Ασθένειες όπως ο καρκίνος και οι νευροεκφυλιστικές διαταραχές συχνά ξεκινούν με γενετικά λάθη. Ωστόσο, ακόμη και αφού οι επιστήμονες εντόπισαν τα εμπλεκόμενα γονίδια, η μετατροπή αυτής της γνώσης σε αποτελεσματικές θεραπείες παρέμεινε εξαιρετικά δύσκολη. Πολλές από αυτές τις ασθένειες συνδέονται με εκατοντάδες μεταλλάξεις που εξαπλώνονται σε διαφορετικά βιολογικά μονοπάτια, καθιστώντας δύσκολη την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οδηγούν συλλογικά τη νόσο.
Μια νέα μελέτη δημοσιεύτηκε η φύση παρουσιάζει μια πιθανή λύση. Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια πλατφόρμα που ονομάζεται PerturbFate που μπορεί να παρακολουθεί συστηματικά πώς οι γενετικές αλλαγές που σχετίζονται με ασθένειες αλλάζουν τα κύτταρα και να προσδιορίζουν πού συγκλίνουν τελικά αυτές οι αλλαγές. Παρακολουθώντας τη γονιδιακή ρύθμιση σε μεμονωμένα κύτταρα με την πάροδο του χρόνου, η ομάδα αποκάλυψε κοινά ρυθμιστικά κέντρα που εξαρτώνται από πολλές διαφορετικές μεταλλάξεις. Χρησιμοποιώντας την αντοχή στο μελάνωμα ως δοκιμαστική περίπτωση, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η στόχευση αυτών των κοινών σημείων ελέγχου μπορεί να βοηθήσει στην υπέρβαση της αντίστασης σε πολλούς γενετικούς παράγοντες.
«Εστιάζουμε εδώ στην αντίσταση στα φάρμακα κατά του καρκίνου, αλλά η δημοσίευση ξεκινά από μια πραγματικά ευρεία ερώτηση: Μόλις μάθετε ότι μια ασθένεια συνδέεται με εκατοντάδες γονίδια, πώς σχεδιάζετε μια θεραπεία για να τη στοχεύσετε;» Ο Junue Cao, επικεφαλής του Εργαστηρίου Μονοκυτταρικής Γονιδιωματικής και Δυναμικής Πληθυσμού, είπε. «Αναρωτηθήκαμε εάν όλα αυτά τα διαφορετικά γονίδια θα μπορούσαν να διαμεσολαβηθούν από κάποιο κοινό κατάντη σήμα που θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε και να στοχεύσουμε αντ’ αυτού».
Μια αυξανόμενη πρόκληση στη γενετική ιατρική
Η πρόοδος στις τεχνολογίες γενετικής αλληλουχίας και προσυμπτωματικού ελέγχου επέτρεψε στους επιστήμονες να εντοπίσουν μεγάλους αριθμούς μεταλλάξεων που σχετίζονται με ασθένειες. Ωστόσο, αυτή η πρόοδος έχει δημιουργήσει μια νέα μεγάλη πρόκληση. Τα γονίδια που εμπλέκονται στη νόσο έχουν συχνά πολύ διαφορετικές λειτουργίες μέσα στο κύτταρο, συμπεριλαμβανομένης της ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας και της κατεύθυνσης των οδών σηματοδότησης των κυττάρων. Λόγω αυτής της πολυπλοκότητας, είναι δύσκολο να σχεδιαστούν θεραπείες που αντιμετωπίζουν πολλές μεταλλάξεις ταυτόχρονα.
Ο Κάο υποψιαζόταν ότι αυτές οι φαινομενικά άσχετες μεταλλάξεις μπορεί στην πραγματικότητα να μην δρουν ανεξάρτητα. Αντίθετα, μπορούν να διοχετεύονται σε κοινά προγράμματα κατάντη που καθορίζουν τελικά τον τρόπο συμπεριφοράς των κελιών. Εάν αυτό ήταν αλήθεια, οι επιστήμονες δεν θα χρειαζόταν να στοχεύσουν κάθε μετάλλαξη ξεχωριστά. Μπορούν να επικεντρωθούν σε κοινούς ρυθμιστικούς κόμβους που ελέγχουν τη διαδικασία της νόσου.
«Θέλαμε να αναπτύξουμε μια τεχνολογία για να προσδιορίσουμε αυτούς τους κοινόχρηστους ρυθμιστικούς κόμβους ως στόχους από μόνοι τους», είπε ο Cao.
Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα χρειαζόταν ένα σύστημα που θα μπορούσε να συγκρίνει πολλαπλούς γενετικούς φραγμούς ταυτόχρονα, παρατηρώντας παράλληλα πώς το καθένα αναμόρφωσε ένα κύτταρο λεπτομερώς. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες μπορούν να αποτυπώσουν μόνο μέρος της εικόνας, συχνά μετρώντας ένα επίπεδο κυτταρικής δραστηριότητας κάθε φορά ή αγνοώντας τον τρόπο με τον οποίο η γονιδιακή δραστηριότητα αλλάζει δυναμικά με την πάροδο του χρόνου.
Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Jihan Xu δημιούργησε το PerturbFate για να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς. Η πλατφόρμα επιτρέπει στους ερευνητές να παρατηρήσουν πώς διαφορετικές γενετικές διαταραχές αλλάζουν τα κύτταρα σε πραγματικό χρόνο παρακολουθώντας ταυτόχρονα την προσβασιμότητα στο DNA και την παραγωγή RNA. Επειδή αυτές οι μετρήσεις συλλέγονται μέσα στο ίδιο μεμονωμένο κύτταρο, το σύστημα μπορεί να αποκαλύψει δίκτυα γονιδίων που ελέγχουν τη συμπεριφορά των κυττάρων και προσδιορίζουν πού μεμονωμένες μεταλλάξεις παράγουν το ίδιο αποτέλεσμα κατάντη.
«Αυτή η τεχνολογία μας επιτρέπει να διαταράξουμε εκατοντάδες έως χιλιάδες γονίδια παράλληλα και στη συνέχεια να μετρήσουμε λεπτομερείς μοριακές αλλαγές σε κάθε μεμονωμένο κύτταρο», είπε ο Cao. «Αυτό μας επιτρέπει να συνδέσουμε διαφορετικές γενετικές εκτροπές με τα κατάντη αποτελέσματά τους και να εντοπίσουμε ρυθμιστικούς κόμβους».
Παρακολούθηση της αντοχής στα φάρμακα στο μελάνωμα
Για να δοκιμάσουν την πλατφόρμα, οι ερευνητές στράφηκαν στο μελάνωμα, όπου διάφορες μεταλλάξεις μπορούν να δημιουργήσουν αντίσταση στη θεραπεία. Η ομάδα επέλεξε 143 γονίδια που σχετίζονται με την αντίσταση στο φάρμακο για το μελάνωμα vemurafenib και τα απενεργοποίησε συστηματικά στα κύτταρα του μελανώματος.
Στη συνέχεια, το PerturbFate παρακολούθησε πώς κάθε διαταραχή άλλαξε την κυτταρική συμπεριφορά με την πάροδο του χρόνου. Με την επισήμανση του πρόσφατα παραγόμενου RNA, οι ερευνητές μπορούν να διακρίνουν τη φρέσκια γονιδιακή δραστηριότητα από τα παλιά μοριακά σήματα. Το προφίλ ενός κυττάρου τους επέτρεψε να παρακολουθούν ποια γονίδια ήταν ενεργά, ποιες περιοχές του DNA έγιναν προσβάσιμες και πώς εξελίχθηκαν αυτές οι αλλαγές.
Αυτή η λεπτομερής προσέγγιση έδωσε στους επιστήμονες μια άποψη κύτταρο προς κύτταρο για το πώς διαφορετικές μεταλλάξεις επηρεάζουν τη ρύθμιση των γονιδίων και πού συγκλίνουν τελικά αυτές οι οδοί.
«Καταλαμβάνουμε όχι μόνο την έκφραση γονιδίων, αλλά και τη δυναμική του RNA και την κατάσταση της χρωματίνης», είπε ο Cao. «Είναι σημαντικό να εντοπιστούν οι ανάντη ρυθμιστές που οδηγούν αυτή την κατάσταση της νόσου».
Ο Xu ανέπτυξε έναν αγωγό υπολογιστικής ανάλυσης που ενσωμάτωσε όλα αυτά τα επίπεδα πληροφοριών σε λεπτομερή ρυθμιστικά δίκτυα γονιδίων. Το σύστημα συνέδεσε τις πρώιμες αλλαγές στη δραστηριότητα του μεταγραφικού παράγοντα με επακόλουθες αλλαγές στην προσβασιμότητα στο DNA, στην παραγωγή RNA και στα σταθερά πρότυπα γονιδιακής έκφρασης.
Αφού εξέτασαν περισσότερα από 300.000 κύτταρα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι πολλές διαφορετικές μεταλλάξεις ώθησαν σταθερά τα κύτταρα του μελανώματος στην ίδια ανθεκτική στα φάρμακα κατάσταση. Όταν η ομάδα στόχευσε κοινά ρυθμιστικά σημεία ελέγχου που λειτουργούσαν σε αυτήν την κατάσταση, η αντίσταση στα φάρμακα μειώθηκε σημαντικά, υποδεικνύοντας μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για συνδυαστική θεραπεία.
Ένα κοινό σήμα επιβίωσης
Η έρευνα αποκάλυψε επίσης μια σημαντική λεπτομέρεια που αφορά το σύμπλεγμα μεσολαβητή, μια κυτταρική δομή που βοηθά στη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η διάσπαση διαφορετικών τμημάτων αυτού του ίδιου συμπλέγματος μπορεί να προκαλέσει αντίσταση στα φάρμακα μέσω εντελώς διαφορετικών βιολογικών οδών. Παρά αυτές τις διαφορές, τα μονοπάτια εξακολουθούν να συγκλίνουν στο ίδιο σήμα επιβίωσης μελανώματος γνωστό ως VEGFC.
Όταν οι ερευνητές απέκλεισαν το VEGFC, τα ανθεκτικά κύτταρα μελανώματος δεν μπορούσαν πλέον να αναπτυχθούν.
Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ακόμη και εξαιρετικά πολύπλοκες γενετικές ασθένειες μπορεί να εξαρτώνται από κοινές ευπάθειες που μπορούν να στοχευθούν κλινικά. Αντί να σχεδιάζουν μεμονωμένες θεραπείες για κάθε μετάλλαξη, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να επικεντρωθούν σε κοινές ρυθμιστικές οδούς από τις οποίες εξαρτώνται οι πολλαπλές μεταλλάξεις.
Επέκταση πέρα από τον καρκίνο
Οι ερευνητές έχουν δημοσιοποιήσει τόσο τα εργαστηριακά όσο και τα υπολογιστικά εργαλεία πίσω από το PerturbFate. Τώρα σχεδιάζουν να επεκτείνουν την προσέγγιση πέρα από τα καλλιεργημένα κύτταρα και να την εφαρμόσουν σε ζωντανά συστήματα.
Ο Κάο και οι συνεργάτες του ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία για να μελετήσουν καταστάσεις όπως η γήρανση και η νόσος του Αλτσχάιμερ, και οι δύο βασικοί ερευνητικοί τομείς στο εργαστήριό του. Στόχος τους είναι να αποκαλύψουν κοινές ευπάθειες σε περίπλοκες ασθένειες που μπορούν να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών θεραπειών.
“Αυτό είναι απλώς ένα σημείο εκκίνησης”, είπε ο Cao “Τώρα που έχουμε επιδείξει τη μέθοδο σε ένα απλό μοντέλο, εργαζόμαστε για να την επεκτείνουμε σε ζωντανά συστήματα για τη μελέτη πιο περίπλοκων ασθενειών.”
