Профилирование экспрессии генов при раке

Рак – это категория заболеваний, характеризующаяся неконтролируемым ростом и пролиферацией клеток. Для развития рака гены , регулирующие клеток рост и дифференцировку необходимо изменить ; эти мутации затем сохраняются в ходе последующих делений клеток и, таким образом, присутствуют во всех раковых клетках. Профилирование экспрессии генов — это метод, используемый в молекулярной биологии для одновременного изучения экспрессии тысяч генов. В контексте рака профилирование экспрессии генов используется для более точной классификации опухолей. Информация, полученная в результате профилирования экспрессии генов, часто помогает предсказать клинический исход пациента.

Фон

Онкогенез

Онкогенез — процесс, при котором нормальные клетки приобретают свойства раковых клеток, приводящий к образованию рака или опухоли (см.: Онкогенез ). Он характеризуется молекулярным перепрограммированием клетки для неингибированного клеточного деления , что приводит к образованию злокачественной массы. Клетки, образующие эту массу, подвергаются естественному отбору: по мере того, как клетки приобретают мутации, повышающие их выживаемость или репродуктивную способность, они доминируют в растущей опухоли, в то время как другие клетки вытесняются (см.: соматическая эволюция при раке ). Благодаря этим селективным свойствам большинство клеток опухоли имеют общий профиль экспрессии генов.

Профилирование экспрессии генов

Профилирование экспрессии генов — это метод, используемый в молекулярной биологии для одновременного изучения экспрессии тысяч генов. Хотя почти все клетки организма содержат весь геном организма, только небольшая часть этих генов экспрессируется в виде информационной РНК (мРНК) в любой момент времени, и их относительную экспрессию можно оценить. Методы включают технологию микрочипов ДНК или методы, основанные на секвенировании, такие как серийный анализ экспрессии генов (SAGE).

В современных исследованиях рака в основном используются микрочипы ДНК, в которых ряды микроскопических пятен заранее определенных ДНК- олигонуклеотидов , известных как зонды, ковалентно прикреплены к твердой поверхности, такой как стекло, образуя так называемый генный чип. ДНК, меченная флуорофорами ( мишень ), готовится из образца, такого как биопсия опухоли, и гибридизуется с последовательностями комплементарной ДНК (кДНК) на генном чипе. Затем чип сканируют на наличие и интенсивность флуоресцентных меток в каждом месте, представляющих гибриды зонда и мишени. Уровень флуоресценции в определенном пятне предоставляет количественную информацию об экспрессии конкретного гена, соответствующего указанной последовательности кДНК. Микрочипы ДНК произошли от Саузерн-блоттинга , который позволяет обнаруживать определенную последовательность ДНК в образце ДНК.

Из-за снижения затрат РНК-секвенирование становится все более распространенным методом определения профиля экспрессии генов рака. Он превосходит методы микрочипов из-за отсутствия предвзятости, свойственной выбору зонда.

Классификация рака

Фон

В классификации рака доминируют области гистологии и гистопатологии , целью которых является использование морфологических маркеров для точной идентификации типа опухоли. Гистологические методы основаны на химическом окрашивании тканей такими пигментами, как гематоксилин и эозин на основе микроскопии , а также на визуализации патологом . Идентификация подтипов опухолей основана на установленных классификационных схемах, таких как Международная классификация болезней, опубликованная Всемирной организацией здравоохранения , которая предоставляет коды для классификации заболеваний и широкого спектра признаков, симптомов, отклонений от нормы, жалоб, социальных обстоятельств и внешних причин. травм или заболеваний. Для некоторых типов рака эти методы не позволяют различать подклассы; например, определение подгрупп диффузной крупноклеточной B-клеточной лимфомы (DLBCL) в значительной степени не удалось из-за несоответствий между воспроизводимостью между и внутри наблюдателя. ^{[ 1 ]} Более того, клинические исходы опухолей, классифицированных как DLBCL, сильно различаются. ^{[ 1 ]} предполагая, что существует несколько подтипов DLBCL, которые невозможно различить на основе этих гистологических маркеров. Классификация опухолей молочной железы на основе этих предикторов также в значительной степени не удалась. ^{[ 2 ]} Разработка эффективных методов лечения зависит от точного диагноза; кроме того, неправильный диагноз может привести к страданиям пациентов из-за ненужных побочных эффектов от нецелевого лечения и к увеличению расходов на здравоохранение. Наиболее показательным, пожалуй, является то, что 70-80% больных раком молочной железы, получающих химиотерапию, основанную на традиционных показателях, выжили бы без нее. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Следует отметить, что аналогичные закономерности экспрессии генов, связанные с метастатическим поведением опухолевых клеток рака молочной железы, также были обнаружены при раке молочной железы собак, наиболее распространенной опухоли у сук. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Ниже представлены способы использования профилирования экспрессии генов для более точной классификации опухолей на подгруппы, часто с клиническим эффектом.

Молекулярная подпись

В определенном типе клеток или тканей только небольшая часть геномной ДНК организма будет экспрессироваться в виде мРНК в любой момент времени. Уникальный образец экспрессии генов для данной клетки или ткани называется ее молекулярной сигнатурой. Например, экспрессия генов в клетках кожи будет сильно отличаться от экспрессии генов в клетках крови. Микроматричный анализ может предоставить количественную информацию об экспрессии генов, позволяющую генерировать молекулярные сигнатуры, каждая из которых уникальна для определенного класса опухолей. Эта идея была впервые продемонстрирована экспериментально ^{[ 7 ]} в 2000 году исследователями из Стэнфордского университета опубликовано в журнале Nature Genetics . Авторы измерили относительную экспрессию 9703 кДНК человека в шестидесяти линиях раковых клеток, ранее изученных и охарактеризованных в рамках Национального института рака программы развивающей терапии . Алгоритм иерархической кластеризации использовался для группировки клеточных линий на основе сходства, по которому варьируется характер экспрессии генов. В этом исследовании Росса и др. большинство клеточных линий с общими органами происхождения (на основе информации Национального института здравоохранения ) группировались вместе на терминальных ветвях, что позволяет предположить, что раковые клетки, возникающие из одной и той же ткани, имеют много общих молекулярных характеристик. Это позволяет надежно идентифицировать тип опухоли на основе экспрессии генов.

Подкласс опухоли

Более важным результатом профилирования экспрессии генов является возможность дальнейшей классификации опухолей на подтипы, имеющие различные биологические свойства и влияющие на прогноз. Например, некоторые диффузные крупноклеточные B-клеточные лимфомы (DLBCL) неотличимы на основе гистологических методов, но клинически гетерогенны: 40% пациентов хорошо реагируют и демонстрируют длительную выживаемость, тогда как остальные 60% этого не делают. ^{[ 8 ]}

В 2000 году исследователи из Стэнфорда под руководством Эша Ализаде и его коллег опубликовали результаты. ^{[ 8 ]} в Nature с использованием методов профилирования экспрессии для разделения DLBCL на два подтипа: B-подобный DLBCL зародышевого центра и активированный B-подобный DLBCL. Авторы разработали специальные микрочипы, названные «лимфочипы», которые использовались для проверки экспрессии 17 856 генов, преимущественно экспрессируемых в лимфоидных клетках, а также тех, которые играют роль в раке или иммунологии, для 96 образцов лимфоцитов. Алгоритм иерархической кластеризации идентифицировал подмножество опухолей, которые традиционными гистологическими методами были бы названы DLBCL; однако профили экспрессии этих опухолей были гетерогенными. Когда опухоли были повторно кластеризованы на основе экспрессии генов В-клеток зародышевого центра, появилась вторая группа генов, характерных для активированных В-клеток, которые регулирулись противоположно по сравнению с первым набором генов. На основании этих паттернов экспрессии гетерогенный кластер DLBCL был подразделен на B-подобный DLBCL зародышевого центра и активированный B-подобный DLBCL. Различие между этими группами существенно с точки зрения общей выживаемости пациентов: вероятность выживания для пациентов с B-подобными DLBCL зародышевого центра в течение 10 лет составляла около 80%, тогда как у пациентов с активированными B-подобными DLBCL была снижена примерно до 40% в течение более 10 лет. сокращенный восьмилетний период.

Рак молочной железы также трудно отличить по гистологическим маркерам. В исследовании 2000 года, опубликованном в журнале Nature , исследователи из Стэнфорда под руководством Перу охарактеризовали закономерности экспрессии генов в 8102 генах из 65 биопсий, полученных при раке молочной железы. ^{[ 9 ]} Целью исследования было выявление закономерностей экспрессии генов, которые можно было бы использовать для описания фенотипического разнообразия опухолей молочной железы путем сравнения профилей биопсий с профилями культивируемых клеточных линий и сопоставления этой информации с клиническими данными. Опухоли были сгруппированы в две основные группы, которые в значительной степени отражали ER -положительные и ER-негативные клинические описания. ER-позитивные опухоли характеризовались высокой экспрессией генов, обычно экспрессируемых в клетках просвета молочной железы. Авторы предполагают, что это различие более высокого порядка может охватывать как минимум два биологически различных типа рака, каждый из которых может требовать уникального курса лечения. В группе ER-негативных были идентифицированы дополнительные кластеры на основании экспрессии Erb-B2 и генов, обогащенных кератином 5 и 17, подобных базальному эпителию. Эти группы отражают различные молекулярные особенности, связанные с биологией эпителия молочной железы, в зависимости от исхода заболевания.

Клиническое применение

В исследовании 2001 года, опубликованном в Трудах Национальной академии наук , Сёрли и др. ^{[ 10 ]} дополнительно стратифицировали классификации, описанные Perou et al. ^{[ 9 ]} и изучили клиническую ценность этих подтипов рака молочной железы. Авторы разделили ER-положительные опухоли на две отдельные группы и обнаружили, что классификация опухолей, основанная на экспрессии генов, связана с выживаемостью пациентов. Экспрессия 427 генов была измерена для 78 видов рака и семи доброкачественных образцов молочной железы. После иерархической кластеризации образцы сформировали две группы на самом высоком уровне организации, отражающие ER-положительный и ER-негативный фенотипы; ER-негативный кластер далее стратифицирован на группы, идентичные тем, которые описаны Perou et al. ^{[ 9 ]} В отличие от предыдущих результатов, Sørlie et al. ^{[ 10 ]} обнаружили, что ER-положительная группа также может быть разделена на три отдельные подгруппы, называемые люминальными подтипами A, B и C, на основе паттернов специфичной для люминала экспрессии генов с разными результатами. Кроме того, после проведения анализа выживаемости авторы обнаружили, что опухоли, принадлежащие к различным группам, показали значительно разные результаты при единообразном лечении. Анализы выживания часто представляются в виде графиков выживания Каплана-Мейера , пример которых показан справа.

Помимо идентификации генов, которые коррелируют с выживаемостью, анализы на микрочипах использовались для установления профилей экспрессии генов, связанных с прогнозом. Принято считать, что адъювантная терапия принесет наибольшую пользу пациентам с опухолями, имеющими плохие прогностические характеристики , поскольку эти методы лечения существенно улучшают общую выживаемость женщин с раком молочной железы. Однако традиционные прогностические факторы, как упоминалось выше, неточны. Исследователи из Нидерландского института рака смогли идентифицировать признаки «хорошего прогноза» и «плохого прогноза» на основе экспрессии 70 генов, что позволило лучше предсказать вероятность развития метастазов в течение пяти лет у пациентов с раком молочной железы. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Метастазирование предполагает распространение рака из одного органа в другие по всему телу и является основной причиной смерти онкологических больных. В то время как исследование в Нидерландском институте рака применялось только к пациентам с раком молочной железы, исследователи из Массачусетского технологического института выявили молекулярную характеристику метастазов, которая применима к аденокарциномам в целом. ^{[ 13 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Проект классификации неходжкинских лимфом: клиническая оценка классификации неходжкинских лимфом Международной группы по изучению лимфомы» . Кровь . 89 (11): 3909–3918. 1997. дои : 10.1182/blood.V89.11.3909 . ПМИД 9166827 .
^ МакГуайр В.Л. (1991). «Прогностические факторы рака молочной железы: рекомендации по оценке» . Журнал Национального института рака . 83 (3): 154–5. дои : 10.1093/jnci/83.3.154 . ПМИД 1988696 .
^ Совместная группа ранних исследователей рака молочной железы (1998). «Полихимиотерапия раннего рака молочной железы: обзор рандомизированных исследований». Ланцет . 352 (9132): 930–942. дои : 10.1016/S0140-6736(98)03301-7 . S2CID 38457555 .
^ Фу Икс (1998). «Тамоксифен при раннем раке молочной железы: обзор рандомизированных исследований». Ланцет . 351 (9114): 1451–1467. дои : 10.1016/S0140-6736(97)11423-4 . ПМИД 9605801 . S2CID 46287542 .
^ Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатические карциномы молочной железы собак можно идентифицировать по профилю экспрессии генов, который частично совпадает с профилями рака молочной железы человека» . БМК Рак . 10 :618. дои : 10.1186/1471-2407-10-618 . ПМЦ 2994823 . ПМИД 21062462 .
^ Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатический каскад отражен в транскриптоме метастатического рака молочной железы собак». Ветеринарный журнал . 190 (2): 236–243. дои : 10.1016/j.tvjl.2010.10.018 . ПМИД 21112801 .
^ Росс Д.Т.; и др. (2000). «Систематические изменения в моделях экспрессии генов в линиях раковых клеток человека» . Природная генетика . 24 (3): 227–235. дои : 10.1038/73432 . ПМИД 10700174 . S2CID 1135137 .
^ Jump up to: ^а ^б Ализаде А.А.; и др. (2000). «Отличные типы диффузной крупноклеточной В-клеточной лимфомы, выявленные с помощью анализа экспрессии генов». Природа . 403 (6769): 503–511. Бибкод : 2000Natur.403..503A . дои : 10.1038/35000501 . ПМИД 10676951 . S2CID 4382833 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Перу CM; и др. (2000). «Молекулярные портреты опухолей молочной железы человека» . Природа . 406 (6797): 747–752. дои : 10.1038/35021093 . ПМИД 10963602 . S2CID 1280204 .
^ Jump up to: ^а ^б Сёрли М. и др. (2001). «Модели экспрессии генов карциномы молочной железы различают подклассы опухолей с клиническими последствиями» . Труды Национальной академии наук . 98 (19): 10869–10874. Бибкод : 2001PNAS...9810869S . дои : 10.1073/pnas.191367098 . ПМК 58566 . ПМИД 11553815 .
^ вант Веер ЖЖ ; и др. (2002). «Профилирование экспрессии генов предсказывает клинический исход рака молочной железы». Природа . 415 (6871): 530–536. дои : 10.1038/415530a . hdl : 1874/15552 . ПМИД 11823860 . S2CID 4369266 .
^ ван де Вийвер М.Дж.; и др. (2002). «Сигнатура экспрессии генов как предиктор выживаемости при раке молочной железы». Медицинский журнал Новой Англии . 347 (25): 1999–2009. doi : 10.1056/NEJMoa021967 . hdl : 1874/15577 . ПМИД 12490681 .
^ Рамасвами С. и др. (2002). «Молекулярная подпись метастазов в первичных солидных опухолях». Природная генетика . 33 (1): 49–54. дои : 10.1038/ng1060 . ПМИД 12469122 . S2CID 12059602 .

Гибсон, Грег; Муза, Спенсер В. (2009). Букварь геномной науки . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc. ISBN 978-0-87893-236-8 .
Вайнберг, Роберт А. (2007). Биология рака . Нью-Йорк: Garland Science, Taylor & Francisco Group, LLC. ISBN 978-0-8153-4076-8 .

Ресурсы

Инструмент Genevestigator Neoplasm — это бесплатный инструмент с открытым доступом для визуализации экспрессии генов более чем 1000 различных типов и подтипов рака.

[classification_project-1] Jump up to: ^а ^б «Проект классификации неходжкинских лимфом: клиническая оценка классификации неходжкинских лимфом Международной группы по изучению лимфомы» . Кровь . 89 (11): 3909–3918. 1997. дои : 10.1182/blood.V89.11.3909 . ПМИД 9166827 .

[maguire,_1991-2] МакГуайр В.Л. (1991). «Прогностические факторы рака молочной железы: рекомендации по оценке» . Журнал Национального института рака . 83 (3): 154–5. дои : 10.1093/jnci/83.3.154 . ПМИД 1988696 .

[trialists'_collaborative_group,_1998-3] Совместная группа ранних исследователей рака молочной железы (1998). «Полихимиотерапия раннего рака молочной железы: обзор рандомизированных исследований». Ланцет . 352 (9132): 930–942. дои : 10.1016/S0140-6736(98)03301-7 . S2CID 38457555 .

[trialists'_collaborative_group2,_1998-4] Фу Икс (1998). «Тамоксифен при раннем раке молочной железы: обзор рандомизированных исследований». Ланцет . 351 (9114): 1451–1467. дои : 10.1016/S0140-6736(97)11423-4 . ПМИД 9605801 . S2CID 46287542 .

[Klopfleisch2-5] Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатические карциномы молочной железы собак можно идентифицировать по профилю экспрессии генов, который частично совпадает с профилями рака молочной железы человека» . БМК Рак . 10 :618. дои : 10.1186/1471-2407-10-618 . ПМЦ 2994823 . ПМИД 21062462 .

[Klopfleisch3-6] Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатический каскад отражен в транскриптоме метастатического рака молочной железы собак». Ветеринарный журнал . 190 (2): 236–243. дои : 10.1016/j.tvjl.2010.10.018 . ПМИД 21112801 .

[ross,_2000-7] Росс Д.Т.; и др. (2000). «Систематические изменения в моделях экспрессии генов в линиях раковых клеток человека» . Природная генетика . 24 (3): 227–235. дои : 10.1038/73432 . ПМИД 10700174 . S2CID 1135137 .

[alizadeh,_2000-8] Jump up to: ^а ^б Ализаде А.А.; и др. (2000). «Отличные типы диффузной крупноклеточной В-клеточной лимфомы, выявленные с помощью анализа экспрессии генов». Природа . 403 (6769): 503–511. Бибкод : 2000Natur.403..503A . дои : 10.1038/35000501 . ПМИД 10676951 . S2CID 4382833 .

[perou,_2000-9] Jump up to: ^а ^б ^с Перу CM; и др. (2000). «Молекулярные портреты опухолей молочной железы человека» . Природа . 406 (6797): 747–752. дои : 10.1038/35021093 . ПМИД 10963602 . S2CID 1280204 .

[sorlie,_2001-10] Jump up to: ^а ^б Сёрли М. и др. (2001). «Модели экспрессии генов карциномы молочной железы различают подклассы опухолей с клиническими последствиями» . Труды Национальной академии наук . 98 (19): 10869–10874. Бибкод : 2001PNAS...9810869S . дои : 10.1073/pnas.191367098 . ПМК 58566 . ПМИД 11553815 .

[veer,_20002-11] вант Веер ЖЖ ; и др. (2002). «Профилирование экспрессии генов предсказывает клинический исход рака молочной железы». Природа . 415 (6871): 530–536. дои : 10.1038/415530a . hdl : 1874/15552 . ПМИД 11823860 . S2CID 4369266 .

[vijver,_2002-12] ван де Вийвер М.Дж.; и др. (2002). «Сигнатура экспрессии генов как предиктор выживаемости при раке молочной железы». Медицинский журнал Новой Англии . 347 (25): 1999–2009. doi : 10.1056/NEJMoa021967 . hdl : 1874/15577 . ПМИД 12490681 .

[ramaswamy,_2002-13] Рамасвами С. и др. (2002). «Молекулярная подпись метастазов в первичных солидных опухолях». Природная генетика . 33 (1): 49–54. дои : 10.1038/ng1060 . ПМИД 12469122 . S2CID 12059602 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]