Когда Леланд Данвуди, студент-исследователь в области биохимии, обратился к своему PI с просьбой начать исследование "некоторые человеческие вещи" весной 2016 года он не предполагал, что это приведет к открытию 22 генов, которые участвуют в глиобластоме, самом агрессивном типе рака мозга.
"Я определенно приехал в Клемсон не с мыслями об исследованиях рака мозга," Данвуди сказал. "Я работал над проектом с виноградом и другими растениями. Я сказал доктору. (Алекс) почувствовал, что я хотел сделать что-то человеческое, и он сказал: ‘Это круто – возьми орган.’ "
Посоветовавшись с семьей – изучать мозг или сердце? – Данвуди остановился на мозге, а именно на раке мозга. Предыдущая летняя стажировка в Институте Ван Андела подстегнула его интерес к исследованиям рака.
Перенесемся через два года вперед, к публикации в январе 2018 года в журнале Oncotarget, и исследование Данвуди является первым, описывающим взаимосвязь коэкспрессии специфичных для глиобластомы генов между группой из 22 специфических генов.
В новостях упоминается, что болезнь, поразившая сенатора Джона Маккейна и Бо Байдена, покойного сына У.S. Вице-президент Джо Байден, глиобластома очень злокачественная и характеризуется летальностью. Среднее время выживания пациентов с глиобластомой составляет всего 14 лет.6 месяцев после постановки диагноза.
"Как и многие другие опухоли, заболевания и сложные признаки, глиобластома контролируется множеством генетических и эпигенетических факторов," Данвуди сказал. "Если бы существовал один главный регулятор этих видов рака, мы бы сказали: «Мы собираемся лечить его и спасать миллионы жизней каждый год», но с глиобластомой происходит больше вещей, чем у нас. в настоящее время может идентифицировать."
Однако сложность глиобластомы подходит для исследования в лаборатории системной генетики профессора Фелтуса на факультете генетики и биохимии, где Данвуди учится. Системная генетика, как следует из названия лаборатории, использует компьютерные и математические подходы для анализа биологических систем, таких как гены и регуляторные пути.
Чтобы сделать открытие, Данвуди сначала собрал данные из двух общедоступных онлайн-баз данных для получения геномной информации: Атласа генома рака (TCGA) и Национального центра биотехнологической информации (NCBI).
Из TCGA было загружено более 2000 наборов данных об экспрессии опухолей, каждый из которых подробно описывает, чем опухолевые клетки отличаются от нормальных клеток на генетическом уровне. В данные были включены пять различных типов опухолей, в том числе опухоли мочевого пузыря, яичников, щитовидной железы, глиомы более низкой степени и глиобластомы.
Более 2000 наборов данных, каждый из которых показывает примерно 75000 генов, были затем организованы в матрицу экспрессии генов (GEM), таблицу, которая количественно определяет уровень экспрессии каждого гена в каждом образце. Например, один из генов, извлеченных из TCGA, называемый LAPTM5, кодирует белок, который участвует в образовании клеток крови. В матрице экспрессии генов LAPTM5 оценивался по каждому типу опухоли, чтобы определить, является ли он чрезмерно активным (сверхэкспрессируется) или недостаточно активен (недоэкспрессирован) в одном типе опухоли по сравнению с другим, на что указывает числовой рейтинг. Затем такой же процесс оценки был проведен для 74 999 оставшихся генов пяти типов опухолей в данных TCGA.
Отдельный GEM, включающий 210 000 генов из 204 наборов данных из базы данных NCBI, включая образцы нормального мозга, образцы мозга глиобластомы и образцы мозга пациентов с болезнью Паркинсона, был создан независимо для сравнения. Уилл Полман, аспирант Лаборатории системной генетики, помогал Данвуди в подготовке этих GEM.
Используя новое компьютерное программное обеспечение, разработанное Фелтусом и бывшим аспирантом Стивеном Фиклином, который сейчас является доцентом Вашингтонского государственного университета, Данвуди смог преобразовать GEM в две разные сети коэкспрессии генов (GCN), визуальное представление данные, которые дают представление о том, как гены взаимодействуют друг с другом.
Программный пакет, известный как Knowledge Independent Network Construction (KINC), является новинкой в том, что он обнаруживает взаимосвязи экспрессии между генами без необходимости проведения исследователями каких-либо предварительных анализов. Этот независимый от знаний метод уменьшает количество "шум" – из лабораторных протоколов или из-за естественных вариаций между клетками, которые могут предотвратить обнаружение генетических взаимодействий.
"С помощью двух GCN мы обнаружили группу из 22 генов, которые коэкспрессировались в одном модуле как в сети Атласа генома рака, так и в сети мозга NCBI," Данвуди сказал. "Только около 70 генов перекрывались между двумя сетями, и 22 из них находились в одном модуле – одной и той же группе коэкспрессируемых генов. Перекрытие было действительно легко заметить."
Хотя заманчиво думать, что гены, многие из которых функционируют в иммунной системе, подпитывают друг друга, влияя на глиобластому, Данвуди говорит, что это не совсем так.
"Сложно сказать, что они работают вместе, потому что это корреляции. Таким образом, если человек А пробегает восемь миль в тот же день, что и человек Б, пробегает восемь миль, это не обязательно означает, что они бегают вместе," Данвуди сказал. "Более вероятно, что эти гены регулируются таким же образом, и, вероятно, есть несколько факторов, регулирующих их, которые мы в настоящее время не можем идентифицировать."
Более того, было обнаружено, что эти 22 гена при сравнении глиобластомы и доброкачественных образцов имеют гораздо более высокие уровни коэкспрессии в глиобластоме, что указывает на специфический для заболевания регуляторный механизм. Тот же результат был обнаружен при сравнении глиобластомы с глиомой более низкой степени злокачественности, менее агрессивным типом рака головного мозга, что указывает на специфическую для глиобластомы активность 22 генов. Другой важный результат исследования показал, что 22 гена в большей степени связаны с мезенхимальной глиобластомой, отдельным подтипом рака, и что, когда гены сильно экспрессируются, они сокращают время выживания для пациентов в мезенхимальной группе.
Как и в случае с исследованиями, где ответ на один вопрос приводит к появлению множества новых вопросов, исследование команды – всего лишь один шаг к пониманию патогенеза глиобластомы.
"Было бы неплохо узнать, что конкретно делают 22 гена," Данвуди сказал. "Экспрессируются ли они в окружающих иммунных клетках? Являются ли они причиной рака или следствием рака? Распространяет ли рак их выражение? Почему эти гены там коэкспрессируются и что они делают, – это вопросы, на которые нет ответа."
Данвуди, который планирует поступить в медицинскую школу, чтобы стать врачом-информатиком, говорит, что инструменты и методы, которым он научился в лаборатории системной генетики, будут с ним надолго в его карьере.
"Исследования рака интересны, потому что так много удивительных людей делают так много удивительных вещей – но это всего лишь одна капля в море," Данвуди сказал. "Для меня настоящая цель – вылечить пациентов. Опубликовать статью – это здорово, но от этого сразу никто не вылечился, и это конечная цель."