Профилирование экспрессии генов при раке - Gene expression profiling in cancer

Рак это категория заболеваний, характеризующихся неконтролируемым ростом и пролиферацией клеток. От рака развивать, гены регулирующий рост клеток и дифференциация необходимо изменить; эти мутации затем поддерживаются посредством последующих клеточных делений и, таким образом, присутствуют во всех раковых клетках. Профилирование экспрессии генов это техника, используемая в молекулярная биология для одновременного запроса экспрессии тысяч генов. В контексте рака профили экспрессии генов использовались для более точной классификации опухолей. Информация, полученная в результате профилирования экспрессии генов, часто помогает предсказать клинический исход пациента.

Фон

Онкогенез

Онкогенез - это процесс, при котором нормальные клетки приобретают свойства раковых клеток, что приводит к образованию рака или опухоли (см .: туморогенез ). Он характеризуется молекулярным перепрограммированием клетки, чтобы она не сдерживалась. деление клеток, позволяя образовать злокачественную массу. Клетки, образующие эту массу, подвергаются естественному отбору: по мере того, как клетки приобретают мутации, которые увеличивают их выживаемость или репродуктивную способность, они доминируют над растущей опухолью, поскольку другие клетки вытесняются (см.: соматическая эволюция при раке ). Из-за этих селективный свойств, большинство клеток в опухоли будут иметь общий профиль экспрессии генов.

Профилирование экспрессии генов

Профилирование экспрессии генов - это метод, используемый в молекулярной биологии для одновременного запроса экспрессии тысяч генов. В то время как почти все клетки в организме содержат все геном организма, только небольшая часть этих генов выражается как информационная РНК (мРНК) в любой момент времени и их относительные выражение можно оценить. Методы включают ДНК-микрочип технологии или последовательные методы, такие как серийный анализ экспрессии генов (МУДРЕЦ).

Текущие исследования рака используют в первую очередь микроматрицы ДНК, в которых выстроена серия микроскопических пятен заранее определенных ДНК олигонуклеотиды известный как зонды ковалентно прикреплены к твердой поверхности, такой как стекло, образуя так называемый генный чип. ДНК, помеченная флуорофоры (цель) получают из образца, такого как биопсия опухоли, и гибридизуют с комплементарная ДНК (кДНК) последовательности на генном чипе. Затем чип сканируется на наличие и силу флуоресцентных меток в каждом пятне, представляющем гибриды зонд-мишень. Уровень флуоресценции в конкретном пятне дает количественную информацию об экспрессии конкретного гена, соответствующего выделенной последовательности кДНК. ДНК-микрочипы произошли от Саузерн-блоттинг что позволяет обнаруживать определенную последовательность ДНК в образце ДНК.

За счет снижения затрат, РНК-секвенирование становится все более распространенным методом профилирования экспрессии генов рака. Он превосходит методы микроматрицы из-за отсутствия смещения, присущего выбору зонда.

Классификация рака

Фон

Гистопатология инвазивной протоковой карциномы груди, представляющей собой скиррозное образование.
Микроскопический вид гистопатологического образца инвазивная карцинома протоков груди, представляющей скиррозный нарост, окрашенный гематоксилин и эозин.

Классификация раковых заболеваний преобладают области гистология и гистопатология которые направлены на использование морфологических маркеров для точного определения типа опухоли. Гистологические методы основаны на химическом окрашивании тканей такими пигментами, как гематоксилин и эозин и микроскопическая визуализация с помощью патолог. Идентификация подтипов опухолей основана на установленных классификационных схемах, таких как Международная классификация болезней опубликовано Всемирная организация здоровья который содержит коды для классификации болезней и широкий спектр признаков, симптомов, отклонений от нормы, жалоб, социальных обстоятельств и внешних причин травм или заболеваний. Для некоторых типов рака эти методы не позволяют различить подклассы; например, определение подгрупп диффузная В-клеточная лимфома большого размера (DLBCL) в значительной степени потерпели неудачу из-за несоответствия между воспроизводимостью между и внутри наблюдателя.[1] Кроме того, клинические исходы опухолей, классифицируемых как DLBCL, сильно варьируются.[1] предполагая, что существует несколько подтипов DLBCL, которые нельзя различить на основе этих гистологических маркеров. Опухоль груди классификация, основанная на этих предикторах, также в значительной степени потерпела неудачу.[2] Разработка эффективных методов лечения зависит от точного диагноза; кроме того, неправильный диагноз может привести к страданиям пациента из-за ненужных побочные эффекты от нецелевого лечения до увеличения расходов на здравоохранение. Наиболее показательным, возможно, является то, что 70-80% пациентов с раком груди получают химиотерапия основанные на традиционных предсказателях, выжили бы без него.[3][4]

Следует отметить, что аналогичные паттерны экспрессии генов, связанные с метастатическим поведением опухолевых клеток рака груди, также были обнаружены при раке груди у собак, наиболее распространенной опухоли у самок.[5][6]

Ниже представлены способы использования профилей экспрессии генов для более точной классификации опухолей на подгруппы, часто с клиническим эффектом.

Молекулярная подпись

В конкретном типе клетки или ткани только небольшая часть геномной ДНК организма будет экспрессироваться в виде мРНК в любой момент времени. Уникальный паттерн экспрессии гена для данной клетки или ткани называется его молекулярной сигнатурой. Например, экспрессия генов в клетках кожи будет сильно отличаться от экспрессии генов в клетках крови. Анализ микроматрицы может предоставить количественную информацию об экспрессии генов, позволяющую генерировать молекулярную сигнатуру, каждая из которых уникальна для определенного класса опухолей. Впервые эта идея была показана экспериментально.[7] в 2000 г. исследователями Стэндфордский Университет опубликовано в Природа Генетика. Авторы измерили относительную экспрессию 9703 кДНК человека в шестидесяти линиях раковых клеток, ранее изученных и охарактеризованных Национальный институт рака Программа развивающей терапии. А иерархическая кластеризация Алгоритм был использован для группировки клеточных линий на основе сходства, по которому изменялся паттерн экспрессии генов. В этом исследовании Росс и другие., большинство клеточных линий с общими органами происхождения (на основе информации из Национальные институты здоровья ) сгруппированы вместе в терминальных ветвях, что позволяет предположить, что раковые клетки, происходящие из одной и той же ткани, обладают многими молекулярными характеристиками. Это позволяет надежно идентифицировать тип опухоли на основе экспрессии гена.

Подкласс опухоли

Более весомый результат профилирования экспрессии генов - это возможность дополнительно классифицировать опухоли на подтипы, обладающие различными биологическими свойствами и влиять на прогнозы. Например, некоторые диффузные большие B-клеточные лимфомы (DLBCL) неотличимы на основе гистологических методов, но клинически неоднородны: 40% пациентов хорошо реагируют и демонстрируют длительную выживаемость, а остальные 60% - нет.[8]

В 2000 году исследователи из Стэнфорда во главе с Аш Ализаде и коллеги опубликовали результаты[8] в Природа, используя методы профилирования экспрессии, чтобы разделить DLBCL на два подтипа: B-подобный DLBCL зародышевого центра и активированный B-подобный DLBCL. Авторы разработали специальные микроматрицы, названные «лимфочипами», которые использовались для запроса экспрессии 17 856 генов, преимущественно экспрессируемых в лимфоидных клетках, и генов, играющих роль в раке или иммунологии, для 96 образцов лимфоцитов. Алгоритм иерархической кластеризации идентифицировал подмножество опухолей, которые были бы обозначены как DLBCL традиционными гистологическими методами; однако профили экспрессии этих опухолей были неоднородными. Когда опухоли были повторно кластеризованы на основе экспрессии генов В-клеток зародышевого центра, появилась вторая группа генов, характерных для активированных В-клеток, которые регулировались противоположно по сравнению с первым набором генов. На основании этих паттернов экспрессии гетерогенный кластер DLBCL был подклассифицирован до B-подобного DLBCL зародышевого центра и активированного B-подобного DLBCL. Различия между этими группами значительны с точки зрения общей выживаемости пациентов: вероятность выживания пациентов с В-подобными DLBCL зародышевого центра в течение 10 лет составляла около 80%, тогда как у пациентов с активированными B-подобными DLBCL снижалась примерно до 40% за короче восьмилетний период.

Рак груди также трудно отличить по гистологическим маркерам. В исследовании 2000 г., опубликованном в Природа, Стэнфордские исследователи во главе с Перу К. охарактеризовали паттерны экспрессии генов в 8102 генах для 65 биопсий, полученных от рака груди.[9] Целью исследования было выявление паттернов экспрессии генов, которые можно было бы использовать для описания фенотипического разнообразия опухолей молочной железы, путем сравнения профилей биопсий с профилями культивируемых клеточных линий и соотнесения этой информации с клиническими данными. Опухоли были разделены на две основные группы, которые в значительной степени отражали ER -положительные и ER-отрицательные клинические описания. ER-положительные опухоли характеризовались высокой экспрессией генов, обычно экспрессируемых в клетках просвета груди. Авторы предполагают, что это различие более высокого порядка может охватывать как минимум два биологически различных типа рака, каждый из которых может потребовать уникального курса лечения. Внутри ER-отрицательной группы были идентифицированы дополнительные кластеры на основе экспрессии Erb-B2 и генов базального эпителия, обогащенных кератином 5 и 17. Эти группы отражают различные молекулярные особенности, связанные с биологией эпителия молочной железы, в зависимости от исхода заболевания.

Клиническое применение

График выживания Каплана-Мейера
Репрезентативный сюжет выживания Каплана-Мейера. Пациенты с сигнатурой гена A имеют лучший процент выживаемости, чем пациенты с сигнатурой гена B.

В исследовании 2001 г., опубликованном в Труды Национальной академии наук, Сорли и другие.[10] далее расслоил классификации, описанные Перу и другие.[9] и исследовали клиническую ценность этих подтипов рака груди. Авторы разделили ER-положительные опухоли на две отдельные группы и обнаружили, что классификация опухолей на основе экспрессии генов связана с выживаемостью пациентов. Экспрессия 427 генов была измерена для 78 видов рака и семи образцов незлокачественной груди. После иерархической кластеризации образцы сформировали две группы на самом высоком уровне организации, отражающие ER-положительный и ER-отрицательный фенотипы; ER-отрицательный кластер далее расслоился на группы, идентичные тем, которые описаны Perou и другие.[9] В отличие от предыдущих результатов, Сорли и другие.[10] обнаружили, что ER-позитивная группа также может быть разделена на три отдельные подгруппы, названные подтипами просвета A, B и C, на основании паттернов экспрессии генов, специфичных для просвета, с разными результатами. Авторы также обнаружили, что после проведения анализа выживаемости опухоли, принадлежащие к различным группам, показали значительно разные результаты при единообразном лечении. Анализ выживаемости часто отображается как Графики выживания Каплана-Мейера, пример которого показан справа.

В дополнение к идентификации генов, которые коррелируют с выживаемостью, анализ микроматриц использовался для установления профилей экспрессии генов, связанных с прогнозом. Принято считать, что пациенты с опухолями с плохими прогностическими характеристиками получат наибольшую пользу от адъювантная терапия поскольку эти методы лечения существенно улучшают общую выживаемость женщин с раком груди. Однако традиционные прогностические факторы, как упоминалось выше, неточны. Исследователи из Нидерландский институт рака смогли идентифицировать признаки «хорошего прогноза» и «плохого прогноза» на основе экспрессии 70 генов, что позволило лучше предсказать вероятность метастаз разработка в течение пяти лет для больных раком груди[11][12] Метастазирование включает распространение рака от одного органа к другому по всему телу и является основной причиной смерти больных раком. Хотя исследование Нидерландского института рака применялось только к пациентам с раком груди, исследователи из Массачусетский Институт Технологий идентифицировали молекулярную сигнатуру метастазов, которая относилась к аденокарциномы в целом.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б «Проект классификации неходжкинской лимфомы: клиническая оценка классификации неходжкинской лимфомы Международной исследовательской группой по лимфоме». Кровь. 89 (11): 3909–3918. 1997. Дои:10.1182 / кровь.V89.11.3909. PMID  9166827.
  2. ^ Макгуайр В.Л. (1991). «Прогностические факторы рака груди: рекомендации по оценке». Журнал Национального института рака. 83 (3): 154–5. Дои:10.1093 / jnci / 83.3.154. PMID  1988696.
  3. ^ Совместная группа ранних исследователей рака молочной железы (1998). «Полихимиотерапия при раннем раке груди: обзор рандомизированных исследований». Ланцет. 352 (9132): 930–942. Дои:10.1016 / S0140-6736 (98) 03301-7. S2CID  38457555.
  4. ^ Фу Х (1998). «Тамоксифен для лечения рака груди на ранних стадиях: обзор рандомизированных исследований». Ланцет. 351 (9114): 1451–1467. Дои:10.1016 / S0140-6736 (97) 11423-4. PMID  9605801. S2CID  46287542.
  5. ^ Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатические карциномы молочной железы у собак можно идентифицировать по профилю экспрессии генов, который частично перекрывается с профилями рака молочной железы человека». BMC Рак. 10: 618. Дои:10.1186/1471-2407-10-618. ЧВК  2994823. PMID  21062462.
  6. ^ Клопфляйш Р., Ленце Д., Хуммель М., Грубер А.Д. (2010). «Метастатический каскад отражен в транскриптоме метастатических карцином молочной железы собак». Ветеринарный журнал. 190 (2): 236–243. Дои:10.1016 / j.tvjl.2010.10.018. PMID  21112801.
  7. ^ Росс Д.Т .; и другие. (2000). «Систематические вариации в паттернах экспрессии генов в линиях раковых клеток человека». Природа Генетика. 24 (3): 227–235. Дои:10.1038/73432. PMID  10700174. S2CID  1135137.
  8. ^ а б Ализаде А.А .; и другие. (2000). «Определенные типы диффузной крупноклеточной В-клеточной лимфомы, идентифицированные с помощью профилирования экспрессии генов». Природа. 403 (6769): 503–511. Дои:10.1038/35000501. PMID  10676951. S2CID  4382833.
  9. ^ а б c Perou C.M .; и другие. (2000). «Молекулярные портреты опухолей груди человека». Природа. 406 (6797): 747–752. Дои:10.1038/35021093. PMID  10963602. S2CID  1280204.
  10. ^ а б Sørlie M, et al. (2001). «Паттерны экспрессии генов карциномы молочной железы различают подклассы опухолей с клиническими последствиями». Труды Национальной академии наук. 98 (19): 10869–10874. Дои:10.1073 / пнас.191367098. ЧВК  58566. PMID  11553815.
  11. ^ van't Veer L.J.; и другие. (2002). «Профилирование экспрессии генов предсказывает клинический исход рака груди». Природа. 415 (6871): 530–536. Дои:10.1038 / 415530a. HDL:1874/15552. PMID  11823860. S2CID  4369266.
  12. ^ van de Vijver M.J .; и другие. (2002). «Сигнатура экспрессии генов как показатель выживаемости при раке груди». Медицинский журнал Новой Англии. 347 (25): 1999–2009. Дои:10.1056 / NEJMoa021967. HDL:1874/15577. PMID  12490681.
  13. ^ Рамасвами С. и др. (2002). «Молекулярная подпись метастазов в первичных солидных опухолях». Природа Генетика. 33 (1): 49–54. Дои:10,1038 / нг1060. PMID  12469122. S2CID  12059602.
  • Гибсон, Грег; Муза, Спенсер В. (2009). Учебник по геномной науке. Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc. ISBN  978-0-87893-236-8.
  • Вайнберг, Роберт А. (2007). Биология рака. Нью-Йорк: Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC. ISBN  978-0-8153-4076-8.

Ресурсы

  • Исследователь генов Средство от новообразования это бесплатный инструмент с открытым доступом для визуализации экспрессии генов более чем 1000 различных типов и подтипов рака.