Вчені Стенфорда знайшли спосіб модифікувати пари генів, пов'язаних з раком, в легких мишей, а потім точно відстежувати окремі клітини отриманої пухлини - це комбінований метод, який може значно прискорити дослідження раку і розвиток ліків.
Робота може нарешті дозволити вченим вивчити генетичне розмаїття клітин, виявлених в пухлинах поза лабораторією.
"Рак людини не має тільки однієї мутації - у них є комбінації. Питання в тому, як різні мутовані гени співпрацюють або не співпрацюють один з одним? "- сказав Монте Вінслоу, генетик з Медичної школи Стенфорда і старший автор дослідження, опублікований 2 квітня в журналі Nature Genetics.
Всього кілька років тому таке дослідження було б монументальним, багаторічним зусиллям. Це вимагало б розмноження декількох ліній генетично модифікованих мишей, кожна з яких мала б іншу пару інактивованих генів-супресорів пухлин. Щоб дослідити всі можливі комбінації, знадобилися сотні або тисячі мишей.
Навпаки, Вінслоу і його колеги провели свої експерименти протягом декількох місяців за участю менше двох десятків мишей. «Ми проаналізували більше генотипів пухлин раку легені, ніж вся область протягом 15 років», - сказав Вінслоу.
Несподівана ідея
Команда вчених досягла цього результату, використовуючи CRISPR-Cas9 - потужний інструмент для редагування генів, який може легко замінювати, модифікувати або видаляти генетичні послідовності всередині організмів - створювати множинні генетично відмінні пухлини в легенях окремих тварин. «Ми можемо індукувати тисячі клональних пухлин у однієї миші», - сказав Вінслоу.
Однак для того, щоб зробити корисні висновки про комбінаторні ефекти різних мутацій генів, вченим необхідний точний спосіб маркування і відстеження зростання різних пухлин. І тут звичайні методи, пов'язані зі спробами вирізати і порівнювати розміри окремих пухлин, були недостатніми.
«Мало того, що це було дуже повільно, але як ви виріжете пухлину, яка має дивну форму, або ту, яка прилипає до іншої пухлини?» сказав співавтор дослідження Ян Вінтерс, аспірант в лабораторії Вінслоу. «Нам потрібен був кращий спосіб кількісно визначити розміри пухлини».
Рішення виходило з несподіваного джерела. Дмитро Петров, еволюційний біолог у Стенфорді, який є старшим автором нового дослідження, працював зі Стенфордським фізиком Даніелем Фішером і генетиком Гевіном Шерлоком, щоб розробити штрихове кодування ДНК як спосіб дослідження швидкої еволюції дріжджів. Коли Петров дізнався про експерименти в групі Вінслоу, він подумав, що ця техніка може також працювати і на мишах.
«Дмитра такий хлопець, у якого багато ідей, і спочатку ми не думали, що те, що він пропонував, було можливо», - сказав Вінслоу. «Але після того, як ми подумали про це пару днів, ми зрозуміли, що, насправді, може бути, ми зможемо це зробити».
Підрахунок штрих-кодів
Ідея Дмитра Петрова полягала в тому, щоб приєднати короткі, унікальні послідовності ДНК до окремих пухлинних клітин всередині легенів мишей. Кожна послідовність функціонує як спадковий генетичний штрих-код, і в міру того як кожна клітина ділиться, зростає пухлина, число штрих-кодів також множиться.
Тепер, замість того, щоб копітко вирізати окремі пухлини, вчені могли взяти все ракове легеню, розділити його, а потім використовувати високопродуктивне секвенування ДНК і обчислювальний аналіз, щоб дуже точно визначити, наскільки велика пухлина, вважаючи, як часто з'являються штрих-коди. Підбираючи різні штрих-коди, вчені можуть порівнювати розміри пухлин набагато швидше, ніж це було можливо раніше.
«Це 10 кроків вперед у нашій здатності моделювати рак людини», - сказав Дмитро Петров. "Тепер ми можемо генерувати дуже велику кількість пухлин з певними генетичними сигнатурами в одній і тій же миші і послідовно стежити за їх зростанням в масштабі і з високою точністю. Попередні методи були на порядок повільнішими і набагато менш якісними ".
Генетичне розмаїття
Комбінація CRISPR-Cas9 і штрихового кодування ДНК може дозволити вченим повторити в лабораторії вид генетичної різноманітності, що спостерігається у хворих на рак. "Це загострює страх перед складністю раку, - сказав Вінтерс. - Ми знаємо протягом десятиліть, що людські пухлини надзвичайно складні і відрізняються від пацієнта до пацієнта. Зараз ми можемо змоделювати 30 різних генетичних варіацій раку одночасно.
Одним з яскравих результатів дослідження команди є те, що багато генів-супресорів пухлин залежать від контексту, тобто вони впливають тільки на зростання раку в присутності або відсутності іншого гена. «Ми тепер в хорошому положенні, щоб зрозуміти, як ключові фактори раку взаємодіють один з одним, і чому пухлини з однаковими мутаціями іноді ростуть, щоб бути дуже великими, а іноді і ні», - сказав перший співавтор дослідження Крістофер Макфарланд, аспірант в Лабораторії Петрова.
Гібридна методика команди вчених також може виявитися корисною при тестуванні на наркотики. Фармацевтичні компанії могли одночасно тестувати ліки по тисячах варіантів пухлини, щоб побачити, які з них реагують на лікування, і, що не менш важливо, а які ні.
«Ми можемо допомогти зрозуміти, чому цілеспрямована терапія та імунотерапія іноді дуже добре працюють у пацієнтів, а іноді зазнають невдачі», - сказав Петров. «Ми висуваємо гіпотезу, що генетична ідентичність пухлин може бути частково відповідальна за це, і у нас нарешті є хороший спосіб перевірити гіпотезу».