервная копия

В случае катастрофических потерь информации в IT применяются бэкапы. Например, свести последствия пожара в дата-центре к минимуму поможет резервная копия в другом здании.

3.3 Избыточность и репарация in place

Менее значительная потеря информации, например потеря одного диска.
В первую очередь приходят на ум RAID-массивы, которые обладают избыточностью, которая способна компенсировать частичные потери информации.

3.4 Контрольные суммы

В конце каждого сектора на жёстких дисках хранится востанавливающая контрольная сумма, которая способна компенсировать потерю нескольких бит информации.

3.5 База данных с сигнатурами вирусов

Антивирусы с помощью подобных баз данных отличают полезные программы от вредных.

3.6 Удаление спящих вирусов

Очистим диск от неактивных вирусов в файлах. То, что вирус сейчас неактивен, не означает, что он никогда не активизируется или мы по ошибке сами не запустим вредоносную программу.

3.7 Как ДНК защищена в природе

За миллиарды лет эволюции наши клетки приобрели множество механизмов защиты ДНК. Составим табличку в которой запишем аналогии между мерами защиты информации в природе и используемыми в IT.

Эволюция постаралась и в ходе неё появились прекрасные механизмы защиты от мутаций. Теперь должны постараться и мы и усилить эту защиту, чтобы победить рак.

4. Как мы можем применить IT-подход в биологии против рака?

4.1 Более надёжное копирование

Вероятность заболеть раком зависит от числа клеток в организме. Поскольку рак может начаться с одной-единственной мутировавшей клетки, то чем больше клеток в организме, тем выше должна быть вероятность рака. Она должна быть прямо пропорциональна его размерам и массе. Но это, как оказалось, не является универсальной закономерностью. В рамках одного вида это работает.

Между различными видами этот закон уже не выполняется. Взрослые слоны весят в среднем 5–7 тонн, киты могут весить более 100 тонн. При этом, размеры клеток у них мало отличаются от размера человеческих клеток. В теле кита огромное количество генетического материала, масса возможностей для возникновения онкомутаций, что не мешает им жить довольно долго и редко болеть раком.

Люди болеют раком значительно реже, чем мыши. А киты и слоны реже, чем человек.

Отсутствие корреляции между размерами тела, продолжительностью жизни и риском онкологических заболеваний было названо парадоксом Пето (Peto’s paradox).

Очевидно, что у больших существ выработались более совершенные онкозащитные механизмы.

Причины устойчивости к раку у китов пока не столь ясны и ряд исследователей предпринимает попытки их выяснения. Доктор Марк Толлис (Marc Tollis) отмечает: «в среднем киты накапливают в своих генах меньше мутаций по сравнению с другими млекопитающими».

Скорее всего, у китов более точно работает процесс копирования ДНК (и/или репарирования ДНК), в частности, фермент, ответственный за это — ДНК-полимераза.

Значит, нужно сравнить ДНК-полимеразу у китов и человека, сделать diff (найти отличия) и пропатчить человеческую ДНК-полимеразу, чтобы она работала столь же хорошо, как и китовая.

4.2 Резервная копия (тут о хромосомах: растения, некоторые экстремофилы)

Между тем, есть данные о том, что репаративные способности организма человека далеки по эффективности от репаративных способностей некоторых других организмов, живущих в агрессивной среде, наполненной факторами, повреждающими геномы.

Такие организмы, способные выживать при существенном отклонении параметров среды обитания от типичных для земной биосферы, называются экстремофилами.

Если даже в обычном хрупком человеческом организме возникают и исправляются десятки тысяч повреждений в сутки в каждой клетке, то организм экстремофила — это арена постоянной борьбы с агрессивной стихией, он больше похож на птицу Феникс, или терминатора из жидкого металла T-1000, которым приписываются способности восстанавливаться после сильных повреждений.

Огромный интерес представляют радиорезистентные организмы. Радиация присутствует в разной степени везде и может наносить различные типы повреждений. И тем не менее, обнаружены организмы, которые и с ней могут справляться намного более эффективно, чем человек. Для человека летальная доза радиации примерно 4–10 Гр, а для археев Thermococcus gammatolerans она оценивается в величину порядка 30000 Гр.

Кроме того, для этих археев не создаёт проблемы температура 100 градусов по Цельсию в гидротермальных источниках. Важную роль в обеспечении их выносливости играют эффективные механизмы репарации.

Ещё один монстр выживания в ядерных реакторах — это бактерия Deinococcus radiodurans, которая способна выживать при дозе до 10000 греев, чья уникальная способность противостоять радиации основана в значительной мере на том, что в клетке есть одновременно несколько полных копий ДНК. У бактерий главный механизм репарации ДНК — это гомологичная рекомбинация. Поэтому, логично предположить, что обладание многочисленными резервными копиями генов даёт возможность Deinococcus radiodurans к более эффективному восстановлению, не говоря о дублировании работы жизненно важных генов.

Растения находятся постоянно под солнцем, которое тоже является источником световой радиации, постоянно повреждающей ДНК. Растения защищают свою ДНК тоже с помощью избыточности, наличия многих копий хромосом, а также с помощью вынесения наиболее уязвимых частей в листья, которые не жалко потерять.

Самый простой способ увеличения избыточности — это многократное дублирование целых хромосом. Самый простой пример — это растения с их полиплоидным набором хромосом. Хотя, возможно, полиплоидность в растениях закрепилась из-за того, что даёт существенные эволюционные преимущества (возможность мутаций на одной из хромосом с последующим выкидыванием хромосом с менее удачной версией гена) возникла для 

Возможно, имеет смысл провести эксперименты на млекопитающих по искуственной полиплоидности.

4.3 Избыточность и репарация (биологич. моменты)

С повреждениями ДНК мы можем бороться, либо имея дополнительные копии генов, либо имея некие репарационные системы.
4.3.1 Избыточность
В организме человека избыточность используется на многих уровнях: каждая хромосома дублируется (одна идёт от матери, вторая от отца), важные гены дублируются, и в самой ДНК каждое основание дополнено комплементарным, что позволяет клетке исправлять простые повреждения.

Интересный факт: у женщин две X-хромосомы, а у мужчин всего одна. На этой хромосоме есть онкосупрессорные гены, из-за чего женщины реже болеют раком (кроме некоторых специфично женских вариантов рака). Источник.

У слонов механизм защиты от рака основан на увеличении числа копий критически важных онкосупрессорных (подавляющих рак) генов. Учёные под руководством Джошуа Шиффман (Joshua D. Schiffman) и Карло Мейли (Carlo Maley) из Университета Юты вместе с коллегами из Университета штата Аризона и Пенсильванского университета в своей статье в Journal of the American Medical Association проанализировали статистику смертности слонов и убедились, что они, действительно, устойчивы к раку более многих других видов: всего лишь 5% толстокожих умирают от опухолей, тогда как, к примеру, у гиеновидных собак рак губит 8%, не говоря уже о 11–25% людей (популярный пересказ статьи из JAMA).

Анализ генома показал, что у африканских слонов есть целых 40 копий гена p53, у азиатских — от 30 до 40.

Дело в том, что p53, образно названный «хранителем генома» — известнейший супрессор образования раковых опухолей. Он запрещает клетке делиться, если находит в ней повреждения ДНК, до тех пор, пока клетка их не исправит или не самоуничтожится (самоуничтожение по-научному называется апоптозом).

У человека всего 2 копии гена p53, в которых может произойти мутация, которая повредит ген или этот ген по ошибке может оказаться заметилированным, что приведёт к подавлению его экспрессии (он не будет работать).

А вот пациенты-люди с наследственным синдромом Ли-Фраумени в отношении рака почти противоположны слонам. У них всего одна активная копия p53 и риск рака в течение жизни превышает 90 процентов.
4.3.2 Репарация
Теперь о репарации ДНК. Как правило, она происходит за счёт избыточности ДНК. Каждое основание в молекуле ДНК имеет комплементарное, поэтому на основе неповреждённой цепи особые ферменты могут исправлять единичные или даже множественные повреждения, если они приходятся только на одну цепь, за счёт неповреждённой второй цепи.

Если повреждены обе цепи, то участок ДНК копируется с гомологичной хромосомы (хромосомы от другого родителя).

Известны четыре основных типа повреждений в ДНК:

• повреждение одиночных нуклеотидов;
• повреждение пары нуклеотидов;
• разрыв цепей ДНК;
• образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК.

По сути ошибки в репарации происходят так же часто как и в репликации, а при некоторых условиях даже чаще.

В этом нет ничего удивительного, так как, чтобы правильно исправить ошибку, желательно знать, какой должна быть правильная инфо

© Habrahabr.ru