6 Mapa rakowego genomu.pdf

MAPA

RAKOWEGO

GENOMU

Identyfikacja genów biorących udziat w rozwoju nowotworów

pozwoli wytyczyć nowe drogi w ztożonym krajobrazie ludzkich chorób

Francis S . Collins i Anna D. Barker

skupić się na genomie komórkowym" - uświadamiał

w 1986 roku laureat Nagrody Nobla Renato Dulbecco .

Na łamach Science, w jednej z pierwszych publikacji

nawołujących do realizacji Projektu Poznania Ludzkiego Geno-

mu, oświadczył: „Znaleźliśmy się w punkcie zwrotnym" . Z do-

konanych wcześniej odkryć jasno wynikało, że wiele nieprawid-

łowości w funkcjonowaniu komórek jest skutkiem uszkodzeń

genetycznych. „Mamy do wyboru jedną z dwóch dróg - pisał.

Można poszukiwać genów istotnych dla rozwoju choroby je-

den po drugim bądź też. . . zsekwencjonować cały genom".

Dulbecco i inni przedstawiciele środowisk naukowych rozu-

mieli, że sekwencjonowanie genomu człowieka byłoby dopiero

pierwszym krokiem do pełnego zrozumienia biologii nowotwo-

rów. Dysponując kompletną sekwencją prawidłowego ludzkie-

go DNA, badacze zajęliby się poszukiwaniem funkcji wielu

niezbadanych jeszcze genów, a to z kolei mogłoby wskazać

ich rolę w nowotworzeniu. W ciągu ostatnich 20 lat marzenie

Dulbecca stało się rzeczywistością . Teraz, niespełna trzy lata

po realizacji Projektu Poznania Ludzkiego Genomu, amery-

kańskie National Institutes of Health (NIH) oficjalnie ogłosi-

ły rozpoczęcie pilotażowej fazy opracowania kompleksowego

katalogu zmian genetycznych towarzyszących nowotworom,

który przyjmie nazwę Atlasu Genomu Nowotworowego (TCGA

- The Cancer Genome Atlas).

Głównym powodem tak szybkiego zaangażowania się NIH

w kolejne ambitne przedsięwzięcie jest powszechność nowo-

tworów. Każdego dnia w samych Stanach Zjednoczonych

na raka umiera 1500 osób - mniej więcej jedna co minutę .

W najbliższych latach, z powodu stopniowego starzenia się

społeczeństwa, liczba ta znacznie wzrośnie, o ile nie zostaną

wprowadzone nowe metody szybszego identyfikowania sła-

bych punktów komórek nowotworowych i wykorzystywania

tej wiedzy w terapii .

Dążenie do ograniczenia cierpienia ludzkiego jest bardzo

szlachetne, ale potrzeba także innych argumentów, aby uza-

sadnić podjęcie przedsięwzięcia naukowego na taką skalę.

Przy założeniu, że badania będą dotyczyć 50 najczęściej wy-

stępujących nowotworów, pod względem ilości sekwencjono-

wanego DNA całość programu odpowiadałaby 10 000 Projek-

tów Poznania Ludzkiego Genomu. Należy zatem mierzyć siły

na zamiary i realistycznie oszacować, jakie korzyści w walce

z rakiem dałyby uzyskane dane .

Choroba genów

UZNANIE ZMIAN W GENOMIE Za podstawę rioWOtWOtÓW wszel-

kich typów nie jest ideą nową. W 1981 roku odkryto, że przy-

śpieszający nowotworzenie onkogen v-ras jest w istocie wa-

riantem prawidłowego ludzkiego genu H-RAS. Od tamtego

czasu znaleźliśmy znacznie więcej danych potwierdzających

tezę, że nowotwory są wywoływane przede wszystkim przez

mutacje konkretnych genów, tzw. mutacje onkogenne . Mogą

one powstać pod wpływem toksyn lub promieniowania, wsku-

tek nieprawidłowej naprawy DNA lub też w wyniku błędów

pojawiających się podczas powielania DNA przed podziałem

komórkowym. Niekiedy zaś są dziedziczone .

20 ŚWIAT NAUKI

NADZIEJE ONKOLOGII

C hcąc poszerzyć wiedzę o nowotworach, musimy teraz

4 o-Q

WIELE DRÓG NOWOTWORZENIA

:M au

M-22=9 0

Wymknięcie się komórki rakowej spod nadzoru mechanizmów kontrolnych jest skutkiem nieprawidłowości funkcjono-

wania jej genów. W nich zakodowane są struktury białek służących jako materiał budulcowy komórki, cząsteczki

sygnałowe i czynniki regulatorowe innych genów . Dlatego mutacja hamująca lub przesadnie pobudzająca czynność

jednego genu może mieć rozległe i różnorakie następstwa (poniżej) . Niemniej zwykle potrzeba kilku onkogennych

mutacji w osobnych genach, by pojawiły się podstawowe przejawy zeztośliwienia (ramka na sąsiedniej stronie) .

Identyfikacja wszystkich genów, których zmiany umożliwiają komórce uzyskanie rakowego fenotypu, powinna nam

pomóc w zrozumieniu, które z mutacji naprawdę decydują o rozwoju poszczególnych typów raka, a nawet raka

u konkretnej osoby, co z kolei pozwoli wybrać najskuteczniejsze leczenie .

mmi

l 11

•

G '

0 am

ZEWNĘTRZNE

CZYNNIKI

WZROSTOWE

0 0 0

Warianty genu zmutowane

w wielu nowotworach

ZŁOZONE POŁĄCZENIA

Niezwykle skomplikowane oddzia-

ływania molekularne zachodzące

w komórce można postrzegać

jako sieć równoległych i przecina-

jących się szlaków biologicznych.

Jeden ze szlaków pobudzających

komórkę do podziału (z prawej)

bierze początek w rodzinie recep-

torów czynnika wzrostu naskórka

(EGFR), umiejscowionych w bło-

nie komórkowej . Pobudzenie

przez czynniki wzrostowe znaj-

dujące się na zewnątrz komórki

powoduje przekazanie sygnatów

przez receptory do białek i genów

wewnątrz, co ostatecznie prowa-

dzi do „wzrostu", czyli podziałów

komórki.

Geny z tej rodziny

są zmutowane lub

zwielokrotnione

w wielu rakach

pluta i piersi

AKT

0 CD 0

Gen 8-RAF zmutowany

w większości czerniaków

APOPTOZA

A MUTACJE ONKOGENNE

Geny z rodziny EGFR są zmutowane lub zwielokrotnione w znacznym odsetku raków płuca i piersi .

Powoduje to zwiększenie aktywności lub liczby kodowanych przez nie receptorów, a w konsekwen-

cji nadmierne pobudzenie komórkowego szlaku wzrostu . Zmiany w genach kodujących dalsze etapy

szlaku dają podobne efekty, jak choćby mutacje genu 8-RAF, występujące w około 70% czernia-

ków, które sprzyjają nadmiernym podziałom komórki . Zmutowane wersje genu RAS, spotykane

w wielu typach nowotworów, mogą wpływać na wzrost komórki, ale także na szlaki krzyżujące się

ze szlakiem wzrostowym, m .in. zaburzając regulację programowanej śmierci (apoptozy) komórki,

która w normalnych warunkach sprzyja niszczeniu uszkodzonych komórek .

Mutacje onkogenne, niezależnie od mechanizmu ich powsta-

nia, tak zaburzają funkcjonowanie szlaków biologicznych, że

komórki zaczynają dzielić się w sposób nieograniczony albo

nabywają innych cech charakterystycznych dla nowotworów,

takich jak naciekanie sąsiadujących tkanek i przemieszczanie

się do nowych miejsc w całym organizmie . Skutkiem niektó-

rych mutacji jest utrata czynności genów zwykle chroniących

przed nieprawidłowym zachowaniem się komórek . Inne z kolei

zwiększają aktywność genów szkodliwych dla komórki. Trans-

formacja nowotworowa dokonuje się na ogół dopiero wtedy,

gdy w komórce zgromadzi się kilka takich mutacji . Potrzeba

na to zwykle wielu lat.

W ciągu ostatnich 20 lat wiele zespołów naukowych, stosu-

jąc nowatorskie techniki biologii molekularnej, poszukiwało

mutacji w genach podejrzewanych o regulowanie procesów

wzrostu i życia komórki . Badając je wyrywkowo, do 2007 roku

ustalono, że związek z nowotworzeniem ma około 350 . Pozwo-

liło to badaczom lepiej zrozumieć tę śmiercionośną chorobę .

Zespół Michaela Strattona z Wellcome Trust Sanger Institute

w Cambridge stworzył bazę danych, w której przechowuje się

opisane zmiany : Katalog Somatycznych Mutacji w Nowotwo-

rach (COSMIC - Catalogue of Somatic Mutations in Cancer).

Nikt oczywiście nie łudzi się, że lista jest kompletna .

Czy zatem warto dalej prowadzić badania nad genetycznymi

podstawami nowotworów metodami niemalże chałupniczymi,

skoro dysponujemy nowszymi, które pozwolą istotnie przyśpie-

szyć tempo i rozszerzyć zakres prac? W ostatnich latach poja-

wiło się wiele pomysłów oraz opracowano nowe technologie,

które przekonały największe autorytety w dziedzinie onkologii

i biologii molekularnej o zasadności przeprowadzenia systema-

tycznych, kompleksowych badań nad genomiką nowotworów.

Trzy miliardy par zasad DNA w genomie zdrowych ludzkich

tkanek, odczytane dzięki Projektowi Poznania Ludzkiego Geno-

mu, stanowią solidną podstawę i punkt odniesienia dla Atlasu

Genomu Nowotworowego. Trzeba teraz porównać sekwencje

DNA oraz inne cechy genomu komórek zrakowaciałych i pra-

H U

U U

~Iń3

i 3 W

~źQ

b a a

°ać

5a 1

zooa

P zeelad / W sieci onkosenów

∎ Podłożem złośliwości komórek rakowych są zmiany w strukturze

i aktywności genów.

~WQ

0 .W

d Q C

w2`

•

Poznawanie genów związanych z rozwojem niektórych

nowotworów już dziś wspomaga diagnostykę i leczenie.

~3ć

<ę~

Y W 2

Y w U

z ¢ C

W U v

•

Atlas Genomu Nowotworowego to monumentalne przedsięwzięcie

mające na celu identyfikację wszystkich zmian genetycznych

występujących w różnych typach nowotworów . Dzięki temu

będzie możliwe nakierowanie leczenia na zmiany w genach

odpowiedzialne za rozwój choroby .

2 4

22 ŚWIAT NAUKI

NADZIEJE ONKOLOGII

'q~

w o ~

0 .5

Znamiona komórek rakowych :

nych zachodzących w komórkach nowotworowych przydaje

się w diagnostyce ileczeniu choroby oraz jej zapobieganiu .

Ukazują tym samym w dobrym świetle przyszłe możliwości

- ale równocześnie przypominają o złożoności, czasochłon-

ności i kosztowności proponowanych badań .

W 2001 roku, gdy w Wellcome Trust Sanger Institute roz-

poczynano prace nad wykorzystaniem technologii genomicz-

nych w badaniach nad nowotworami, pierwszym celem pro-

jektu było zoptymalizowanie robotyzacji analiz oraz systemu

zarządzania danymi. Posłużyły do tego próbne oznaczenia

sekwencji 20 genów z 378 próbek tkanek nowotworowych .

Już rok póżniej zespół badawczy natrafił w tym materiale na

prawdziwą żyłę złota: w 70% zbadanych przypadków czer-

niaka złośliwego stwierdzono obecność mutacji genu B-RAF.

Wielu naukowców natychmiast przestawiło swoje laborato-

ria na poszukiwanie możliwości wykorzystania tego odkrycia

w terapii najbardziej śmiercionośnej postaci nowotworów

skóry. Próbowano różnych metod - od klasycznych leków po

małe interferujące kwasy nukleinowe (tzw . siRNA). W bada-

niach wykorzystano modele komórkowe i zwierzęce . Celem

prac było całkowite lub przynajmniej częściowe zahamowa-

nie aktywności B-RAF albo białka zwanego MEK, którego

produkcja w komórkach z mutacją B-RAF jest nadmierna.

Obecnie najskuteczniejsze z tych strategii terapeutycznych

poddawane są już próbom klinicznym .

Inne zespoły badawcze skupiły siły na analizie mutacji

genów w niektórych typach raka piersi, jelita grubego, bia-

łaczek, chłoniaków i innych nowotworów . W ostatecznym

rozrachunku zmierzają do stworzenia molekularnych testów

diagnostycznych i prognostycznych, które pomogłyby w in-

dywidualnym wyborze leku najbardziej odpowiedniego dla

chorego. Genomika nowotworów wspomaga także rozwój

i zastosowanie najnowszych metod terapii .

Przykładem tego jest imatynib (Glivec) . Lek ten zaprojek-

towano tak, by hamował aktywność enzymu zwanego BCR-

-ABL, kodowanego przez zmutowany gen powstały wskutek

połączenia dwóch innych (BCR i ABL). Mutacja ta jest zna-

mienna dla przewlekłej białaczki szpikowej (CML) . Imatynib

okazał się bardzo skutecznym lekiem w tej chorobie . Ostatnio

z dobrym skutkiem zastosowano go także w przypadku kilku

chorób o bardziej skomplikowanym podłożu genetycznym,

takich jak nowotwory zrębu przewodu pokarmowego (GIST

- gastrointestinal stromal tumors), w których powstaniu biorą

udział enzymy podobne do BCR-ABL . Herceptin natomiast,

cząsteczka oddziałująca z receptorem sygnałów komórko-

wych HER2, pomaga w leczeniu raków piersi z nadmierną

liczbą kopii genu HER2, a co za tym idzie, nadprodukcją ko-

dowanego przezeń białka.

Naukowcy próbują także wykorzystać badania profilu mu-

tacji do ustalenia kryteriów wybiórczego podawania niektó-

Sześć cech nadaje nowotworom śmiercionośną zdolność

naciekania tkanek i rozprzestrzeniania się w organizmie .

Niezależność od sygnatów wzrostu

Komórki rakowe wzmacniają zewnętrzne sygnaty wzrostowe

lub wytwarzają wtasne .

Niewrażliwość na sygnaty spowalniające wzrost

Komórki rakowe nie odpowiadają na sygnaty spoczynkowe wysycane

przez sąsiadujące komórki .

Unikanie programowanej śmierci

W komórkach rakowych mechanizmy wywotujące

lub przeprowadzające samozniszczenie komórki uszkodzonej są

wytączone lub kontrolowane.

Nieograniczona zdolność do dzielenia się

Komórki rakowe wymykają się spod kontroli liczby podziatów

cechującej normalne komórki .

Podtrzymywanie wzrostu naczyń krwionośnych

Guzy produkują cząsteczki sygnatowe promujące powstawanie

nowych naczyń krwionośnych, które zapewniają dostęp do tlenu

i sktadników odżywczych .

Inwazyjność i ruchliwość

Komórki raka przezwyciężają wiele sygnatów

i sit, które powinny utrzymywać je

w jednym miejscu i zapobiegać

przemieszczaniu się i zagnieżdżaniu

w innych tkankach .

Na podstawie: Douglas Hanahan

i Robert A . Weinberg „The Hallmarks

of Cancer"; Cell, tom 100, 7 / 2000 .

∎

: .t

widłowych, by wychwycić te zmiany, które odpowiadają za

główne cechy transformacji nowotworowej [ramka poxwżejj.

Projekt Poznania Ludzkiego Genomu pokazał ponadto, ja-

kie znaczenie w tej „wielkoformatowej biologii" ma między-

narodowa współpraca, pozwalająca na skupienie zasobów

i przyśpieszenie odkryć . W Atlasie Genomu Nowotworowego

doświadczenia te zostaną skrzętnie wykorzystane . Wreszcie

realizacja Projektu Poznania Ludzkiego Genomu inspirowała

także niebywały postęp technologiczny . Gdy w 1990 roku roz-

poczynano prace, koszt sekwencjonowania DNA w przelicze-

niu na jeden odczytany nukleotyd wynosił ponad 10 dolarów .

Dziś spadł poniżej 10 centów i szacuje się, że po opracowaniu

nowszych technik jeszcze się obniży [patrz : George M. Church

„Genom dla każdego" ; Świat Nauki, luty 2006]. Dzięki temu

skala projektu Atlasu Genomu Nowotworowego, jeszcze kilka

lat temu całkiem nie do pomyślenia, dziś wydaje się najbardziej

ekonomicznym sposobem zidentyfikowania pełnego zestawu

czynników genetycznych związanych z nowotworami .

c.>

FRANCIS S . COLLINS i ANNA D. BARKER należą do kierownictwa

projektu Atlasu Genomu Nowotworowego (TCGA). Collins jest dy-

rektorem National Human Genome Research Institute, wcześniej

prowadzit Projekt Poznania Ludzkiego Genomu do ukończenia etapu

sekwencjonowania DNA . Barker jest wicedyrektorem ds. zaawan-

sowanych technologii i wspótpracy strategicznej w National Cancer

Institute. Byta odpowiedzialna za badania biotech nologiczne i far-

makologiczne w sektorze publicznym i prywatnym, ze szczególnym

uwzględnieniem walki z rakiem .

Dowód wykonalności

GROMADZENIE srosów DANYCH nie miałoby oczywiście większe-

go sensu, gdyby nie było pewności, że znajomość molekular-

nych podstaw raka pomoże w opiece nad chorymi . Najnowsze

ti badania dowodzą, że poznanie konkretnych zmian genetycz-

WYDANIE SPECJALNE 2009

ŚWIAT NAUKI 23

Geny a rak

Już ponad 100 lat temu niemiecki biolog Theodor Boveri i inni

naukowcy sugerowali istnienie związku pomiędzy zaburzeniami

genetycznymi a nieprawidtowymi cechami komórek nowotwo-

rowych. Jednak dowody, że zmiany genetyczne są bezpośrednią

przyczyną ztośliwienia komórek, naukowcy gromadzą dopiero

od kilkudziesięciu lat. W 1986 roku wysunięto pomyst sekwen-

cjonowania genomu zdrowego cztowieka (Projekt Poznania

Ludzkiego Genomu), aby umożliwić catościowe badania tkanek

rakowych. Prace nad nim zakończono w 2003 roku . W tym roku

rozpoczynają się badania w ramach projektu Atlasu Genomu

Nowotworowego, a ich celem jest opisanie mutacji genów wystę-

pujących w trzech typach nowotworów u ludzi .

Theodor Dover! P .

Badania nieprawidtowości rozdziatu chromosomów

podczas podziatu komórki świadczą o ich roli

w ztośliwieniu tkanki .

tych leków: gefitynibu (Iressy) i erlotynibu (Tarcevy) w raku

płuca oraz bewacyzumabu (Avastinu) w raku płuca, jelita

grubego i innych narządów . Skuteczność tych metod diagno-

styki, prognostyki i terapii, opartych na badaniach DNA, to

niewątpliwy sukces . Nie ulega jednak wątpliwości, że ich lista

byłaby znacznie dłuższa, gdyby naukowcy w ośrodkach aka-

demickich i w sektorze prywatnym znali pełen zestaw zmian

genetycznych w nowotworach.

Najnowsze badania dowodzą niezwykłej skuteczności

wielkoskalowych badań genetycznych, zastosowanych do po-

szukiwania genów odpowiedzialnych za rozwój nowotworów .

Pokazuji też, jak wielkim i skomplikowanym przedsięwzię-

ciem jest projekt Atlasu Genomu Nowotworowego . Zespół ba-

dawczy z Johns Hopkins University zsekwencjonował w 2006

roku około 13 tys . genów w próbkach tkanek nowotworowych

11 chorych na raka jelita grubego i 11 chorych na raka pier-

si. Mutacje mogące mieć wpływ na proces nowotworzenia

znaleziono w prawie 200 genach, z których większość nie

była poprzednio kojarzona z tymi dwoma nowotworami .

Niemniej po kolejnych analizach dokonanych w Broad In-

stitute z Cambridge w stanie Massachusetts do wniosków

tych zgłoszono poważne zastrzeżenia natury statystycznej .

Stwierdzono bowiem, że aby odróżnić mutacje odgrywające

kierowniczą rolę w procesie rozwoju choroby od pozostałych,

będących raczej pasażerami na gapę, trzeba zbadać znacznie

większą liczbę przypadków .

Zakończoną w 2007 roku analizę przeprowadzoną w Na-

tional Human Genome Research Institute w ramach lokalne-

go Tumor Sequencing Project (Projektu Sekwencjonowania

Guzów) oparto na znacznie większej liczbie przypadków,

dość bliskiej już tego, co chcemy osiągnąć w projekcie TCGA .

Sekwencjonując DNA 371 gruczolakoraków płuca i 242 od-

powiednio dobranych próbek prawidłowego narządu wykry-

to krytyczną zmianę genetyczną nigdy wcześniej niewiązaną

z żadnym nowotworem.

Jedną z największych trudności w realizacji takiego pro-

jektu jest odróżnienie mutacji nieistotnych od tych, któ-

re przyczynowo są związane z procesem nowotworzenia .

Pewnym zaskoczeniem było odkrycie, że profile mutacji w no-

wotworach różnych typów są mało do siebie podobne, a co

więcej, nawet w obrębie tego samego typu występuje znaczne

zróżnicowanie profili w próbkach pobranych od różnych pa-

cjentów. To kolejny dowód na to, że transformacja normalnej

komórki w nowotworową może zajść pod wpływem różnych

zestawów mutacji.

Aby pojąć w pełni zakres zamierzeń i nadziei związanych

z programem stworzenia Atlasu Genomu Nowotworowego,

trzeba uświadomić sobie złożoność przeprowadzonych już

badań wstępnych i spróbować wyobrazić sobie ich rozszerze-

nie na ponad 100 typów nowotworów . To wizja, która nawet

weterana Projektu Poznania Ludzkiego Genomu czy doświad-

czonego biologa nowotworów przyprawi o zawrót głowy. Mi-

mo to pionierzy badań molekularnej biologii nowotworów

prą naprzód, przekonani, że gdzieś w zawikłanym genomie

raka znajdą sposób na ratowanie ludzkiego życia.

Mając świadomość skali problemu i korzystając z doświad-

czeń zebranych podczas realizacji TCGA oraz wcześniejszych

studiów, badacze z Azji, Australii, Europy i Ameryki Północ-

nej niedawno ogłosili zamiar powołania Międzynarodowego

Konsorcjum Genomu Rakowego (International Cancer Geno-

-1950-1970

Wiele odkryć pokazuje, że niektóre wirusy mogą indukować

nowotworzenia, wprowadzając swoje geny do komórek .

-1960

Pierwsze doniesienie o związku wady

genetycznej z nowotworami - w komórkach

przewlektej biataczki szpikowej (CML)

wykryto nieprawidtowy chromosom Filadelfia .

-1976

Odkrycie, że gen src, niepochodzący od wirusa, lecz normalnie

obecny w komórkach zwierzęcych, może powodować raka .

-1979

Odkrycie genu p53, jak się póżniej okaże, najczęściej

zmutowanego w ludzkich nowotworach.

-1981

H-RAS zostaje pierwszym opisanym ludzkim onkogenem

(czyli genem, którego mutacja jest rakotwórcza) .

-1983

W komórkach nowotworowych zostają odkryte zaburzenia

metylacji DNA, przypuszczalnie wpływające na poziom

aktywacji genów .

-1986

Renato Dulbecco na tamach Science wzywa

do sekwencjonowania ludzkiego genomu w celu

przyśpieszenia badań nad rakiem .

-1986

Amerykański Departament Energii rozpatruje

wsparcie sekwencjonowania genomu cztowieka,

aby usprawnić badania nad skutkami

promieniowania .

-1986

Identyfikacja pierwszego genu supresorowego

nowotworów, RBl .

-1987

Fuzja genów BCR-ABL w chromosomie Filadelfia okazuje się

odpowiedzialna za rozwój przewlektej biataczki szpikowej .

-1990

Kilkustopniowy model nowotworzenia

unaocznia rolę nagromadzenia zmian

genetycznych w transformacji komórki .

wy_

~=i

-1990

Rozpoczynają się prace nad Projektem

Poznania Ludzkiego Genomu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: