От одной таинственной молекулы к 260 000

В 2018 году ученые, изучавшие рак молочной железы, натолкнулись на что-то, что не смогли объяснить. Небольшую молекулу РНК, которую они назвали T3p, присутствовала в опухолевой ткани, но полностью отсутствовала в здоровых клетках. Она не совпадала ни с одним известным геном. Она не соответствовала никакому признанному классу некодирующих РНК. В языке молекулярной биологии это была сирота — молекула без места в существующей таксономии человеческого генома. Это одиночное загадочное открытие положило начало шестилетнему исследованию, которое теперь завершилось открытием примечательного масштаба: примерно 260 000 ранее неизвестных специфичных для рака малых РНК, скрытых в 32 различных типах рака человека.

Исследование, проведенное Jeffrey Wang, Hani Goodarzi и их коллегами из Arc Institute, представляет одно из наиболее полных исследований специфичной для рака некодирующей РНК когда-либо предпринятых. Анализируя данные из The Cancer Genome Atlas — знаменательной базы данных, содержащей геномную информацию тысяч опухолей — команда выявила обширный и ранее невидимый ландшафт молекул малой РНК, которые появляются исключительно в раковых клетках.

Цифровые молекулярные штрихкоды

То, что делает эти сиротские некодирующие РНК или oncRNAs особенно примечательными, — это их специфичность. Каждый из 32 исследованных типов рака демонстрировал свой собственный отличительный паттерн экспрессии oncRNA, создавая то, что исследователи называют цифровыми молекулярными штрихкодами. Эти штрихкоды фиксируют идентичность рака на нескольких уровнях — различая не только между различными типами опухолей, такими как рак молочной железы и рак легкого, но и между подтипами в одном раке и даже между различными клеточными состояниями в одной опухоли.

Чтобы проверить, можно ли использовать эти молекулярные сигнатуры для практической диагностики, команда построила модели классификации машинного обучения, обученные на паттернах экспрессии oncRNA. Результаты были впечатляющими: модели достигли 90,9% точности в классификации типов рака из образцов опухолевой ткани. При проверке на отдельной группе из 938 опухолей, которые модели никогда не видели ранее, точность оставалась на уровне 82,1% — уровень производительности, который предполагает реальный клинический потенциал.

Возможность классификации типа рака только по РНК-сигнатурам может иметь глубокие последствия для пациентов с раками неизвестного первичного происхождения — клиническую ситуацию, которая влияет примерно на три-пять процентов всех пациентов с раком и имеет особенно плохой прогноз, потому что решения о лечении в значительной степени зависят от знания происхождения рака.

Некоторые oncRNAs способствуют прогрессированию рака

Открытие 260 000 специфичных для рака РНК поставило очевидный вопрос: являются ли эти молекулы просто побочными продуктами хаотической генетической активности внутри раковых клеток или некоторые из них активно способствуют росту и распространению опухоли? Чтобы узнать это, исследователи провели крупномасштабные функциональные эксперименты на мышах, тестируя примерно 400 отдельных oncRNAs на предмет биологических эффектов.

Примерно пять процентов протестированных молекул продемонстрировали измеримую биологическую активность. Некоторые вызвали эпителиально-мезенхимальный переход — клеточный процесс, который позволяет раковым клеткам вырваться из ткани своего происхождения и мигрировать в отдаленные части тела — смертельный процесс, известный как метастаз. Другие активировали пути пролиферации, которые способствуют неконтролируемому делению клеток. Эти находки предполагают, что по крайней мере подмножество oncRNAs не являются невинными наблюдателями, а активными участниками прогрессирования рака.

Понимание того, какие oncRNAs способствуют поведению рака, может открыть совершенно новые пути терапевтического вмешательства. Если специфические oncRNAs способствуют метастазированию или устойчивости к лекарствам, их нацеливание с помощью РНК-терапии — подход, который уже показал клинический потенциал при использовании антисмысловых олигонуклеотидов и малых интерферирующих РНК — может предоставить новое оружие против раков, устойчивых к существующим методам лечения.

Анализ крови для скрытых сигналов рака

Возможно, наиболее непосредственно применимой находкой является то, что примерно 30 процентов oncRNAs активно секретируются раковыми клетками в кровоток. Это означает, что они потенциально могут быть обнаружены с помощью простого анализа крови — жидкой биопсии — а не требуют инвазивного отбора образцов ткани.

Исследователи протестировали эту концепцию, используя образцы крови от 192 пациентов с раком молочной железы, включенных в испытание неоадъювантной химиотерапии I-SPY 2, крупное клиническое исследование, которое тестирует новые комбинации лекарств перед операцией. Результаты были поразительными: пациенты, которые сохранили высокие уровни остаточных oncRNAs в крови после завершения химиотерапии, показали почти четырехкратно худшие результаты общей выживаемости по сравнению с теми, у которых уровни oncRNA упали.

Эта находка позиционирует профилирование oncRNA как потенциальный инструмент для мониторинга минимальной остаточной болезни — небольшого количества раковых клеток, которые могут пережить лечение и в конечном итоге вызвать рецидив. Текущие методы обнаружения остаточной болезни опираются в первую очередь на визуализацию и циркулирующую опухолевую ДНК, оба из которых имеют значительные ограничения. Анализ крови, который читает молекулярный штрихкод остаточных раковых клеток, может обеспечить более ранние и более специфичные предупреждения о рецидиве, позволяя врачам вмешаться, прежде чем болезнь вернется с полной силой.

Переписывание карты геномики рака

Существование 260 000 ранее не охарактеризованных специфичных для рака РНК поднимает фундаментальные вопросы о том, насколько тщательно ученые отобразили молекулярный ландшафт рака. Человеческий геном содержит примерно 20 000 генов, кодирующих белки, и десятилетия исследований рака сосредоточились в первую очередь на мутациях в этих генах — онкогенах и супрессорах опухолей, которые способствуют злокачественности. Открытие oncRNA предполагает, что весь параллельный слой биологии рака работал ниже порога обнаружения, скрытый в некодирующих областях генома, которые когда-то отвергались как мусорная ДНК.

Некодирующий геном составляет примерно 98 процентов общей ДНК человека, и исследователи все больше признают, что он играет критические регуляторные роли в здоровье и болезни. Но просто количество специфичных для рака некодирующих РНК, выявленных в этом исследовании — более четверти миллиона отдельных молекул — превышает то, что предсказало бы большинство ученых, и предполагает, что область только поцарапала поверхность понимания того, как рак использует некодирующий геном.

Что дальше

Команда Arc Institute продолжает характеризовать отдельные oncRNAs, чтобы определить, какие из них являются драйверами в сравнении с пассажирами в прогрессировании рака. Они также работают над разработкой клинико-ориентированных анализов жидкой биопсии, которые могли бы внедрить мониторинг рака на основе oncRNA в обычную практику. Если подход окажется надежным в более крупных клинических испытаниях, он может кардинально изменить то, как онкологи отслеживают ответ на лечение и обнаруживают рецидив — переходя от реактивной медицины, которая ждет, пока видимые опухоли вернутся, к упреждающей модели, которая читает молекулярные шепоты остаточной болезни в крови.

Для более широкой области исследования рака сообщение ясно: карта — это не территория, и территория биологии рака намного сложнее, чем раньше считалось. Таинственная молекула, обнаруженная в образце рака молочной железы восемь лет назад, привела к открытию всего скрытого измерения болезни — и последствия только начинают пониматься.

Эта статья основана на отчетах Science Daily. Прочитайте исходную статью.