Со временем раковые клетки могут развиваться, становясь устойчивыми к лечению, более агрессивными и метастатическими, способными распространяться на другие участки тела и образовывать новые опухоли. Чем больше этих признаков развивается у рака, тем более смертоносным он становится. Исследователи хотят понять, как рак развивает эти черты, чтобы предотвратить и лечить смертельный рак, но к тому времени, когда рак обнаруживается у пациента, он обычно существует годами или даже десятилетиями. Ключевые эволюционные моменты наступали и уходили незамеченными.
Член Института Уайтхеда Джонатан Вайсман и его сотрудники разработали подход к отслеживанию раковых клеток на протяжении поколений, что позволяет исследователям следить за их эволюционной историей . Этот подход к отслеживанию происхождения использует технологию CRISPR для внедрения в каждую клетку наследуемого и эволюционирующего штрих-кода ДНК. Каждый раз, когда клетка делится, его штрих-код немного изменяется. Когда исследователи в конечном итоге собирают потомков исходных клеток, они могут сравнить штрих-коды клеток, чтобы реконструировать генеалогическое древо каждой отдельной клетки, точно так же, как эволюционное древо родственных видов. Затем исследователи могут использовать отношения клеток, чтобы реконструировать, как и когда клетки развили важные черты. Исследователи использовали аналогичные подходы, чтобы проследить эволюцию вируса, вызывающего COVID-19, чтобы отследить происхождение вызывающих беспокойство вариантов.
Вайсман и его коллеги уже использовали свой подход к отслеживанию наследственности , чтобы изучить, как метастатический рак распространяется по всему телу. В своей последней работе Вайсман, Тайлер Джекс, стипендиат Дэниела К. Людвига и профессор биологии Дэвида Х. Коха в Массачусетском технологическом институте (MIT), а также ученый-компьютерщик Нир Йосеф, доцент Калифорнийского университета в Беркли и Научный институт Вейцмана записывает свою самую полную историю раковых клеток на сегодняшний день. Исследование, опубликованное в Cell 5 мая, отслеживает клетки рака легких .с самой первой активации вызывающих рак мутаций. Эта подробная история опухоли раскрывает новое понимание того, как рак легких прогрессирует и метастазирует, демонстрируя богатство понимания, которое может дать отслеживание генеалогии.
«Это новый взгляд на эволюцию рака с гораздо более высоким разрешением», — говорит Вайсман, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователем в Медицинском институте Говарда Хьюза. «Раньше критические события, из-за которых опухоль становится опасной для жизни, были непрозрачны, потому что они терялись в далеком прошлом опухоли, но это дает нам окно в эту историю».
Чтобы отслеживать рак с самого начала, исследователи разработали подход, позволяющий одновременно запускать вызывающие рак мутации в клетках и начинать запись истории клеток. Они сконструировали мышей таким образом, что когда клетки их легких подвергались воздействию специально созданного вируса, это воздействие активировало вызывающую рак мутацию в гене Kras и деактивировало ген, подавляющий опухоль, Trp53 в клетках, а также активировало технологию отслеживания клонов. Модель мыши , разработанная в лаборатории Джека, также была спроектирована таким образом, чтобы у нее развивался рак легких, очень похожий на то, как он развивается у людей.
«В этой модели раковые клетки развиваются из нормальных клеток, и прогрессирование опухоли происходит в течение длительного времени в ее естественной среде. Это очень похоже на то, что происходит у пациентов», — говорит Джекс. Действительно, выводы исследователей тесно согласуются с данными о прогрессировании заболевания у пациентов с раком легких.
Исследователи позволяют раковым клеткам развиваться в течение нескольких месяцев, прежде чем их собрать. Затем они использовали вычислительный подход, разработанный в их предыдущей работе, для реконструкции генеалогических деревьев клеток из их модифицированных штрих-кодов ДНК. Они также измерили экспрессию генов в клетках, используя секвенирование РНК, чтобы охарактеризовать состояние каждой отдельной клетки. Обладая этой информацией, они начали собирать воедино то, как этот тип рака легких становится агрессивным и метастатическим.
«Выявление взаимосвязей между клетками в опухоли является ключом к пониманию профилей экспрессии их генов и пониманию возникновения агрессивных состояний», — говорит Йосеф, который является соавтором как в текущей работе, так и в предыдущем отслеживании клонов. бумага.
Конкуренция внутри опухоли
Результаты показали значительное разнообразие между субпопуляциями клеток в пределах одной и той же опухоли. В этой модели раковые клетки развивались в основном за счет наследуемых изменений экспрессии генов., а не через генетические мутации. Определенные субпопуляции эволюционировали, чтобы стать более приспособленными — лучше расти и выживать — и более агрессивными, и со временем они стали доминировать в опухоли. Гены, которые исследователи идентифицировали как обычно экспрессируемые в наиболее приспособленных клетках, могут быть хорошими кандидатами на возможные терапевтические мишени в будущих исследованиях. Исследователи также обнаружили, что метастазы возникают только из этих групп доминирующих клеток и только на поздних этапах их эволюции. Это отличается от того, что было предложено для некоторых других видов рака, при которых клетки могут приобретать способность метастазировать на ранних этапах своей эволюции. Это понимание может иметь важное значение для лечения рака; метастазирование часто происходит, когда рак становится смертельным, и если исследователи знают, какие типы рака развивают способность к метастазированию таким ступенчатым образом,
«Чтобы разработать лучшие методы лечения, важно понимать фундаментальные принципы, по которым развиваются опухоли», — говорит соавтор Дайан Ян, постдоктор Дэймон Руньон в лаборатории Вайсмана. «В будущем мы хотим иметь возможность смотреть на состояние раковых клеток, когда приходит пациент, и иметь возможность предсказывать, как будет развиваться этот рак, каковы риски и какое лечение лучше всего остановить».
Исследователи также выяснили важные детали эволюционных путей, которые проходят раковые субпопуляции, чтобы стать здоровыми и агрессивными. Клетки проходят через различные состояния, определяемые ключевыми характеристиками, которыми обладает клетка в данный момент времени. В этой модели рака исследователи обнаружили, что на раннем этапе клетки опухоли быстро диверсифицировались, переключаясь между множеством различных состояний. Однако, как только субпопуляция оказывалась в особенно здоровом и агрессивном состоянии, она оставалась там, доминируя над опухолью из этого стабильного состояния. Кроме того, в конечном итоге доминирующие клетки, по-видимому, следовали по одному из двух различных путей через различные состояния клеток. Любой из этих путей может затем привести к дальнейшему прогрессированию, что позволит раку войти в агрессивные «мезенхимальные» клеточные состояния, которые связаны с метастазированием.
После того, как исследователи тщательно нанесли на карту эволюционные пути раковых клеток, они задались вопросом, как эти пути будут затронуты, если в клетках произойдут дополнительные мутации, связанные с раком, поэтому они деактивировали один из двух дополнительных опухолевых супрессоров. Один из них влиял на то, в каком состоянии клетки стабилизировались, в то время как другой заставлял клетки следовать совершенно новому эволюционному пути к приспособленности.
Исследователи надеются, что другие будут использовать их подход для изучения всевозможных вопросов об эволюции рака, и у них уже есть ряд вопросов для себя. Одна из целей — изучить эволюцию терапевтической резистентности, наблюдая за развитием рака в ответ на различные виды лечения. Другая заключается в изучении того, как локальная среда раковых клеток влияет на их эволюцию.
«Сила этого подхода в том, что он позволяет нам детально изучать эволюцию рака», — говорит соавтор Мэтью Джонс, аспирант лабораторий Вайсмана и Йосефа. «Каждый раз, когда в технологии или подходе происходит переход от объемного к одноклеточному анализу, это резко расширяет возможности биологических открытий, которые мы можем достичь, и я думаю, что мы наблюдаем нечто подобное здесь».
