Genomika raka mózgu

Zalew danych z sekwencjonowania pozwala badaczom odkryć, w jaki sposób nowotwory różnią się od siebie i co taka zmienność oznacza dla strategii leczenia. W 2016 r. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) ogłosiła nowe podejście do klasyfikacji glejaka, dominującej postaci raka mózgu u dorosłych. Zamiast oferować diagnozę głównie na podstawie wyglądu komórek w guzie, jak to zrobiły poprzednie wytyczne WHO, zaktualizowana rubryka opiera się na analizie genomu guza.

Schemat WHO dzieli osoby z glejakiem na grupy diagnostyczne zgodnie z obecnością dwóch zmian genetycznych. Jednym z nich jest mutacja w genach należących do rodziny, która koduje enzym dehydrogenazę izocitrate (IDH), która pomaga komórkom wytwarzać energię. Druga to utrata dwóch określonych fragmentów genomu, zjawisko znane jako ko-usunięcie. Razem te zmiany dostarczają mocnych informacji na temat rokowania pacjenta (osoby zarówno z mutacją IDH, jak i z jednoczesnym usunięciem mają najlepsze wyniki, podczas gdy te, u których żadna z nich nie jest najgorsza), a także wskazówki, które leczenie może być odpowiednie.

„Glejaki są doskonałym przykładem tego, gdzie diagnostyka molekularna naprawdę zmieniła opiekę nad pacjentem” – mówi Robert Jenkins, genetyk raka w Mayo Clinic w Rochester, Minnesota. „Znajomość różnych podtypów jest znacznie większa w przypadku guzów mózgu w porównaniu do innych nowotworów”.

Dzięki licznym badaniom sekwencjonowania genomu na dużą skalę wiedza na temat genetyki raka mózgu znacznie wykracza poza dwie zmiany diagnostyczne. W glejakach zidentyfikowano mutacje w setkach genów. Wyzwania obejmują teraz rozwikłanie mechanizmów biologicznych, które powodują te zmiany, zrozumienie, które zmiany wpływają na rokowanie i reakcję osoby na terapię oraz w jaki sposób, i wyjaśnienie, dlaczego zmiany występują w określonych wzorach. „Nie wystarczy po prostu skatalogować mutacje” – mówi Benjamin Deneen, biolog rakowy w Baylor College of Medicine w Houston w Teksasie. „Ważne jest, aby zdekodować, co to wszystko znaczy. I jesteśmy teraz w erze dekodowania ”.

Zidentyfikowano sprawców

Jeszcze zanim dostępna była analiza molekularna podtypów nowotworów, neuro-onkolodzy wiedzieli, że osoby z glejakiem zwanym oligodendroglioma mają tendencję do lepszej odpowiedzi na chemioterapię i mają lepsze rokowanie ogólnie niż u osób z innym typem glejaka zwanym gwiaździakiem. Początkowo te dwa glejaki różniły się wyglądem i innymi cechami klinicznymi: na przykład oligodendrogliomy zawierają komórki o charakterystycznym kształcie, który przypomina smażone jajo, a gwiaździaki mają tendencję do występowania u młodszych pacjentów.

Ale dokonanie tego rozróżnienia jest bardziej sztuką niż nauką. Glejaki mogą zawierać komórki o wspólnych cechach obu. Mogą również zawierać mieszankę komórek przypominających oligodendrocytoma i gwiaździaka. Różni neuropatolodzy mieli różne nawyki diagnozowania: niektórzy rzadko przypisywali guzy do kategorii oligodendrocytoma, podczas gdy inni robili to z łatwością.

Następnie pod koniec 2000 roku naukowcy pod kierunkiem Berta Vogelsteina z Johns Hopkins University w Baltimore w stanie Maryland odkryli mutacje w genie IDH1 u około 12% osób z glejakiem znanym jako glejak wielopostaciowy (GBM) 1 – zwykle jeden z najbardziej agresywne formy raka mózgu. Ci, którzy mieli takie mutacje, byli bardziej skłonni znieść ponure tendencje choroby do długoterminowego przetrwania. Kierując się tym odkryciem, zespół przyjrzał się innym typom glejaków i ponownie był w stanie zidentyfikować mutacje IDH1 u części badanych.

„Odkryliśmy, że wszyscy pacjenci, którzy mają lepsze przeżycie, mają mutacje IDH1”, mówi Hai Yan, neuro-onkolog z Duke University School of Medicine w Durham w Północnej Karolinie. Wkrótce stwierdzono również, że mutacje w blisko spokrewnionym genie, IDH2, zapowiadają dłuższe czasy przeżycia.

Tymczasem z badań nieprawidłowości, które wpływają na duże fragmenty genomu, wyłonił się inny marker predykcyjny glejaka. Na początku lat dziewięćdziesiątych naukowcy pod przewodnictwem Jenkinsa odkryli, że w niektórych glejakach brakowało części chromosomu 192. W tym samym czasie międzynarodowa grupa naukowców zidentyfikowała część chromosomu 1, której czasami brakowało w takich guzach. Obie zmiany były związane z lepszym rokowaniem.

Kilka lat później naukowcy ustalili, że dwa prawie zawsze występowały razem – wzorzec, który stał się znany jako ko-usunięcie 1p i 19q. Jenkins współpracował również z zespołem naukowców ze Stanów Zjednoczonych i Kanady, aby wykazać, że osoby z glejakiem, które odpowiedziały na chemioterapię prokarbazyną-lomustyną-winkrystyną, miały zwykle guzy z ko delecją 1p i 19q. Stało się to jednym z pierwszych dowodów na to, że markery molekularne w raku mózgu można wykorzystać do podjęcia decyzji dotyczących leczenia.

Zagadka klasyfikacji

Odkrycie tych markerów molekularnych zrewolucjonizowało diagnostykę glejaka i zaostrzyło niegdyś rozmyte kategorie, które są wykorzystywane do ustalenia prognozy. „Zamiast klasyfikować pacjenta na podstawie wyglądu ich szkiełek, możemy sklasyfikować ich ze znacznie większą pewnością poprzez zmiany molekularne”, mówi Cameron Brennan, neurochirurg w Memorial Sloan Kettering Cancer Center w Nowym Jorku.

Zaktualizowany schemat WHO nadal uwzględnia wygląd komórek, ale wykorzystuje markery genetyczne jako bardziej precyzyjny sposób różnicowania typów nowotworów. Zasadniczo oligodendrogliomy muszą posiadać zarówno mutację IDH, jak i ko-delecję 1p i 19q. Glejaki z mutacją IDH, ale nienaruszone regiony genomowe 1p i 19q są klasyfikowane jako gwiaździaki, podobnie jak te, które nie mają mutacji IDH.

Klasyfikacja molekularna umożliwia onkologom pewniejsze przepisywanie chemioterapii, radioterapii lub kombinacji – nawet jeśli guz danej osoby ma wygląd pośredni. Podając wskazówki na temat tego, jak agresywny może być guz, program pomaga lekarzom wyważyć ryzyko i korzyści wynikające z różnych strategii chirurgicznych.

Mylące wydaje się, że mutacja IDH zarówno wprawia glejaki w ruch, jak i łagodzi ich nasilenie. Ponieważ kilka rodzajów raka mózgu ma wspólne mutacje IDH, zmiana ta może być wczesnym wydarzeniem w rozwoju guza. „IDH jest prawdopodobnie genem strażnika guzów mózgu”, mówi Yan.

Jednak naukowcy nie są pewni, w jaki sposób mutacja IDH przyczynia się do złośliwości komórek. Wiedzą, że zmutowane enzymy IDH pobudzają ogromną nadprodukcję metabolitu zwanego 2-hydroksyglutaranem. Ten związek zasadniczo zmienia wzorce na DNA markerów epigenetycznych – molekularnych „przełączników”, które mogą włączać lub wyłączać geny. Ale przy tak wielu takich zmianach zachodzących w guzach, może być trudno wytrącić te, które są najważniejsze dla powstawania nowotworów, nie mówiąc już o określeniu, które czynniki popychają niektóre guzy z mutacją IDH, aby przekształciły się w oligodendrogliomy, a inne gwiaździaki.

Niemniej jednak znaczenie mutacji IDH w glejaku i innych nowotworach zachęciło do opracowania leków blokujących zmutowane enzymy IDH. Mamy nadzieję, że takie leki mogą pomóc w zapobieganiu późniejszym zmianom epigenetycznym, umożliwiając komórkom normalne różnicowanie. Lek ukierunkowany na zmutowane IDH2 został zatwierdzony do stosowania u osób z ostrą białaczką szpikową w 2017 r. Jak dotąd trudniej było zająć się guzami litymi, ale badania I i II fazy przynajmniej pięciu leków skierowane przeciwko IDH1 lub IDH2 u ludzi z guzami mózgu są w toku.

Opowieść o telomerze

Badania genomiczne na dużą skalę zidentyfikowały setki zmian genetycznych w raku mózgu. „Mamy teraz duży zbiór wiedzy na temat tego, co można znaleźć w guzie pacjenta” – mówi Sidi Chen, genetyk z Yale School of Medicine w West Haven w Connecticut. On i jego koledzy próbują teraz ustalić znaczenie tych mutacji, aby można je było wykorzystać do ukierunkowania spersonalizowanych decyzji dotyczących leczenia.

Chen do swoich badań stosuje narzędzie do edycji genów CRISPR – Cas9 do modelu myszy. Technologia, mówi Chen, pozwala mu „przybliżyć, które geny i kombinacje genetyczne są ważniejsze niż inne”. W 2017 r. Zespół Chena poinformował, że mutacje w dwóch genach, Zc3h13 i Pten, mogą uczynić komórki rakowe odpornymi na popularny lek chemioterapeutyczny5. Zidentyfikowano również pary mutacji, które są wystarczające do spowodowania GBM.

Komórki nowotworowe muszą mieć mechanizm utrzymywania struktur zwanych telomerami, które znajdują się na końcach chromosomów i odgrywają rolę w starzeniu się komórek. W normalnych komórkach telomery skracają się z czasem, aż komórki nie są już w stanie się podzielić. Ale w guzach telomery pozostają długie, nadając komórkom nieśmiertelność.

Niektóre guzy GBM niosą mutacje w regionie DNA zwanym promotorem TERT. Mutacje te prowadzą do nadekspresji katalitycznej podjednostki telomerazy, enzymu, który dodaje powtórzenia DNA na końcach telomerów, aby utrzymać je nienaruszone. Inni niosą mutację w genie ATRX, co prowadzi do zjawiska znanego jako alternatywne wydłużanie telomerów (ALT).

Te dwa mechanizmy przyczyniają się do utrzymania telomerów w wielu formach raka. Jednak naukowcy nie byli pewni, w jaki sposób utrzymywane są telomery w guzach GBM, które nie niosą mutacji w promotorze TERT lub ATRX. W tym roku grupa Yana odkryła, że ​​takie guzy mogą mieć przegrupowania chromosomowe, które zakłócają gen TERT6, tworząc kolejną drogę do nadekspresji telomerazy. Odkryli także inny gen, zwany SMARCAL1, który może zmutować proces ALT po zmutowaniu.

Te cztery zmiany genetyczne mogą wyjaśnić zachowanie telomerów w prawie wszystkich guzach GBM. Yan uważa, że ​​jego wyniki otworzą możliwość zindywidualizowanego leczenia, które może być ukierunkowane na specyficzne dla każdego guza nieprawidłowości genetyczne związane z telomerem. „Każdy pacjent: masz dla nich odpowiedź” – mówi. „To niesamowite.”

Dziedzictwo rodzinne
Kolejnym elementem układanki genetyki raka mózgu jest ryzyko odziedziczone. W badaniach asocjacyjnych obejmujących cały genom zidentyfikowano specyficzne warianty związane z rozwojem choroby. Około 40% osób z oligodendrogliomami lub gwiaździakami z mutacją IDH ma odmianę znaną jako polimorfizm pojedynczego nukleotydu (SNP) w regionie 8q24 genomu. Kolejny SNP, który wydaje się zwiększać ryzyko raka mózgu ze zmutowanym IDH, znajduje się w regionie 11q23. Ale niewiele wiadomo na temat mechanizmów tych powiązań.

Około 5–8% glejaków jest rodzinnych, co oznacza, że ​​występują u osób z co najmniej jednym innym bliskim biologicznym krewnym, który miał glejaka, mówi Melissa Bondy, epidemiolog z Baylor College of Medicine. W 2014 r. Zespół Bondy zidentyfikował pierwszy gen związany z glejakiem rodzinnym, POT17. Jej zespół odkrył mutacje POT1 w 6 z prawie 300 rodzin glejaków, które badał, co Bondy opisuje jako „częściowy bieg domowy”. Zidentyfikował także prawie 20 innych genów, które mogą przyczynić się do odziedziczonego ryzyka.

Glejaki rodzinne i nierodzinne wydają się obejmować podobne mechanizmy chorobowe. „Występuje w nieco młodszym wieku” u osób z historią raka w rodzinie, mówi Bondy. Ale „Kiedy spojrzymy na mechanizm biorący udział w nowotworzeniu glejaka, wygląda na to, że nie ma różnicy”.

Bondy ma nadzieję na zatrudnienie większej liczby rodzin dotkniętych glejakiem, aby dowiedzieć się, w jaki sposób POT1 i inne zidentyfikowane przez nią geny wpływają na rokowanie i odpowiedź na leczenie. Aby dowiedzieć się więcej o tym, w jaki sposób te geny przyczyniają się do powstawania nowotworów mózgu, współpracuje z Deneen, która opracowała model myszy CRISPR – Cas9 w celu oceny wpływu różnych mutacji tego samego genu na rozwój glejaka.

Więcej z prognoz natury
Deneen twierdzi, że badanie to kwestionuje model „genotypu raka”, w którym geny zmutowane w wielu formach raka uważa się za ważne dla wszystkich z nich. Zamiast tego „Warianty, które prowadzą do jednej postaci raka, niekoniecznie prowadzą do innych postaci raka”.

Co więcej, dwa warianty tego samego genu mogą zachowywać się na bardzo różne sposoby – jeden może być ważny, aby komórka stała się złośliwa, podczas gdy drugi jest tuż przy jeździe. Lub dwa warianty tego samego genu mogą powodować raka o rozbieżnych cechach. „Możemy zasadniczo spojrzeć na pojedynczą różnicę aminokwasową i zobaczyć drastyczne zmiany” – mówi Deneen. To sugeruje, że nadchodzi era jeszcze głębszego dekodowania mutacji związanych z glejakiem.

źródło : https://www.nature.com/articles/d41586-018-06711-8