Sekwencjonowanie genomu raka

Sekwencjonowanie genomu raka to sekwencjonowanie całego genomu pojedynczej, jednorodnej lub heterogennej grupy komórek rakowych. Jest to biochemiczna metoda laboratoryjna służąca do charakteryzowania i identyfikacji sekwencji DNA lub RNA komórek nowotworowych.

W przeciwieństwie do sekwencjonowania całego genomu (WG), które zwykle pochodzi z komórek krwi, takich jak projekty sekwencjonowania WG J. Craiga Ventera i Jamesa D. Watsona , śliny, komórek nabłonka lub kości - sekwencjonowanie genomu raka obejmuje bezpośrednie sekwencjonowanie pierwotnej tkanki nowotworowej sąsiadującą lub dystalną normalną tkankę, mikrośrodowisko guza, takie jak fibroblasty/komórki zrębu lub miejsca przerzutów nowotworu.

Podobnie jak w przypadku sekwencjonowania całego genomu, informacje generowane tą techniką obejmują: identyfikację zasad nukleotydowych (DNA lub RNA), liczbę kopii i wariantów sekwencji, status mutacji oraz zmiany strukturalne, takie jak translokacje chromosomalne i geny fuzyjne .

Sekwencjonowanie genomu raka nie ogranicza się do sekwencjonowania WG i może również obejmować egzom , transkryptom , sekwencjonowanie mikronomu i profilowanie sekwencji końcowej . Metody te można stosować do ilościowego określania ekspresji genów , ekspresji miRNA i identyfikowania alternatywnych zdarzeń splicingowych oprócz danych dotyczących sekwencji.

Pierwszy raport na temat sekwencjonowania genomu raka pojawił się w 2006 roku. W tym badaniu zsekwencjonowano 13 023 genów w 11 guzach piersi i 11 guzach jelita grubego. Kolejna obserwacja została opublikowana w 2007 roku, kiedy ta sama grupa dodała nieco ponad 5000 dodatkowych genów i prawie 8000 gatunków transkryptów, aby uzupełnić egzomy 11 guzów piersi i jelita grubego. Pierwszy cały genom raka, który został zsekwencjonowany, pochodził z cytogenetycznie prawidłowej ostrej białaczki szpikowej przez Ley i in. w listopadzie 2008 r. Pierwszy guz raka piersi został zsekwencjonowany przez Shaha i in. w październiku 2009 r. pierwsze guzy płuc i skóry przez Pleasance i in. w styczniu 2010 r. oraz pierwsze guzy prostaty przez Bergera i in. w lutym 2011 r.

Historia

Historycznie rzecz biorąc, wysiłki związane z sekwencjonowaniem genomu raka były podzielone między projekty sekwencjonowania oparte na transkryptomie i wysiłki skoncentrowane na DNA.

Projekt Cancer Genome Anatomy Project (CGAP) został po raz pierwszy sfinansowany w 1997 r. w celu udokumentowania sekwencji transkryptów RNA w komórkach nowotworowych. Wraz z rozwojem technologii CGAP rozszerzył swoje cele o określenie profili ekspresji genów w tkankach rakowych, przedrakowych i prawidłowych.

CGAP opublikował największą publicznie dostępną kolekcję znaczników sekwencji wyrażanych w raku w 2003 r.

Projekt genomu raka Sanger Institute , po raz pierwszy sfinansowany w 2005 r., koncentruje się na sekwencjonowaniu DNA. Opublikowano spis genów związanych przyczynowo z rakiem oraz szereg ekranów ponownego sekwencjonowania całego genomu pod kątem genów związanych z rakiem.

Międzynarodowe Konsorcjum Genomu Raka (ICGC) zostało założone w 2007 roku w celu zintegrowania dostępnych danych genomicznych , transkryptomicznych i epigenetycznych z wielu różnych grup badawczych. Według stanu na grudzień 2011 r. ICGC obejmuje 45 zaangażowanych projektów i dysponuje danymi z 2961 dostępnych genomów nowotworów.

Wpływ społeczny

Złożoność i biologia raka

Proces onkogenezy, który przekształca normalną komórkę w komórkę rakową, obejmuje szereg złożonych zmian genetycznych i epigenetycznych . Identyfikację i charakterystykę wszystkich tych zmian można przeprowadzić za pomocą różnych strategii sekwencjonowania genomu raka.

Siła sekwencjonowania genomu raka leży w heterogeniczności nowotworów i pacjentów. Większość nowotworów ma różne podtypy, aw połączeniu z tymi „wariantami raka” są różnice między podtypem raka u jednej osoby i u innej osoby. Sekwencjonowanie genomu raka pozwala klinicystom i onkologom zidentyfikować specyficzne i unikalne zmiany, które przeszedł pacjent, aby rozwinąć się u niego nowotwór. Na podstawie tych zmian można podjąć spersonalizowaną strategię terapeutyczną.

Znaczenie kliniczne

Duży wkład w śmierć z powodu raka i nieudane leczenie raka ma ewolucja klonalna na poziomie cytogenetycznym, na przykład w przypadku ostrej białaczki szpikowej (AML). W badaniu Nature opublikowanym w 2011 r. Ding i in. zidentyfikowali frakcje komórkowe charakteryzujące się powszechnymi zmianami mutacyjnymi, aby zilustrować heterogeniczność konkretnego guza przed i po leczeniu w porównaniu z normalną krwią u jednego osobnika.

Te frakcje komórkowe można było zidentyfikować jedynie poprzez sekwencjonowanie genomu raka, pokazując informacje, które może dostarczyć sekwencjonowanie, oraz złożoność i heterogeniczność guza u jednej osoby.

Kompleksowe projekty genomiki raka

Dwa główne projekty skupiające się na pełnej charakterystyce raka u poszczególnych osób, w dużym stopniu obejmujące sekwencjonowanie, to Cancer Genome Project , oparty na Wellcome Trust Sanger Institute oraz Cancer Genome Atlas finansowany przez National Cancer Institute (NCI) i National Human Genome Research Institute ( NHGRI). W połączeniu z tymi wysiłkami Międzynarodowe Konsorcjum Genomu Raka (większa organizacja) jest dobrowolną organizacją naukową, która zapewnia forum współpracy między czołowymi światowymi badaczami zajmującymi się rakiem i genomiką.

Projekt genomu raka (CGP)

Celem Cancer Genome Projects jest identyfikacja wariantów sekwencji i mutacji krytycznych w rozwoju ludzkich nowotworów. Projekt obejmuje systematyczne badania przesiewowe genów kodujących i flankujących połączeń splicingowych wszystkich genów w ludzkim genomie pod kątem nabytych mutacji w ludzkich nowotworach. Aby zbadać te zdarzenia, zestaw próbek do odkrycia będzie zawierał DNA z pierwotnego guza, normalną tkankę (od tych samych osób) i rakowe linie komórkowe. Wszystkie wyniki tego projektu są łączone i przechowywane w bazie danych raka COSMIC . COSMIC obejmuje również dane mutacyjne opublikowane w literaturze naukowej.

Atlas genomu raka (TCGA)

TCGA to wieloinstytucjonalny wysiłek mający na celu zrozumienie molekularnych podstaw raka za pomocą technologii analizy genomu, w tym technik sekwencjonowania genomu na dużą skalę. Setki próbek są zbierane, sekwencjonowane i analizowane. Obecnie pobierane są tkanki nowotworowe: ośrodkowego układu nerwowego, piersi, przewodu pokarmowego, ginekologiczne, głowy i szyi, hematologiczne, piersiowe i urologiczne.

Komponenty sieci badawczej TCGA obejmują: podstawowe zasoby biopróbek, centra charakteryzacji genomu, centra sekwencjonowania genomu, centra charakteryzacji proteomu, centrum koordynacji danych i centra analizy danych genomu. Każdy typ nowotworu zostanie poddany kompleksowej charakterystyce i analizie genomowej. Wygenerowane dane i informacje są swobodnie dostępne za pośrednictwem portalu danych projektów TCGA.

Międzynarodowe Konsorcjum Genomu Raka (ICGC)

Celem ICGC jest „Otrzymanie kompleksowego opisu zmian genomowych, transkryptomicznych i epigenomicznych w 50 różnych typach i/lub podtypach nowotworów, które mają znaczenie kliniczne i społeczne na całym świecie”.

Technologie i platformy

Sekwencjonowanie drugiej generacji

Sekwencjonowanie trzeciej generacji

Sekwencjonowanie genomu raka wykorzystuje tę samą technologię, co sekwencjonowanie całego genomu. Historia sekwencjonowania przeszła długą drogę, zapoczątkowaną w 1977 roku przez dwie niezależne grupy - technikę enzymatycznego sekwencjonowania didoksy DNA Fredricka Sangera oraz technikę chemicznej degradacji Allena Maxama i Waltera Gilberta. Po tych przełomowych artykułach, ponad 20 lat później narodziło się wysokowydajne sekwencjonowanie nowej generacji „drugiej generacji” (HT-NGS), a następnie „technologia HT-NGS trzeciej generacji” w 2010 r. Liczby po prawej ilustrują ogólny rurociąg biologiczny i firm zajmujących się sekwencjonowaniem HT-NGS drugiej i trzeciej generacji.

Trzy główne platformy drugiej generacji obejmują Roche/454 Pyro-sekwencjonowanie , sekwencjonowanie ABI/SOLiD przez ligację oraz technologię sekwencjonowania amplifikacji mostkowej firmy Illumina . Trzy główne platformy trzeciej generacji obejmują sekwencjonowanie pojedynczej molekuły w czasie rzeczywistym (SMRT) firmy Pacific Biosciences , sekwencjonowanie Oxford Nanopore i sekwencjonowanie półprzewodników jonowych .

Analiza danych

Przebieg pracy sekwencjonowania guza od biopsji do zalecenia leczenia.

Podobnie jak w przypadku każdego projektu sekwencjonowania genomu, odczyty muszą zostać zebrane , aby utworzyć reprezentację sekwencjonowanych chromosomów. W przypadku genomów raka zwykle odbywa się to poprzez dopasowanie odczytów do ludzkiego genomu referencyjnego .

Ponieważ nawet komórki nienowotworowe gromadzą mutacje somatyczne, konieczne jest porównanie sekwencji guza z dopasowaną prawidłową tkanką, aby odkryć, które mutacje są unikalne dla nowotworu. W przypadku niektórych nowotworów, takich jak białaczka, niepraktyczne jest dopasowanie próbki raka do normalnej tkanki, dlatego należy użyć innej tkanki nienowotworowej.

Oszacowano, że odkrycie wszystkich mutacji somatycznych w guzie wymagałoby 30-krotnego pokrycia sekwencjonowania genomu guza i dopasowanej prawidłowej tkanki. Dla porównania, oryginalny szkic ludzkiego genomu miał około 65-krotne pokrycie.

Głównym celem sekwencjonowania genomu raka jest identyfikacja mutacji kierujących: zmian genetycznych, które zwiększają tempo mutacji w komórce, prowadząc do szybszej ewolucji guza i przerzutów. Trudno jest określić mutacje kierowcy na podstawie samej sekwencji DNA; ale czynniki napędzające są zwykle najczęściej występującymi mutacjami wśród nowotworów, skupiają się wokół znanych onkogenów i zwykle nie milczą. Mutacje pasażera, które nie są istotne w postępie choroby, są losowo rozmieszczone w całym genomie. Oszacowano, że przeciętny guz jest nosicielem około 80 mutacji somatycznych, z których mniej niż 15 ma być kierowcami.

Analiza personalno-genomiczna wymaga dalszej charakterystyki funkcjonalnej wykrytych zmutowanych genów oraz opracowania podstawowego modelu pochodzenia i progresji nowotworu. Analiza ta może być wykorzystana do sformułowania zaleceń dotyczących leczenia farmakologicznego. Od lutego 2012 r. robiono to tylko w przypadku badań klinicznych pacjentów, których celem była ocena osobistego podejścia do genomiki w leczeniu raka.

Ograniczenia

Wielkoskalowy ekran mutacji somatycznych w nowotworach piersi i jelita grubego wykazał, że wiele mutacji o niskiej częstotliwości ma niewielki wpływ na przeżycie komórek. Jeśli przeżycie komórek zależy od wielu mutacji o niewielkim efekcie, jest mało prawdopodobne, że sekwencjonowanie genomu odkryje pojedynczy cel „pięty achillesowej” dla leków przeciwnowotworowych. Jednak mutacje somatyczne mają tendencję do skupiania się w ograniczonej liczbie szlaków sygnałowych, które są potencjalnymi celami leczenia.

Nowotwory to heterogenne populacje komórek. Kiedy dane dotyczące sekwencji pochodzą z całego guza, informacje o różnicach w sekwencji i wzorze ekspresji między komórkami są tracone. Trudność tę można złagodzić za pomocą analizy pojedynczej komórki.

Klinicznie istotne właściwości nowotworów, w tym oporność na leki, są czasami spowodowane rearanżacjami genomu na dużą skalę, a nie pojedynczymi mutacjami. W takim przypadku informacje o wariantach pojedynczych nukleotydów będą miały ograniczoną użyteczność.

Sekwencjonowanie genomu raka może być wykorzystane do dostarczenia klinicznie istotnych informacji u pacjentów z rzadkimi lub nowymi typami nowotworów. Przełożenie informacji o sekwencji na kliniczny plan leczenia jest bardzo skomplikowane, wymaga ekspertów z wielu różnych dziedzin i nie gwarantuje skutecznego planu leczenia.

przypadkowo

Incydentalom to zestaw wykrytych wariantów genomowych niezwiązanych z badanym rakiem . (Termin jest grą nazwy incydentaloma , która oznacza guzy i narośla wykryte przez przypadek w obrazowaniu całego ciała). Wykrycie takich wariantów może skutkować podjęciem dodatkowych działań, takich jak dalsze badania lub zmiana stylu życia.

Zobacz też

Linki zewnętrzne