Разработанный недавно исследователями медицинского факультета Корнеллского университета (Weill Cornell Medicine) и Нью-Йоркского центра генома (New York Genom Center, NYGC) набор инструментов позволяет отслеживать молекулярную эволюцию рака. С его помощью учёные способны лучше понять, как возникают и распространяются онкологические заболевания в организме и как рак реагирует на различные методы лечения.
Подход, описанный в статьях в Nature и Nature Communications, позволяет изолировать отдельные раковые клетки, взятые у пациентов и составить карту эпигенетических меток на хромосомах клеток. Эпигенетические метки — это химические метки на ДНК или поддерживающих ДНК белках, они называются гистонами и помогают проконтролировать, какие гены в клетке включены, а какие выключены. По сути, они программируют то, что делает клетка. Предыдущие исследования показали, что в некоторой степени причиной возникновения рака являются эпигенетические изменения в клетках. Однако в этой области было проведено относительно мало исследований. Гораздо больше внимания уделяется генетическим мутациям, вызывающим рак.
В новом исследовании учёные выявили набор эпигенетических меток, «эпигеномов», тысячи раковых клеток, взятых у пациентов с хроническим лимфоцитарным лейкозом. Это медленно прогрессирующее злокачественное новообразование поражает B-лимфоциты. Учёные проанализировали огромный массив эпигеномных данных, чтобы показать, как у пациентов развивался рак на эпигенетическом уровне и как они реагировали на стандартное лечение ибрутинибом.
«С помощью эпигенетической информации мы смогли с высокой точностью отследить линию развития раковых клеток и эволюцию их популяций, чего нельзя было сделать раньше на человеческих образцах, — сказал доктор Дэн Ландау (Dan Landau), доцент кафедры медицины и сотрудник Центра онкологии им. Сандры и Эдварда Майеров (Sandra and Edward Meyer Cancer Center) на медицинском факультете Корнеллского университета. — Подобный анализ может дать нам представление о том, как различные виды рака адаптируются к лечению препаратами».
Для исследования, по результатам которого опубликована статья в Nature, доктор Ландау и его коллеги применили технику метилирования для нанесения эпигенетических меток. Она была применена на более чем 800 нормальных B-лимфоцитов шести здоровых людей и более чем 1800 раковых клеток 12 пациентов с хроническим лимфоцитарным лейкозом. Учёные обнаружили, что в популяциях клеток пациентов с лейкозом скорость эпимутации, то есть среднее изменение в эпигеноме с каждым делением клеток, была аномально и одинаково высокой. Это привело к значительному разнообразию эпигенетических паттернов среди клеток.
Ранее доктор Ландау и другие исследователи показали, как происходит диверсификация онкологических заболеваний на генетическом уровне так, что различные клетки опухоли содержат различные наборы мутаций. «Такое огромное разнообразие в каждой популяции раковых клеток означает, что в каждом случае мы имеем дело с тысячами вариантов рака, а не с одним объектом. Все эти различия увеличивают потенциал адаптации рака к лекарственной терапии, — говорит доктор Ландау. — Мы расширили данную концепцию, показав, что существует эпигенетическое разнообразие».
Учёные смогли проанализировать эпигеномные данные, они проследили линию каждой клетки лейкоза до источника её происхождения и показали, как она развивалась в ходе болезни. Учёные классифицировали клетки лейкоза на различные группы, «филогенетические ветви», близкородственные клетки на основе их эпигеномных моделей и показали, что некоторые из них оказались чувствительными к лечению ибрутинибом, а некоторые — нет. Подобный анализ планируется провести в дальнейших исследованиях, чтобы выяснить, насколько эффективно препарат или комбинация препаратов работают против данного рака. Это могло бы привести к более эффективным способам мониторинга прогрессирования рака и выявлению устойчивости к лекарственным средствам.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, Ландау и его коллеги показали, что могут с точностью до одной клетки наносить на ДНК клеток лейкоза пациента эпигенетические метки, модификации гистонов, в дополнение к метилированию. ДНК упаковывается в хромосомы, частично наматываясь на белки гистонов. Небольшие химические изменения в гистонах могут ослабить или затянуть эту катушку в различных точках, что подавляет или разрешает активность генов. Исследование, проведённое в сотрудничестве с лабораторией доктора Омара Абдель-Вахаба (Omar Abdel-Wahab) в Мемориальном онкологическом центре имени Слоуна — Кеттеринга (Memorial Sloan Kettering Cancer Center), показало, что популяции клеток лейкоза наряду с другими эпигенетическими метками, диверсифицируют наборы модификаций гистонов.
Оба исследования подтвердили, что на эпигенетическом уровне популяции клеток лейкоза теряют порядок, наблюдающийся в популяциях здоровых B-лимфоцитов. «Нормальные клетки человека запрограммированы на точное функционирование в рамках многоклеточного организма, — говорит доктор Ландау. — Раковые клетки превращаются в нечто большее, чем одноклеточная форма жизни, например, бактерии. В бактериях также можно увидеть диверсифицирующую тенденцию, делающую популяцию более стабильной».
Оба исследования показали, что разработанный доктором Ландау и его коллегами подход может быть использован для определения не только различных видов эпигенетической информации, но и генетической ДНК-последовательности, а также моделей экспрессии генов, причём в отдельных клетках.
«Понимание эпигенетических изменений, происходящих в отдельных клетках, позволит лучше понять, как клетки развивают устойчивость к нашим методам лечения и как это может быть предотвращено, — сказал доктор Ричард Фурман (Richard Furman), соавтор статьи. — Эта информация важна для того, чтобы помочь пациентам с лейкозом достичь нормальной продолжительности жизни».
«Мы надеемся использовать эту возможность для получения разноуровневой информации от отдельных клеток, чтобы понять все молекулярные взаимосвязи, определяющие развитие рака и его сопротивляемость терапии, а также способы предотвратить сопротивление», — сказал доктор Ландау.