Впервые ученые расшифровали полную ДНК больного раком и проследили ее заболевание – острый миелогенный лейкоз – до его генетических корней. Большая исследовательская группа в Центре секвенирования генома и онкологическом центре Siteman при Школе медицины Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи секвенировал геном пациента – женщины в возрасте 50 лет, которая в конечном итоге умерла от болезни – и геном ее лейкозных клеток, чтобы выявить генетические изменения, уникальные для ее рака.
Об исследовании сообщается в нояб. 6 номер журнала Nature.
Новаторская работа создает основу для использования более комплексного, геномного подхода к раскрытию генетической основы рака. "Наша работа демонстрирует силу секвенирования целых геномов для обнаружения новых мутаций, связанных с раком," говорит старший автор Ричард К. Уилсон, доктор философии.D., директор Центра секвенирования генома Вашингтонского университета. "Понимание рака в масштабе всего генома, которое теперь возможно с помощью более быстрой и менее дорогой технологии секвенирования ДНК, является основой для разработки более эффективных способов диагностики и лечения рака."
Исследователи обнаружили всего 10 генетических мутаций в ДНК опухоли пациентки, которые, по-видимому, имели отношение к ее заболеванию; восемь мутаций были редкими и произошли в генах, которые никогда не были связаны с ОМЛ. Они также показали, что практически каждая клетка в образце опухоли имела девять мутаций, и что единичное генетическое изменение, которое происходило реже, было, вероятно, последним, приобретенным. Ученые подозревают, что все мутации были важны для рака пациента.
Как и большинство видов рака, ОМЛ – рак кроветворных клеток в костном мозге – возникает в результате мутаций, которые накапливаются в ДНК людей в течение их жизни. Однако мало что известно о точной природе этих изменений и о том, как они нарушают биологические пути, вызывая неконтролируемый рост клеток, который является признаком рака.
Предыдущие попытки расшифровать индивидуальные геномы человека были направлены на изучение общих точек вариации ДНК, которые могут иметь отношение к риску заболевания. Что поразительно в новом исследовании, так это то, что ученые смогли отсеять 3 миллиарда пар химических оснований, составляющих геном человека, и выявить мутации, которые способствовали развитию рака у пациента.
"До сих пор никто не секвенировал геном пациента, чтобы найти все мутации, уникальные для данного заболевания," говорит ведущий автор Тимоти Лей, M.D., гематолог и Алан А. и Эдит Л. Вольф профессор медицины. "Мы не знали, что найдем, но чувствовали, что ответы на вопрос, почему у этой пациентки был ОМЛ, должны быть встроены в ее ДНК."
На сегодняшний день ученые, участвующие в крупномасштабных генетических исследованиях рака, не зашли так далеко, чтобы провести полное параллельное сравнение геномов нормальных клеток и опухолевых клеток одного и того же пациента. Скорее, большинство более ранних исследований включало секвенирование генов с известной или предполагаемой связью с раком, метод, который, вероятно, не учитывает ключевые мутации.
"Определение первой полной последовательности ДНК генома рака человека и ее сравнение с нормальными тканями того же человека является настоящей вехой в исследованиях рака," говорит генетик Фрэнсис Коллинз, М.D., Ph.D., бывший директор Национального исследовательского института генома человека. "В прошлом исследователи рака «заглядывали под фонарный столб», чтобы найти причины злокачественного новообразования, но теперь команда из Вашингтонского университета осветила всю улицу. Это достижение открывает новую эру всестороннего понимания фундаментальной природы рака и открывает большие перспективы для разработки новых эффективных подходов к диагностике, профилактике и лечению."
По оценкам, в этом году в Соединенных Штатах будет диагностировано 13000 случаев ОМЛ, и около 8800 умрут от этого заболевания. Чаще всего возникает у людей в возрасте 60 лет и старше, и с возрастом становится все труднее лечить. По данным Американского онкологического общества, пятилетняя выживаемость при ОМЛ составляет 21 процент.
Несмотря на успехи в генетическом понимании многих видов рака, ученые очень мало узнали о генетической основе ОМЛ. "После многих лет генетических исследований ОМЛ, направленных на изучение представляющих интерес генов, мы не приблизились к раскрытию молекулярных основ этого заболевания," Лей говорит. "Мы почувствовали, что с новой технологией секвенирования генома пришло время применить подход к полному геному."
На основе генетического тестирования с использованием традиционных методов в начале исследования было известно, что у пациентки есть две мутации, распространенные среди пациентов с ОМЛ, показатель того, что у нее был типичный подтип заболевания, и одна из многих причин, по которым ее геном был выбран для последовательность действий.
Исследователи секвенировали полный геном пациента, то есть ДНК из обоих наборов хромосом, используя генетический материал, полученный из образца кожи. Это дало ученым эталонную последовательность ДНК, с которой они могли сравнивать генетические изменения в опухолевых клетках пациента, взятые из образца костного мозга, который состоял только из опухолевых клеток. Оба образца были получены до того, как пациент прошел курс лечения рака, который может еще больше повредить ДНК.
Затем ученые искали генетические различия – точки единичных базовых изменений в ДНК – в геноме опухоли пациентки по сравнению с ее нормальным геномом. Из почти 2.7 миллионов однонуклеотидных вариантов в геноме опухоли пациента, почти 98 процентов также были обнаружены в ДНК из образца кожи пациента, что сузило количество вариантов, требующих дальнейшего изучения, примерно до 60000.
Используя сложное программное обеспечение и аналитические инструменты, некоторые из которых исследователи разработали специально для этого проекта, они идентифицировали 10 мутаций (включая две ранее известные генетические мутации, общие для ее подтипа лейкемии, но не вызывающие напрямую болезнь), ища одну базовые изменения ДНК, которые изменили инструкции по производству белков.
Из восьми обнаруженных новых мутаций три были обнаружены в генах, которые обычно подавляют рост опухоли. Одна из этих мутаций находится в гене тирозинфосфатазы PTPRT, который часто изменяется при раке толстой кишки.
Четыре других мутировавших гена, по-видимому, участвуют в молекулярных путях, которые способствуют росту рака. В частности, одна мутация была обнаружена в семействе генов, которое также экспрессируется в эмбриональных стволовых клетках и может быть связано с самообновлением клеток. Интересно, что, как отмечают исследователи, самообновление считается важной особенностью лейкозных клеток.
Другое изменение гена, по-видимому, влияет на транспорт лекарств в клетку и, возможно, способствовало устойчивости пациента к химиотерапии.
"Мы все еще анализируем некодирующую ДНК пациента и ожидаем найти ряд дополнительных соответствующих мутаций в этой части генома," говорит Элейн Мардис, доктор философии.D., со-ведущий автор исследования и содиректор Центра секвенирования генома. "Но роль этих некодирующих мутаций будет сложнее выяснить, потому что мы еще не полностью понимаем функцию этой части генома."
Команда также попыталась выяснить, произошли ли восемь новых мутаций в геноме опухоли пациента также в ДНК образцов опухолей 187 дополнительных пациентов с ОМЛ. Ни одна из этих опухолей не имела ни одной из восьми мутаций.
"Это говорит о том, что существует огромное генетическое разнообразие рака, даже в этом единственном заболевании," Уилсон говорит. "Вероятно, существует много-много способов мутировать небольшое количество генов для получения того же результата, и мы смотрим только на верхушку айсберга с точки зрения выявления комбинаций генетических мутаций, которые могут привести к ОМЛ."
Основываясь на своем нынешнем понимании рака, исследователи подозревают, что мутации произошли последовательно. Первая мутация дала клетке небольшую склонность к раку, а затем одно за другим были приобретены другие генетические изменения, каждое из которых что-то способствовало развитию рака. Одна мутация в гене FLT3 не присутствовала во всех опухолевых клетках, и они подозревают, что она возникла последней. "Последняя мутация может стать переломным моментом, из-за которого раковые клетки станут более опасными," Лей говорит.
В настоящее время команда секвенирует геномы дополнительных пациентов с ОМЛ, а также планирует расширить полногеномный подход к раку груди и легких.
Этот тип подхода – именно то, что необходимо для понимания генетической основы рака, что является важным первым шагом к разработке таргетных методов лечения, – говорит Брайан Друкер, M.D., чьи исследования помогли идентифицировать целевой препарат Гливек как многообещающую терапию хронического миелолейкоза. Друкер, директор Oregon Health & Институт рака Научного университета и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза не участвовали в текущем исследовании.
"Это стремительное усилие выявило небольшое количество мутаций в генах, которые никто не предсказал, и их уникальность для этого пациента начинает давать нам представление о генетической сложности и разнообразии этого заболевания," он говорит. "Хотя эта информация еще не говорит нам, как лечить пациентов, это важный первый шаг на этом пути. Он готовит почву для крупномасштабного секвенирования геномов рака и раскрытия тайны рака."
Источник: Вашингтонский университет