В двух последовательных отчетах, опубликованных в Интернете 17 мая в журнале Cell, исследователи секвенировали геномы 21 вида рака молочной железы и проанализировали мутации, возникшие во время развития опухолей. Индивидуальные результаты описаны ниже.
Под руководством исследователей из Института Сэнгера Wellcome Trust команда создала каталог всех мутаций в геномах 21 ракового генома и определила мутационные процессы, которые приводят к раку груди. Они обнаружили, что эти мутации накапливаются в клетках груди в течение многих лет, сначала довольно медленно, но набирают все большую и большую силу по мере нарастания генетических повреждений.
К тому времени, когда рак груди становится достаточно большим, чтобы его можно было диагностировать, он состоит из ряда генетически связанных семейств клеток, причем одно такое семейство всегда доминирует над раковым заболеванием.
Все виды рака вызваны мутациями, называемыми соматическими мутациями, которые на протяжении всей жизни человека приобретаются в ДНК изначально нормальных клеток. Мало что известно о процессах, лежащих в основе развития многих паттернов соматических мутаций. Эти исследования более глубоко исследуют эволюцию рака груди, открывая ряд новых процессов мутации, которые могут вызывать многие тысячи мутаций в опухоли и стимулировать ее развитие.
Ежегодно в США около 290000 человек заболевают раком груди и около 40000 умирают. Рак груди – самая частая причина всех смертей среди женщин старше 40 лет и вторая по величине причина смерти от рака среди женщин в США после рака кожи.
"Чтобы иметь возможность бороться с раком груди наиболее эффективным способом, нам необходимо полностью понимать процессы, которые его вызывают," объясняет доктор Питер Кэмпбелл, руководитель отдела генетики и геномики рака из Wellcome Trust Sanger Institute. "Полное секвенирование генома рака – не новая концепция, но это первый раз, когда мы смогли полностью вникнуть в геномы рака груди таким тщательным образом. Это дало нам полное панорамное представление о геноме рака и позволило нам идентифицировать мутационные паттерны, а не отдельные мутации в конкретных генах."
Чтобы определить процессы, лежащие в основе рака груди, команда каталогизировала все мутации, возникшие в 21 раке груди. Один из обнаруженных ими процессов характеризовался очагами массовых мутаций в геноме. Этот внезапный «ливень» мутаций часто наблюдается при раке груди. Команда назвала это явление, которое никогда раньше не наблюдалось, kataegis в честь греческого слова “гроза”.
Команда обнаружила, что разные мутационные процессы действуют в разное время на протяжении жизни опухоли груди. Некоторые мутационные процессы действуют на протяжении всей эволюции рака, а некоторые процессы возникают только на поздних стадиях развития рака. Одна конкретная мутационная сигнатура указывает на форму унаследованного рака груди и связана с неспособностью правильно восстанавливать разрывы в ДНК.
"Эти результаты имеют значение для нашего понимания того, как рак груди развивается за десятилетия до постановки диагноза у взрослых, и могут помочь найти возможные цели для улучшения диагностики или терапевтического вмешательства в будущем," говорит профессор Майк Стрэттон, автор и директор Института Сэнгера Wellcome Trust. "Используя возможности секвенирования всего генома, мы смогли получить доступ ко всему геному, а не сосредоточиться на мутациях в определенных регионах."
Аналогичный анализ будет проведен в тысячах раковых геномов в рамках полной программы Международного консорциума по раковым геномам, и команда ожидает, что в процессе будет определено еще много мутационных процессов.
"Мы привыкли думать о дарвиновской эволюции видов путем естественного отбора, происходящего на протяжении веков и тысячелетий. Но при раке и инфекционных заболеваниях аналогичные процессы могут наблюдаться в течение гораздо более коротких периодов времени," говорит сэр Марк Уолпорт, директор Wellcome Trust. "Эти исследования, которые следуют из проекта генома человека, раскрывают эволюционные процессы, которые в конечном итоге приводят к раку груди, что было невозможно всего несколько лет назад.
"Мы начинаем видеть картину мутаций, которая характеризует это заболевание, впервые приближаясь к своей полной сложности. По мере продолжения этой работы мы можем надеяться понять, как развивается рак груди и, следовательно, как его можно лечить более эффективно."
Мутационные процессы, лежащие в основе 21 рака груди:
Команда обнаружила почти 200000 мутаций в геномах 21 рака груди. Изучая мутации от каждого вида рака, они могли различить различные паттерны мутаций, которые, по-видимому, представляют собой следы прошлых мутационных механизмов, которые воздействовали на геномы отдельных клеток в течение жизни пациента. Эти следы подобны археологическим отпечаткам, оставленным в ДНК раковой клетки мутационными процессами, которые могли происходить за много лет до того, как рак привлек внимание. Раньше было мало, если вообще было известно о большинстве этих процессов, и 21 образец рака молочной железы, похоже, подвергся атаке с помощью различных их комбинаций.
"Возникает действительно сложный ландшафт мутаций, где каждый вид рака, по-видимому, возник в результате различной комбинации процессов мутации," говорит профессор Майк Стрэттон.
"В ходе нашего анализа мы раскопали эти раковые геномы, аналогично археологическим раскопкам, и обнаружили образцы мутаций, которые никогда ранее не наблюдались. Мы не знаем наверняка, каковы основные биологические механизмы, вызывающие эти паттерны мутаций. Однако мы подозреваем, что определенные процессы в нормальных клетках, которые генерируют мутации, были сверхактивными и просто вызвали слишком много мутаций, что привело к раку.
"Мы не думаем, что эти паттерны мутаций связаны с внешним воздействием, таким как табачный дым или солнечный свет, которые, как известно, вызывают мутации и рак, но более вероятно, что они связаны с дефектным внутренним клеточным механизмом. Однако для подтверждения этой точки зрения необходима дальнейшая работа."
Один из новых механизмов мутации – замечательный процесс, который приводит к большому количеству мутаций в небольших областях генома. Авторы называют это "kataegis ‟(от греческого для грозы): хотя никогда не описывался ранее, kataegis был замечательно распространен, в некоторой степени встречаясь в геномах 13 из 21 рака груди. Плотные всплески мутаций на каждом участке катаеги, вероятно, произошли в какой-то момент времени, а не накапливались поэтапно за время жизни рака.
"У катаегисов большое количество замещающих мутаций происходит очень близко друг к другу в геноме," говорит доктор Серена Ник-Зайнал, первый автор из Wellcome Trust Sanger Institute. "Они демонстрируют характерный мутационный мотив и часто встречаются вместе с крупномасштабными перестройками: это уникальный мутационный паттерн.
"Мы ожидаем, что это явление не ограничивается раком груди и может влиять на другие виды рака. Современные технологии секвенирования позволяют нам делать открытия, которые были скрыты от нас раньше. "
Паттерн мутаций у катаегисов очень своеобразен, и команда предполагает, что существует связь между катаегисами и семейством белков, APOBEC. Члены этого семейства могут вызывать аналогичные мутационные изменения в экспериментальных системах и, как считается, играют роль в защите от вирусов.
Мутационные процессы, выявленные исследователями, позволили им отличить раковые заболевания у женщин с известными мутациями BRCA1 и BRCA2 от других, более распространенных или спорадических видов рака молочной железы. Команда предполагает, что эти отличительные мутационные паттерны могут присутствовать при других типах рака и могут помочь предсказать реакцию на лечение, такое как ингибиторы PARP, к которым особенно чувствительны раковые образования BRCA1 / BRCA2.
История жизни 21 рака груди:
"Мы хотели посмотреть, сможем ли мы расшифровать эту историю, зашифрованную в геноме каждого из видов рака," объясняет доктор Питер Кэмпбелл. "Все виды рака состоят из набора семейств клеток. Последовательности всего генома раскрывают генетические данные об их возникновении с течением времени и позволяют проследить дивергенцию клетки с образованием различных семейств."
По мере того, как клетки делятся и размножаются, мутации накапливаются естественным образом: команда обнаружила, что по мере того, как эти мутации накапливаются в клетке, изменения приводят к дивергенции рака в разные подгруппы или клоны. Ученые показали, что появление различных клонов было универсальным в изученных ими раковых опухолях молочной железы.
Они также показали, что один субклон становится доминирующей популяцией раковых клеток. На этот доминирующий субклон приходится более 50 процентов опухолевых клеток во всех проанализированных раковых опухолях молочной железы, и только когда этот субклон вырастет достаточно популярен, опухоль становится клинически обнаруживаемой. Он отличается от других клонов, присутствующих в опухоли, на многие сотни или тысячи мутаций, что указывает на то, что эта последняя стадия возникновения рака может занять довольно много времени.
"Мы провели глубокие раскопки ДНК опухоли," говорит доктор Серена Ник-Зайнал, "впервые раскрывая тонкую структуру геномов рака груди. Мы взяли все эти данные и интегрировали их, чтобы построить эволюционное дерево рака.
"Этот метод позволил нам определить, когда происходит расхождение, какие процессы участвуют в различных стадиях эволюции рака, а также долю каждого субклона, присутствующего в опухолях."
Команда обнаружила, что некоторые мутационные процессы действуют на протяжении всей эволюции рака, а некоторые процессы присутствуют только довольно поздно в развитии рака после того, как произошло расхождение.
Например, у четырех из раковых заболеваний было много дополнительных копий гена, который является мишенью препарата Герцептин. Команда обнаружила, что первые несколько дополнительных копий гена были получены на очень ранней стадии развития рака груди, но раку потребовалось гораздо больше времени, чем ожидалось, чтобы накопить все лишние 20-30 копий.
"Современные методы лечения рака не принимают во внимание субклональное разнообразие и часто нацелены только на доминирующий субклон," объясняет профессор Майк Стрэттон. "Это оставляет возможность того, что один из второстепенных субклонов затем будет реплицироваться и станет доминирующим, что приведет к повторному возникновению опухоли.
"Понимание субклонального разнообразия при раке груди является ключевой частью наиболее эффективного лечения этого деструктивного рака. Это исследование формирует основу для выявления субклонов, как второстепенных, так и доминирующих."
Эти результаты имеют важное значение для нашего понимания того, как развивается рак груди за десятилетия до постановки диагноза. Следующим шагом этого исследования является секвенирование большего количества геномов и типов рака, а также уточнение существующих методов.