Атлас ракового генома

23-04-2023

Перейти к: навигация, поиск

Атлас ракового генома (АРГ, The Cancer Genome Atlas, TCGA) — проект, целью которого является систематизация данных о генетических мутациях, приводящих к возникновению рака[1]. Систематизация проводится с помощью секвенирования и методов биоинформатики. Лучшее понимание молекулярных особенностей онкологических заболеваний сделает возможным более точное и раннее диагностирование болезней, предотвращение их развития, а также послужило бы основой для новых альтернативных методов лечения. Данный проект — это совместная работа Национального Института Рака (National Cancer Institute) и Института Исследований Генома Человека (National Human Genome Research Institute), США[2].

АРГ стартовал в 2005 году как пробная попытка, рассчитанная на 3 года, так как были сомнения по поводу целесообразности и возможности реализации подобного проекта[3]. На финансирование стартовой версии АРГ было выделено почти 100 миллионов долларов. Сначала ученые взялись за характеристику мультиформной глиобластомы, рака легкого и рака яичников, так как эти заболевания уносят много жизней в США каждый год[4]. Первый этап работы был пройден успешно, и была поставлена цель охарактеризовать 20-25 типов рака к 2014 году. Систематизация генетических мутаций обеспечивалась двумя типами центров: стадия секвенирования — центрами описания геномов, а биоинформатический анализ данных — центрами по анализу геномных данных[5].

Чтобы полноценно исследовать каждый вариант ракового заболевания, соответствующий образец проходит широкомасштабное исследование с применением методов секвенирования и биоинформатики: количественный анализ экспрессии генов, количественный анализ числа вариаций копий генов, генотипирование однонуклеотидных полиморфизмов, полногеномный анализ паттернов метилирования ДНК, секвенирование экзонов. Полученные данные помещаются в открытый доступ, так что любой исследователь может с ними ознакомиться и использовать их в своих работах. Проект АРГ показал, что активное и масштабное сотрудничество исследователей из разных институтов может быть плодотворным, а данные, полученные в результате работы, могут использоваться учеными по всему миру.

Порядок работы[6]

Получение и обработка тканей

У пациентов с диагностированным раком с их разрешения берётся часть раковой и нормальной ткани (как правило, кровь). Ткани и жидкости, используемые для анализа, называются образцом или биоматериалом.

Образцы тканей пациентов, которые будут использоваться для геномных исследований, должны пройти строгий контроль качества, чтобы генетический материал (ДНК и РНК) из этих образцов мог быть использован в сложном генетическом анализе с применением технологий секвенирования нового поколения. Проверкой, обработкой и подготовкой тканей к дальнейшим анализам, а также непосредственно выделением ДНК и РНК занимаются лаборатории по анализу образцов при АРГ (Biospecimen Core Resources)[7].. Вся информация о пациентах является конфиденциальной. К образцам предъявляются строгие критерии качества, например, содержание раковых клеток в биоматериале должно быть не менее 60 %. Ранее этот критерий был равен 80 %, но его удалось понизить с началом использования секвенирования нового поколения.

Исследования и открытия

Для каждого типа рака анализируются опухолевые и нормальные ткани сотен пациентов. Большое количество образцов нужно для статистической значимости определения полного геномного профиля соответствующего заболевания. Составление геномного профиля необходимо для выявления тех изменений, которые приводят к развитию опухоли. В данной работе задействованы центры описания геномов[8], центры высокопроизводительного секвенирования[9], а также центры по анализу геномных данных[10]. Первые анализируют множество генетических изменений (такие, например, как число вариаций копий генов), которые потенциально вовлечены в развитии опухоли, а также изменения в уровнях экспрессии генов в раковых тканях по сравнению с нормальными, которые выступают в качестве контроля. Затем центры высокопроизводительного секвенирования определяют изменения в ДНК, ассоциированные с определенным типом рака. Достигается это с помощью секвенирования экзомов (полная совокупность экзонов ДНК данного образца), 10 % тканей проходит полногеномное секвенирование с целью выявления изменений, не затрагивающих экзоны, но потенциально влияющих на раковую трансформацию. В результате получается огромное количество информации, которое обрабатывают центры по анализу геномных данных. Эти же центры предоставляют различные инструменты для визуализации и анализа данных в АРГ, чтобы содействовать их более широкому использованию среди ученых по всему миру.

Обмен данными

Вся информация, полученная в ходе работы исследователей, хранится в координирующем центре АРГ (TCGA Data Coordinating Center)[11] и поступает в открытые базы данных. Исследователи ищут, скачивают и анализируют данные АРГ с помощью соответствующего портала (TCGA Data Portal)[12], в котором содержатся геномные профили соответствующих типов рака.

Члены и компоненты АРГ

  • Лаборатория по анализу образцов (Biospecimen Core Resource, BCR)  — занимается классификацией, обработкой, проверкой на качество образцов, хранением всей важной медицинской информации о пациенте.
  • Центры определения генов (Genome Characterization Centers, GCCs)  — используют современные технологии для анализа геномных изменений, вовлеченных в развитии опухоли (например, хромосомные перестройки). Выявленные изменения в дальнейшем исследуются в центрах высокопроизводительного секвенирования.
  • Центры высокопроизводительного секвенирования (Genome Sequencing Centers, GSCs)  — занимаются непосредственным определением изменений в последовательностях ДНК, которые ассоциированы с определенным типом рака.
  • Центры анализа протеома (Proteome Characterization Centers, PCCs) [13] — занимаются установлением и анализом общего белкового состава для образцов АРГ.
  • Координирующий центр АРГ (Data Coordinating Center, DCC)  — заведует всей информацией, получаемой в ходе работы, остальных центров, входящих в АРГ, а также занимается её распространением на портал данных АРГ и в центр раковой геномики, когда она становится доступной.
  • Центр раковой геномики (Cancer Genomics Hub, CGHub) [13] — в этой базе данных хранятся последовательности раковых геномов и выравнивания последовательностей ДНК из опухолевых и нормальных тканей.
  • Центры анализа геномных данных (Genome Data Analysis Centers, GDACs)  — предоставляют возможность для использования данных АРГ; занимаются обработкой информации, поступающей с центров секвенирования и описания геномов.

Примеры некоторых результатов работы АРГ

Глиобластома

В 2008 году команда исследователей АРГ сообщила о некоторых результатах в исследовании опухоли мозга, глиобластомы; они открыли новые генетические мутации в ДНК, которые можно использовать для диагностики и лечения[14]. Ученые достигли такого результата благодаря масштабному исследованию геномов, выделенных из опухолевых тканей 206 пациентов с диагностированной глиобластомой. Данные включают в себя информацию о точечных мутациях, хромосомных перестройках (например, вариации числа копий генов), уровнях экспрессии генов, об эпигеномике. Сотрудники АРГ отсеквенировали 601 ген из образцов опухолевых тканей и сравнили эти результаты с контрольными образцами. Им удалось выявить значимые и статистически достоверные мутации, которые отличают клетки глиобластомы от нормальных, и которые ранее не были охарактеризованы. Исследователи смогли определить четыре подтипа глиобластомы, которые отличаются друг от друга по своим геномным характеристикам, уровню выживаемости, возрасту пациентов и их реакции на лечение[15]. Данные подтипы были названы проневральной, невральной, классической и мезенхимальной глиобластомой. Ранжирование пациентов важно для развития индивидуальной терапии, что может привести к повышению эффективности медицинского вмешательства.

Рак яичников

Данное заболевание занимает пятое место по количеству смертей среди женщин в США. Из-за нехватки эффективных методов лечения женщины с таким диагнозом имеют довольно негативные прогнозы: только 31 % от всех пациенток проживает больше пяти лет с момента диагностирования заболевания. Проблема с этой болезнью стояла столь актуально, что ученые АРГ решили охарактеризовать её одной из первых и предложить потенциальные новые мишени для терапии. Исследователям удалось найти сотни генов в опухолевых тканях, которые были делетированы, либо дуплицированы. Среди этих генов есть 68 дуплицированных, для продуктов которых уже известны соответствующие ингибиторы. Это достаточно оптимистичное начало, и оно дает стартовую точку в поиске новых лекарств для терапии рака яичников. Исследователи выяснили, что в зависимости от того, какие гены чрезмерно экспрессируются в опухолевых клетках яичника, можно предсказать продолжительность жизни пациента. Были определены 108 и 85 генов, которые, соответственно, ассоциированы с хорошей и плохой выживаемостью. Люди, у которых повышена экспрессия соответствующих 108 генов, живут на 23 % дольше, чем те, у кого чрезмерно экспрессируются другие 85 генов. По сравнению с раком яичника, глиобластома имеет принципиально другой геномный паттерн: она больше характеризуется генетическими мутациями, как правило, в одних и тех же генах, а вариация числа копий генов, в отличие от рака яичника, представлена куда в меньшей степени. Это позволяет сделать предположение, что разные типы рака отличаются между собой как раз характером изменений в ДНК. А если это так, то можно говорить об отдельных геномных профилях для каждого ракового заболевания[16].

Финансирование

Тестовую версию проекта АРГ на три года профинансировали Национальный Институт Рака (NCI) и Институт Исследований Генома Человека (NHGRI), предоставив по 50 миллионов долларов. После этого NCI направлял по 25 миллионов долларов в год на поддержание второй фазы АРГ на протяжении пяти лет, а NHGRI — по 25 миллионов долларов в год на протяжении двух лет. В 2009 году был заключен акт (American Recovery and Reinvestment Act, ARRA), обеспечивающий АРГ дополнительное финансирование в сумме 153,5 миллионов долларов от NCI. После подписания этого документа началась вторая фаза существования АРГ. Совет директоров NCI предоставил ещё 25 миллионов долларов в первый год после ARRA, направленных на анализ последовательностей, и ещё 25 миллионов долларов во второй год второй фазы АРГ. В общей сложности, на секвенирование образцов было выделено 150 миллионов долларов, а также 70 миллионов было направлено на сбор образцов, контроль их качества и выделение ДНК и РНК.

Ситуация на апрель 2015 года

АРГ уже включает в себя образцы от более чем 11 000 пациентов для 33 типов рака, и на сегодняшний день это самая большая коллекция опухолей. Все эти образцы анализируются на наличие ключевых геномных и молекулярных особенностей. Для 13 типов рака уже опубликованы результаты в крупных научных журналах. К концу 2014 года ученые АРГ уже практически закончили секвенирование экзомов для большинства типов опухолей и полногеномное секвенирование для более чем 1000 образцов раковых тканей. Более чем 2700 научных статей ссылаются на работы АРГ, доказывая огромную роль данного проекта в развитии представлений о раковых заболеваниях.[17]

Информация на апрель 2015 года[18][19]
Тип рака Количество проанализированных образцов Доступность данных/возможность публикации Некоторые идентифицированные мутации
Острая миелоидная лейкемия 200 +
Аденокортикальная карцинома 80 +
Уротелиальная карцинома мочевого пузыря 412 +
Глиома головного мозга 2 степени 516 + IDH1, IDH2, TP53, FUBP1, CIC, 1p/19q делеция[20]
Инвазивная карцинома груди 1098 + ESR1, GATA3, FOXA1, XBP1, и cMYB[21]
Холангиокарцинома 36 ограничения до 11/28/2015
Аденокарцинома толстой кишки 461 + Новые потенциальные различия: ARlD1A, SOX9, FAM123B/WTX; гиперэкспрессия: ERBB2, IGF2; мутации в WNT пути[22]
Рак пищевода 185 ограничения до 07/07/2015
Мультиформная глиобластома 528 + EGFR, NF1, TP53, PlK3R1, PIK3CA, IDH1, PTEN, RB1, LZTR1[23]
Сквамозная клеточная карцинома головы и шеи 528 +
Хромофобная карцинома почки 66 + мутация в промоторной области гена TERT, увеличивается экспрессия этого гена[24]
Гипернефроидный рак 536 +
Папиллярный рак почки 291 +
Гепатоцеллюлярная карцинома 377 +
Легочная аденокарцинома 521 + RIT1, MGA, абберации в NF1, MET, ERBB2 и RIT1 происходят в 13 % случаев[25]
Сквамозно-клеточная карцинома легких 504 +
Диффузная лимфома из больших В-клеток 48 +
Мезотелиома 87 ограничения до 11/14/2015
Серозная цистаденокарцинома яичника 586 + мутации в TP53 происходят в 96 % изученных случаях; мутации в BRCA1 и BRCA2 происходят в 21 % случаев[26]
Аденокарцинома поджелудочной железы 185 ограничения до 07/30/2015
Ферохромоцитома и параганглиома 179 ограничения до 07/07/2015
Аденокарцинома предстательной железы 498 +
Аденокарцинома прямой кишки 171 + Новые потенциальные различия: ARlD1A, SOX9, FAM123B/WTX; гиперэкспрессия: ERBB2, IGF2; мутации в WNT пути[22]
Саркома 261 ограничения до 11/28/2015
Кожная меланома 470 +
Аденокарцинома желудка 443 + PIK3CA, повышенный уровень метилирования ДНК, амплификация генов JAK2, CD274 и PDCD1LG2[27]
Опухоли тестикулярных эмбриональных клеток 150 ограничения до 12/18/2015
Тимома 124 ограничения до 12/18/2015
Тиреоидная карцинома 507 + EIF1AX, PPM1D, CHEK2, а также различные слияния генов[28]
Маточная карциносаркома 57 +
Саркома эндометрия матки 548 +
Увеальная меланома 80 ограничения до 11/14/2015

Примечания

  1. Home — The Cancer Genome Atlas — Cancer Genome — TCGA
  2. http://www.nih.gov/news/pr/dec2005/nci-13a.htm
  3. NIH Launches Cancer Genome Project
  4. National Institutes of Health to Map Genomic Changes of Lung, Brain, and Ovarian Cancers — TCGA
  5. NHGRI Funds Large-Scale Sequencing Centers — TCGA
  6. How It Works — TCGA
  7. Biospecimen Core Resource — TCGA
  8. Genome Characterization Centers — TCGA
  9. Genome Sequencing Centers — TCGA
  10. Genome Data Analysis Centers — TCGA
  11. Data Sharing and Data Management — TCGA
  12. The Cancer Genome Atlas — Data Portal
  13. ↑ Proteome Characterization Centers — TCGA
  14. The Cancer Genome Atlas Reports First Results Of Comprehensive Study of Brain Tumors, September 4, 2008 News Release — National Institutes of Health (NIH)
  15. Four Subtypes of Glioblastoma Discovered — TCGA
  16. ↑ The Cancer Genome Atlas Research Network. (2011) Integrated genomic analyses of ovarian carcinoma. Nature. 474(7353): 609—615
  17. The Cancer Genome Atlas (TCGA): The next stage — TCGA
  18. The Cancer Genome Atlas — Data Portal
  19. Publication Guidelines — TCGA
  20. PMID 20399149.
  21. PMID 23000897.
  22. ↑ PMID 22810696.
  23. PMID 20129251.
  24. PMID 25155756.
  25. PMID 25079552.
  26. PMID 22479643.
  27. PMID 25079317.
  28. PMID 25417114.

Атлас ракового генома.

© 2011–2023 stamp-i-k.ru, Россия, Барнаул, ул. Анатолия 32, +7 (3852) 15-49-47