O perspectiva evolutiva a bolilor neoplazice din univers

Faptul ca exoplanetele tranziteaza stele precum Proxima Centauriau fost depistati ani-lumina de pe Pamant ridica o intrebare intriganta: aceste exoplanete indepartate sunt capabile sa adaposteasca viata? Intr-adevar, detectarea exoplanetelor si detectarea moleculelor organice pe suprafetele lor deschid o gama larga de idei despre ingrediente, mecanisme si cai de mediu necesare pentru evolutia, persistenta si mentinerea vietii. In aceeasi linie, datele exoplanetare contesta si idei consacrate despre intelegerea noastra a sistemelor Pamantului si originile si evolutia timpurie a vietii pe planeta noastra [1]. In acest context, sunt necesare mai multe idei teoretice pentru a oferi predictii testabile pentru aparitia produselor chimice in viata extraterestra. Mai interesanta pentru noi este posibilitatea ca viata extraterestra sa fie impovarata cu mecanisme moleculare pamantesti (de exemplu, liganzi, receptori,1 ). Dintre toate bolile care afecteaza forme de viata pe Pamant, cancerul este poate cel mai insidios din mai multe motive: este o boala diagnosticata pe scara larga in taxele nevertebrate si vertebrate si una care a iesit din recesele celor mai extreme medii ale Pamantului, aproape cu un miliard de ani in urma. Daca viata ar exista in alta parte, asadar, caile de semnalizare a cancerului ar fi probabil caracteristici generale ale vietii extraterestre, avand in vedere constrangerile materialului biologic si capacitatea selectiei naturale de a favoriza rezultatele unei solutii similare la problemele comune de mediu. Ca o anumita boala pamanteasca ar putea evolua convergent pe exoplanete ca raspuns la presiuni similare de selectie, ar sugera ca procesele de viata fundamentale sunt probabil universale si ca cancerul este probabil o trasatura indistinguibila a vietii extraterestre. 

Figura 1: Exoplanetele sunt abundente in intregul univers observabil

Imaginea prezinta un grup de stele tinere stralucitoare cunoscute sub numele de NGC 7129, obtinute cu Telescopul spatial Spitzer al NASA (JPL. NASA. Gov).

Array

 

Intrebam aici posibilitatea stiintifica a oncogenezei sa evolueze in afara Pamantului acum, cand stim ca bolile neoplazice sunt predominante in majoritatea taxonilor nevertebrati majori si ca genele legate de cancer au un interval de timp evolutiv care se intinde in urma cu cel putin sute de milioane de ani. In loc sa prezentam o litanie de argumente pro si contra pentru posibilitatea vietii extraterestre in alta parte, ne concentram pe doua probleme majore: (i) biologia cancerului, cu accent pe neoplazie intr-o serie de organisme nevertebrate (de exemplu, moluste bivalve marine); si (ii) argumentarea faptului ca procesele neoplazice, inclusiv anumite cai de semnalizare care conduc oncogeneza, ar putea fi prezente in disoplanetele care gazduiesc viata. 

Cancer la organele nevertebrate si vertebrate

Consensul predominant in oncologie este ca cancerul apare atunci cand mutatiile ADN si rearanjarile bazelor nucleotidice genereaza celule distincte genetic care vizeaza organele intr-un mod necomplet si asimetric [2] (Figura 2A , 2B). Astfel, celulele canceroase subzista cumva barierele de dezvoltare ale cresterii celulare si migratiei colective adoptate de celulele epiteliale si mezenchimale la om si alte animale vertebrate. Cu toate acestea, aparitia cancerului este observata si la un numar de specii de nevertebrate legate la distanta de oameni. De exemplu, genele legate de cancer au fost identificate la o serie de specii de moluste bivalve marine (de exemplu, stridii) [3] si membri ai filiferent Porifera (de exemplu, bureti) [4]. Prin urmare, acum este acceptat pe scara larga faptul ca un numar semnificativ de gene legate de boala a evoluat in taxoni nevertebrate cu mult inainte de aparitia planului corpului vertebrat cu aproximativ 530 de milioane de ani in urma [5]. Trebuie mentionat ca, de exemplu, neoplazia in bivalvele marine, urmeaza un tipar similar de evolutie a bolii, asa cum este documentat in cancerele vertebrate: cresterea excesiva a celulelor aberante, diseminarea acestor celule prin sistemele circulatorii si infiltrarea si insamantarea subclonelor dominante in organe [6]. Astfel, se pare ca, de obicei, cresterea cancerului este determinata de cai de semnalizare extrem de conservate prezente la speciile de nevertebrate si vertebrate existente.

Array

Din acest punct de vedere, organismele cu fonduri genetice diferite au evoluat semnale chimice cu functii similareprin intermediuldiferite rute evolutive. Acest proces particular este cunoscut sub numele de evolutie convergenta si exemplifica capacitatea populatiilor indepartate de a raspunde in mod predictibil provocarilor de mediu [7-10]. Alternativ, este de asemenea de conceput ca caile de semnalizare legate de cancer sunt critice pentru o mare varietate de procese celulare si, prin urmare, au evoluat impreuna pentru a mentine o functie conservata si reglementata. In acest din urma caz, evolutia asemanarilor fenotipice ar fi atribuita stramosilor comune sau comune [11-12]. Indiferent de modul in care populatiile discrete folosesc diferite seturi de instrumente moleculare pentru a obtine rezultate functionale similare, faptul ca procesele neoplazice sunt detectate la animale nevertebrate si vertebrate este de mare interes, deoarece sugereaza cu tarie ca evolutia s-a lovit din nou de aceeasi solutie la aceeasi problema [13]. Mai mult decat atat, asemanarea cu caile de semnalizare asociate cancerului intre taxonii animale ridica posibilitatea unor constrangeri genetice partinitoare datorita presiunilor de selectie naturale similare. Daca acest lucru se dovedeste corect, probabilitatea ca aceasta strategie bazata pe Pamant sa fie detectata in alta parte este relativ ridicata, deoarece atat proteinele familiale atat din punct de vedere structural cat si functional reprezinta unele dintre cele mai vechi forme de chimie complexa care supravietuiesc celor mai extreme medii ale Pamantului. asemanarea cailor de semnalizare asociate cancerului intre taxonii animale ridica posibilitatea unor constrangeri genetice partinitoare datorita presiunilor de selectie naturale similare. Daca acest lucru se dovedeste corect, probabilitatea ca aceasta strategie bazata pe Pamant sa fie detectata in alta parte este relativ ridicata, deoarece atat proteinele familiale atat din punct de vedere structural cat si functional reprezinta unele dintre cele mai vechi forme de chimie complexa care supravietuiesc celor mai extreme medii ale Pamantului.

asemanarea cailor de semnalizare asociate cancerului intre taxonii animale ridica posibilitatea unor constrangeri genetice partinitoare datorita presiunilor de selectie naturale similare. Daca acest lucru se dovedeste corect, probabilitatea ca aceasta strategie bazata pe Pamant sa fie detectata in alta parte este relativ ridicata, deoarece atat proteinele familiale atat din punct de vedere structural cat si functional reprezinta unele dintre cele mai vechi forme de chimie complexa care supravietuiesc celor mai extreme medii ale Pamantului. 

Figura 2: Anumite boli pamantene ar putea fi intrinsec asociate cu viata extraterestra; (A) prezinta o pereche de galaxii in spirala (NGC 2207 si IC 2163) similare cu cea a Caii Lactee (NASA / JPL-Caltech.Gov); (B) prezinta un specimen histologic care prezinta un glioblastom de inalta calitate (sageti negre) al cortexului cerebral uman (Cancer Genome Atlas)

Marire 20X pentru (B)

Proteine ​​oncogene din organismele nevertebrate

Identificarea cailor de semnalizare legate de cancer in nevertebrate ofera o modalitate de a evalua evolutia moleculelor legate de boala umana [14]. De exemplu, reteaua de semnalizare p53 suprima progresia tumorii la om si, in consecinta, mutatiile acestei retele duc adesea la cancer [15]. De interes, proteina p53 este exprimata in majoritatea taxonurilor nevertebrate, incluzand anemone marine, scoici, midii si calmar [16-17]. Alte oncoproteine ​​exprimate in nevertebrate includ nucleozide-difosfat kinazele (Nme / Nm23 / NDPK) si omologii de proteina de un minut dublu (Mdm2 si Mdm4) de soarece, care au fost studiate in contextul oncogenezei [18-20] (Figura  3A3C). Prevalenta domeniilor si mecanismelor proteice analogice functional care conduc la formarea tumorii la moluste si bureti sugereaza ca proteinele mentionate anterior au evoluat pentru a declansa apoptoza in celulele deteriorate si pentru a proteja celulele germinale de efectele daunatoare ale radiatiilor ionizante si / sau cosmice. In acest context, radiatiile ionizante (radiatii la nivelul energiei ridicate ale spectrului electromagnetic) sunt o caracteristica omniprezenta a universului, avand efecte largi si profunde asupra organismelor vii, indiferent de biochimie si de fondul genetic [21-22]. Dupa cum se stie, radiatia ionizanta dauneaza acizilor si proteinelor nucleice, iar expunerea pe termen lung la arsurile solare si luminozitatea produce rate mari de cancer (de exemplu, melanom cutanat). Prin urmare, Radiatia ionizanta este o presiune selectiva puternica, cu efect direct asupra supravietuirii vietii. Din aceasta cauza, este probabil ca toate domeniile vietii sa se adapteze presiunilor selective similare, prin evolutia cailor de semnalizare analogice care reduc capacitatea unei celule tumorale de a supravietui si prolifera genomul sau (adica de a reduce peisajul de fitness al tumorilor). 

Figura 3: Diferentele dintre nevertebratele multicelulare (A) si speciile de vertebrate (C) sunt usor evidente in fenotipurile respective; cu toate acestea, diferentele dintre speciile multicelulare sunt contrabalansate de asemanarile bazate pe secventa ale moleculelor de acid nucleic din celulele lor; (A) Scoica: sageata neagra indica inelul de crestere; (B) Celule vertebrate: celule ale obrazului uman (epitelii scuamoase stratificate) colorate cu solutii de hematoxilina si eozina (sageata neagra indica nucleul unei celule scuamoase stratificate); (C) Om

Marire 20X pentru (B)

Radiatie ionizanta si oncogeneza

Trebuie mentionat ca discutiile despre viata extraterestra sensibile la radiatiile ionizante trebuie sa se bazeze pe ceea ce stim despre viata de pe Pamant. Pe baza intelegerii noastre actuale, expunerea la razele gamma, razele X si partea ultravioleta superioara a spectrului electromagnetic determina rupturi cu dublu fir de ADN, modifica arhitectura histonica si genereaza specii reactive de oxigen care declanseaza erori genetice in celulele somatice [23-27] . Teoretic, stresorii de radiatii in intervalul 290-320 nm (si radiatiile ultraviolete indepartate, 180-280 nm) ar fi fortat formele de viata timpurie sa evolueze strategiile de protectie chimica si metabolica impotriva partilor din spectrul electromagnetic. In consecinta, membranele lipidice, fosfolipidele de mielina, cochilii care contin carbonat de calciu, solzi si pene melanice si mult mai tarziu straturile exterioare ale pielii ale organismelor multicelulare ar fi fost cel mai mult afectate de radiatiile electromagnetice si cel mai probabil incarcate de formarea tumorii. Aceasta gandire teoretica rezoneaza si informeaza temele majore din biologia cancerului. De exemplu, in acest scenariu, cancerul suprafetelor corpului (siturile mucoasei) ar fi fost „primul” eveniment oncogen asociat cu o expunere definita la un cancerigen: radiatii ionizante (fig.4A , 4B ). Canceruri suplimentare ar fi fost derivate din acest „prim” eveniment oncogen, incluzand cancerele asociate cu metabolismul (de exemplu, cancerul de pancreas si rinichi) si cancerele asociate cu eliberarea de materiale arse, cum ar fi hidrocarburi aromatice policiclice (de exemplu, cancer pulmonar). In acest context, celulele normale ale pielii adapostesc un mare grad de mutatii si, in consecinta, melanomul cutanat are cea mai mare incarcare mutationala dintre 23 de tipuri de cancer uman [28]. Acest lucru poate reflecta traiectoria evolutiva indelungata pe care acest tip de cancer a indurat-o, inclusiv interactiunea sa cu presiunile antice de mediu, dezvoltarea capacitatii specifice a celulelor si tranzitiile de la functia celulara normala la cea maligna. 

Figura 4: (A) prezinta o galaxie cunoscuta sub numele de NGC 4258 cu brate spiralate stralucitoare in raze X si emisii de lumina optica (JPL-Caltech. NASA. Gov); (B) prezinta un specimen histologic al limbii de soarece care prezinta straturi de celule musculare (muscularis mucosa; sageata neagra scurta) si glandele lui von Ebner (sageata neagra lunga). Marire 20X pentru (B)

Sistemele multi-planetare nu sunt statice, dar evolueaza constant ca raspuns la radiatiile ionizante stelare. Radiatia ionizanta nu este un eveniment stocastic cu o distributie ale probabilitatii aleatorii, ci mai degraba un fenomen determinist in universul observabil. 

Cancerul ca trasatura caracteristica a vietii extraterestre 

Ipoteza noastra conform careia formele de viata din alta parte ar avea caracteristici asemanatoare cu boli terestre, precum cancerul, se bazeaza partial pe urmatoarele observatii: (i) Elemente chimice utilizate pentru viata, cum ar fi carbonul, apa lichida, azotul, fosforul, sodiul si alte game de elemente ( de exemplu, sulf si calciu) toate legate de fluxul continuu de electroni si protoni sunt raspandite in univers [29-32]. In plus, in materialul meteoritic s-au gasit aminoacizi (blocurile de constructie ale proteinelor), constituentii lipidelor si carbohidratilor solubili (adica zaharuri) [33-35]. Aceste date indica universalitatea elementelor atomice din care pot fi construite cai de semnalizare. (ii) Chimie pana la capat. Ciclurile si lanturile de reactie ale produselor chimice care dau nastere cailor de semnalizare nu sunt evenimente aleatorii, ci urmeaza mai degraba stari deterministe. De exemplu, atomii formeaza legaturi chimice (de exemplu, legaturi covalente ionice, covalente, polare si nepolare si forte van der Waals) care se supun unor aranjamente specifice si distincte pentru a obtine energii potentiale mai mici si separarea sarcinii. Toate aceste proprietati chimice limiteaza sau constrang functia atomilor sau grupurilor de atomi de pe Pamant si din alte parti ale universului, cat putem vedea. (iii) Dupa cum sa mentionat anterior, studiile evolutive indica faptul ca genele p53 si Mdm2 au precedat aparitia cancerului. Astfel, se crede ca aceste gene au evoluat din functii fara legatura pentru a-si asuma ulterior un rol de semnalizare in prevenirea formarii tumorilor. Familia de gene p53, inclusiv,Nematostella vectensis ), viermi rotunzi (de exemplu, Caenorhabditis elegans ) si insecte (de exemplu, Drosophila melanogaster) in urma cu peste un miliard de ani [16,36]. Interesant este ca genele p53 ancestrale p53 / p63 / p73 ar fi fost deja prezente chiar si in organismele unicelulare, cum ar fi choanoflagelatele, rudele cele mai apropiate ale buretilor s-au crezut ca au aparut in perioada precambriana tarzie ~ acum 2,5 miliarde de ani [16,37]. Reconstituirea acestor gene si istoria lor evolutiva indelungata sugereaza ca familia de gene p53 / p63 / p73 a evoluat timpuriu pentru a-si proteja modelul ADN-ului de radiatiile ionizante stelare si probabil de alti factori de stres ai mediului din acea perioada demult aparuta [38]. Conservarea functionala a acestei proprietati permite unele predictii cu privire la momentul aparitiei cancerului pe Pamant. Pe baza datelor mentionate anterior, este probabil ca cancerul sa fie o veche inovatie evolutiva cooptata sa evolueze pe trasaturile grupului in timpul tranzitiei dintre viata unicelulara si multicelulara de acum 600 de milioane de ani [39]. Intr-adevar, mai multe linii de dovezi sugereaza ca cancerul este o descompunere a multicelularitatii, in care retelele de gene revin la o viata unicelulara prin anularea constrangerilor moleculare ale aderentei celulelor, motilitatii celulare si replicarii celulare [40-43]. Daca aceasta sugestie este sanatoasa, aceasta implica faptul ca cancerul este incorporat in viata multicelulara, care apare spontan in timpul atacurilor consecutive de replicare a celulelor pe diferite site-uri anatomice intr-o maniera extrem de neliniara [44]. Pe scurt, lectia care trebuie invatata din aceste idei este ca compozitia elementara a vietii este universala la nivel atomic si molecular [45]. Caile de semnalizare asociate cu cresterea celulelor maligne si-au mentinut activitatile functionale timp de peste un miliard de ani de evolutie. Pentru a ilustra acest din urma punct, exista o foarte mica diferenta intre o scoica in curs de dezvoltare a leucemiei si un om diagnosticat cu leucemie mieloida acuta, deoarece ambele organisme metazoane prezinta o supraexpresie aberanta a proteinei p53 [46-50]. In cele din urma, se considera ca tranzitia de la viata unicelulara la cea multicelulara a demascat un semnal molecular ancestral care se dezvaluie periodic prin modificarea codului intern al unei gene; un eveniment evolutiv care a trimis in permanenta organisme multicelulare pe drumul existentei unei ghicitori a cancerului. exista o diferenta foarte mica intre o scoica in curs de dezvoltare a leucemiei si un om diagnosticat cu leucemie mieloida acuta, deoarece ambele organisme metazoane prezinta o expresie excesiva aberanta a proteinei p53 [46-50]. In cele din urma, se crede ca trecerea de la unicelular la cea multicelulara a demascat un semnal molecular ancestral, care se reveleaza periodic prin modificarea codului intern al unei gene; un eveniment evolutiv care a trimis in permanenta organisme multicelulare pe drumul existentei unei ghicitori a cancerului. exista o diferenta foarte mica intre o scoica in curs de dezvoltare a leucemiei si un om diagnosticat cu leucemie mieloida acuta, deoarece ambele organisme metazoane prezinta o expresie excesiva aberanta a proteinei p53 [46-50]. In cele din urma, se crede ca trecerea de la unicelular la cea multicelulara a demascat un semnal molecular ancestral, care se reveleaza periodic prin modificarea codului intern al unei gene; un eveniment evolutiv care a trimis in permanenta organisme multicelulare pe drumul existentei unei ghicitori a cancerului. tranzitia de la viata unicelulara la cea multicelulara se crede ca a demascat un semnal molecular ancestral care se reveleaza periodic prin modificarea codului intern al unei gene; un eveniment evolutiv care a trimis in permanenta organisme multicelulare pe drumul existentei unei ghicitori a cancerului. tranzitia de la viata unicelulara la cea multicelulara se crede ca a demascat un semnal molecular ancestral care se reveleaza periodic prin modificarea codului intern al unei gene; un eveniment evolutiv care a trimis in permanenta organisme multicelulare pe drumul existentei unei ghicitori a cancerului. 

In acest context, este oare comunitatea cancerului pe Pamant un semn ca neoplazia ar putea fi prezenta si in exoplanetele care adapostesc viata? Dupa cum sa argumentat anterior, constrangerile asupra materialelor chimice si biologice si expunerea la regimuri selective similare vor produce rezultate fenotipice convergente pe scara larga. Pe baza a ceea ce stim pe Pamant, raspunsul imediat la intrebarea de mai sus este un da tentativ: Chimia si biologia vietii extraterestre vor fi cel mai probabil la fel cu cea a Pamantului, deoarece exista o singura modalitate de a aduna materia vie si evolutia va asigura ca viata de pe exoplanete se gaseste astfel. Mai mult, faptul ca majoritatea organismelor multicelulare au un factor de risc intrinsec pentru cancer (adica cancer fara boala), sugereaza ca, daca biochimia extraterestra se bazeaza si pe procese multicelulare, va exista probabil o prejudecata naturala pentru aparitia cancerului. Ideea ca cancerul ar fi o caracteristica a vietii extraterestre este propusa cu intentia de a transcende chimia si biologia asa cum o cunoastem si de a anticipa neasteptatul: existenta unor boli pe exoplanete. Aici pe Pamant, de pe vremea cand existau ARN / organisme mostenitoare de ADN, formele de viata s-au confruntat cu infometarea, pradarea si infectia / boala. S-ar putea ipoteza in mod rezonabil ca, daca aceste conditii ecologice ar exista in alta parte, acestea ar putea duce in cele din urma la gruparea moleculelor legate de boala in genomii straini. Din nou, aceasta predictie se bazeaza pe ideea ca cancerul este aparent unul dintre elementele de referinta rare in calea aleatorie a evolutiei care s-a compartimentat in arhitectura biochimica a formelor de viata separate.

Cum afecteaza aceste informatii perspectiva noastra asupra bolii (bolilor) din univers? Infectia si boala au evoluat clar precoce si deseori, ceea ce este incurajator pentru aparitia cancerului in alta parte. Desi aceasta predictie este conjecturala, ar trebui totusi sa incepem sa ne gandim la probabilitatea de aparitie a bolii in universul mai mare, la omnipresenta sa asupra exoplanetelor si la impactul sau asupra sistemelor de viata extraterestra. Daca bolile (de exemplu, cancerul) sunt inevitabile si omniprezente in tot universul, putem discerne istoricul medical al exoplanetelor care se imbolnavesc de viata? Daca o viata extraterestra are o infectie sau o boala sau o alta afectiune medicala care isi modifica comportamentul, putem observa efectele acestora? Daca boala este intr-adevar frecventa in universul observabil, boala are o singura origine unica? Daca cancerul sare sa existe in alta parte a universului datorita bazelor sale evolutive si biochimice, ce zici de alte boli pamantene, cu mecanisme de reglementare izbitoare asemanatoare si suprapuse (de exemplu, amiloidoza)? Si mai important, daca bolile sunt semnaturi ale vietii extraterestre, pot duce la o mai buna intelegere a bolilor pamantene, cu potentialul de noi terapii si rezultate imbunatatite?

In rezumat, universalitatea cancerului este atribuita expunerii pe viata a planetelor la radiatiile stelare daunatoare si poate la alte conditii geochimice care predeaza viata multicelulara. Propunem ca proteinele oncogene vor fi caracteristici riscante ale vietii extraterestre, cu capacitatea de a evolua timpuriu si vor fi conduse de cai de semnalizare convergente care respecta aceleasi principii generale ca si propriile noastre specii bazate pe ARN / ADN.