Využití genetické technologie CRISPR k zachycení rakoviny v právu

Fylogenetické stromy, počínaje jedinou rakovinnou buňkou. Každá barva představuje jiné místo v těle. Velmi zbarvený strom vykazuje velmi metastatický fenotyp, ve kterém potomci buňky často skákali mezi různými tkáněmi. Dřevo, které má většinou jednu barvu, představuje méně metastatickou buňku. Uznání: Jeffrey Quinn / Whitehead Institute

Pomocí technologie CRISPR vědci sledují počet jednotlivých rakovinných buněk, jak se množí a metastazují v reálném čase.

Pokud je rakovina omezena na jedno místo v těle, mohou ji lékaři často léčit chirurgickým zákrokem nebo jinými způsoby léčby. Velká část úmrtnosti související s rakovinou pochází z její tendence metastazovat a vysílat vlastní semena, která se mohou zakořenit v celém těle. Přesný okamžik metastáz je přechodný, ztracený v milionech dělení, ke kterým dochází v nádoru. „Obvykle je nemožné sledovat tyto události v reálném čase,“ říká Jonathan Weissman, S Profesor biologie a institut Whitehead Institute for Biomedical Research.

Nyní vědci pod vedením Weissmana, který je také výzkumníkem na Lékařském institutu Howarda Hughese, vytvořili z nástrojů CRISPR způsob, jak toho dosáhnout. V článku publikovaném 21. ledna 2021 v Věda„Weissmanova laboratoř ve spolupráci s Nirem Yosefem, počítačovým vědcem na Kalifornské univerzitě v Berkeley, a Trevorem Bibonou, biologem z rakoviny na Kalifornské univerzitě v San Francisku, zachází s rakovinovými buňkami tak, jak se evoluční biologové mohou dívat na druhy, a podrobné mapování rodokmenu je komplikované. Zkoumáním větví mohou vysledovat buněčnou linii a zjistit, kdy se jedna nádorová buňka vzbouřila, a šířit své potomky do dalších částí těla.

„S touto metodou můžete klást otázky jako:„ Jak často se tento nádor táhne? Odkud pocházejí metastázy? Kam směřují? “Říká Weissman. „Díky schopnosti sledovat historii nádoru in vivo objevujete rozdíly v biologii nádoru, které byly jinak neviditelné.“

Škrábání papírových buněk

Vědci v minulosti sledovali linie rakovinných buněk porovnáním běžných mutací a jejich dalších variací DNA Výkresy. Tyto metody však do určité míry závisí na skutečnosti, že existuje dostatek mutací, které se vyskytují přirozeně, nebo jiných markerů, aby přesně ukázaly spojení buněk.

Tam Weissman a první spisovatelé Jeffrey Quinn, tehdejší postdoktorand ve Weissmanově laboratoři, a Matthew Jones, postgraduální student ve Weissmanově laboratoři, viděli příležitost využít technologii CRISPR – zejména metoda Vyvinutá společností Weissman Lab Company Michelle Chan pro sledování vývoje plodu – pro usnadnění sledování.

Místo toho, aby jednoduše doufali, že linie rakoviny obsahuje dostatek markerů specifických pro následnou linii, vědci se rozhodli použít metodu chan k přidání samotných markerů. „Myšlenkou je v zásadě vytvořit buňku, která má stírací desku pro genomovou DNA, o níž lze„ psát “pomocí CRISPR,“ říká Weissman. Toto „zapisování“ do genomu se provádí takovým způsobem, že se stává dědičným, to znamená, že potomci buňky budou uvedeni v „zapisování“ jejích mateřských buněk a buněk prarodičů do jeho genomu.

K vytvoření těchto speciálních buněk se „povrchem poškrábání“ navrhl Weissman lidské rakovinné buňky s přidáním genů: jeden pro bakteriální protein Cas9 – slavné „molekulární nůžky“ používané v metodách úpravy genomu CRISPR – jiné pro zářící proteiny pro mikroskopii a některé sekvence, které slouží jako cíle pro technologii CRISPR.

Poté transplantovali tisíce rakovinných buněk modifikovaných člověkem do myší, napodobujících nádor plic (model vyvinutý spolupracovníkem Bibonou). Myši s lidskými plicními nádory často vykazují agresivní metastázy, takže vědci usoudili, že by poskytli dobrý model pro sledování progrese rakoviny v reálném čase.

Když se buňky začaly dělit, provedl Cas9 na těchto cílových místech malé řezy. Když buňka opravila řezy, opravila nebo odstranila některé náhodné nukleotidy, což vedlo k jedinečné opravné sekvenci zvané indel. Toto řezání a opravy probíhaly náhodně téměř v každé generaci a vytvářely mapu buněčných dělení, které Weissman a zaměstnanci dokázali sledovat pomocí speciálních počítačových modelů vytvořených při práci s Josephem, počítačovým vědcem.

Odhalí neviditelné

Monitorování buněk tímto způsobem přineslo zajímavé výsledky. Nejprve se jednotlivé nádorové buňky od sebe navzájem značně lišily, než vědci očekávali. Buňky, které vědci použili, pocházely z lidské buněčné linie založené na rakovině plic zvané A549. „Myslíš si, že budou relativně homogenní,“ říká Weissman. „Ale ve skutečnosti jsme viděli dramatické rozdíly v tendenci různých nádorů metastazovat – dokonce i u stejné myši. Některé měly velmi omezený počet metastatických příhod a jiné skutečně vyskočily rychle.“

Aby zjistil, odkud tato heterogenita pochází, tým implantoval dva klony ze stejné buňky do různých myší. Jak se buňky množily, vědci zjistili, že jejich potomci se táhli pozoruhodně podobnou rychlostí. To nebyl případ potomků různých buněk ze stejné buněčné linie – zřejmě původní buňky vyvinuly odlišný metastatický potenciál, protože buněčná linie byla udržována po mnoho generací.

Vědci se pak ptali, které geny jsou zodpovědné za tento rozdíl mezi rakovinovými buňkami ze stejné buněčné linie. Začali tedy hledat geny, které byly exprimovány odlišně mezi nemetastatickými, slabými metastatickými a velmi metastatickými nádory.

Vynikalo mnoho genů, o některých bylo dříve známo, že jsou spojeny s metastázami – i když nebylo jasné, zda spustily metastázu nebo jednoduše její vedlejší účinek. Jeden z nich, gen, který kóduje protein keratinu 17, je exprimován mnohem silněji v metastatických nádorech nízkého stupně než ve vysoce metastatických nádorech. „Když jsme klepali na keratin 17 nebo se na něj příliš dívali, ukázali jsme, že tento gen skutečně řídí invazi nádoru,“ říká Weissman.

Schopnost identifikovat metastatické geny tímto způsobem může vědcům pomoci odpovědět na otázky, jak se nádory vyvíjejí a adaptují. „Je to zcela nový způsob pohledu na chování a vývoj nádoru,“ říká Weissman. „Myslíme si, že jej lze použít na mnoho různých problémů v biologii rakoviny.“

Odkud jsi přišel, kam jsi odešel?

Weissmanova metoda CRISPR také umožnila vědcům podrobněji sledovat, kde a kdy prošly metastatické buňky tělem. Například potomci jedné transplantované rakovinné buňky metastázovali pětkrát a šířili se z levé plíce do dalších tkání, jako je pravá plíce a játra. Další buňky vyskočily do jiné oblasti a poté se znovu odtáhly.

Tyto pohyby lze úhledně zmapovat na fylogenetických stromech (viz foto), přičemž každá barva představuje jiné místo v těle. Velmi zbarvený strom vykazuje velmi metastatický fenotyp, ve kterém potomci buňky často skákali mezi různými tkáněmi. Dřevo, které má většinou jednu barvu, představuje méně metastatickou buňku.

Mapování progrese nádoru tímto způsobem umožnilo Weissmanovi a jeho týmu provést několik zajímavých pozorování o metastatické mechanice. Například některé klony, které byly zasety ve formě v učebnici, které cestovaly z levé plíce, odkud začaly, do samostatných oblastí v těle. Jiné byly zasety nestabilnější, nejprve se přesunuly do jiných tkání a poté byly znovu odvlečeny.

Jedna taková tkáň, mediastinální lymfatická tkáň, která sedí mezi plícemi, se jeví jako koordinátor různých druhů, říká první autor Jeffrey Quinn. “Slouží jako přechodová stanice, která spojuje rakovinné buňky s celou touto úrodnou půdou, a pak se mohou jít usadit,” říká.

Terapeuticky může být detekce takových metastatických „uzlů“ nesmírně užitečná. „Pokud se na těchto místech zaměříte na léčbu rakoviny, můžete především zpomalit nebo předcházet metastázám,“ říká Weissman.

V budoucnu Weissman doufá, že překročí rámec jednoduchého pozorování buněk a začne předpovídat jejich chování. „Je to jako s newtonovskou mechanikou – pokud znáte rychlost a polohu a všechny síly působící na míč, můžete kdykoli v budoucnu pochopit, kam míč míří,“ říká Weissman. „Doufáme, že uděláme totéž s buňkami. Chceme v zásadě vybudovat funkci toho, co řídí diferenciaci nádorů, abychom byli schopni měřit, kde je v daném okamžiku, a předvídat, kde budou v budoucnu.“

Vědci jsou optimističtí, že schopnost sledovat rodokmeny jednotlivých buněk v reálném čase se osvědčí i v jiných rámcích. „Myslím, že to otevře zcela novou dimenzi toho, co považujeme za míru měření v biologii,“ říká spoluautor Matthew Jones. „Co je na tomto poli obecně skvělé, je to, že předefinujeme, co je neviditelné a co viditelné.“

Odkaz: „Jednobuněčné linie odhalují rychlosti, dráhy a motivy metastáz v xenoimplantátech rakoviny“, autor: Jeffrey J. Quinn, Matthew Jones, Ross A. Okimoto, Shigki Nanju, Michelle M. Chan, Nir Yosef, Trevor G. Bibona a Jonathan S. Weissman, 21. ledna 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abc1944

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Hubble objevil nádhernou hvězdnou školku

po Evropská kosmická agentura / Hubble 8. března 2021 AFGL 5180, školka krásných hvězd v souhvězdí Blíženců (Gemini), byla zachycena Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Poděkování: ESA /...

Biologové a matematici z MIT odhalují, jak se vajíčka tak zvětšují

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Uznání: Jasmine Imran Elsus Růst vajec závisí na fyzikálních jevech, které brání...

Nový systém přenosu dat 10krát rychlejší než USB և používá polymerový kabel jako tenký vlas

Vědci vyvinuli systém přenosu dat, který kombinuje vysokofrekvenční křemíkové čipy s polymerovým kabelem do tenkého pramene vlasů. Půjčka Díky vědcům, editoval MIT...

Znepokojující nový důkaz, že vakcíny COVID-19 jsou méně účinné než nové varianty koronaviru

Asistentka lékaře Philana Liang připravuje láhev vakcíny COVID-19 na Lékařském kampusu University of Washington. Nový výzkum na Lékařské fakultě University of Washington v...

Rad solární chlazení – solární ohřev z jednoho systému. Není nutná elektřina

Systém snížil teplotu uvnitř testovacího systému ve venkovním prostředí vystaveném přímému slunečnímu záření o více než 12 stupňů Celsia (22 stupňů Fahrenheita). Půjčka...

Newsletter

Subscribe to stay updated.