Секвенирование генома рака - Cancer genome sequencing - Wikipedia

Секвенирование генома рака это полногеномное секвенирование одной, гомогенной или гетерогенной группы раковых клеток. Это биохимический лабораторный метод для характеристики и идентификации последовательностей ДНК или РНК раковых клеток.

В отличие от полногеномного (WG) секвенирования, которое обычно проводится с использованием клеток крови, таких как Дж. Крейг Вентер с [1] и Джеймс Д. Уотсон Проекты WG по последовательности,[2] слюна, эпителиальные клетки или кость - секвенирование генома рака включает прямое секвенирование ткани первичной опухоли, прилегающей или дистальной нормальной ткани, микросреды опухоли, такой как фибробластные / стромальные клетки, или участков метастатической опухоли.

Подобно полному секвенированию генома, информация, полученная с помощью этого метода, включает: идентификацию нуклеотидных оснований (ДНК или РНК), количество копий и варианты последовательности, статус мутации и структурные изменения, такие как хромосомные транслокации и гены слияния.

Секвенирование ракового генома не ограничивается секвенированием WG и также может включать экзом, транскриптом, секвенирование микрономов и профилирование конечной последовательности. Эти методы могут использоваться для количественной оценки экспрессия гена, miRNA выражение и определить альтернативное сращивание события в дополнение к данным последовательности.

Первый отчет о секвенировании генома рака появился в 2006 году. В этом исследовании было секвенировано 13 023 гена в 11 опухолях молочной железы и 11 опухолях прямой кишки.[3] Последующее наблюдение было опубликовано в 2007 году, когда та же группа добавила чуть более 5000 дополнительных генов и почти 8000 видов транскриптов, чтобы завершить экзомы 11 опухолей молочной железы и колоректальной опухоли.[4] Первый полный геном рака, который был секвенирован, был получен из цитогенетически нормального острого миелоидного лейкоза по Лею. и другие. в ноябре 2008 г.[5] Первая опухоль рака груди была секвенирована Шахом. и другие. в октябре 2009 г.,[6] первые опухоли легких и кожи от Pleasance и другие. в январе 2010 г.,[7][8] и первые опухоли простаты по Бергеру и другие. в феврале 2011 г.[9]

История

Исторически сложилось так, что усилия по секвенированию генома рака были разделены между проектами секвенирования на основе транскриптомов и усилиями, ориентированными на ДНК.

Проект анатомии генома рака (CGAP) был впервые профинансирован в 1997 году.[10] с целью документирования последовательностей транскриптов РНК в опухолевых клетках.[11] По мере совершенствования технологий CGAP расширил свои задачи, включив определение профилей экспрессии генов в раковых, предраковых и нормальных тканях.[12]

CGAP опубликовала самую крупную общедоступную коллекцию рака выраженные теги последовательности в 2003 г.[13]

В Институт Сэнгера Проект генома рака, впервые профинансированная в 2005 году, занимается секвенированием ДНК. Он опубликовал список генов, причинно влияющих на рак,[14] и ряд скринингов с пересеквенированием всего генома для генов, вовлеченных в рак.[15]

В Международный консорциум генома рака (ICGC) была основана в 2007 году с целью интеграции доступных геномный, транскриптомный и эпигенетический данные множества различных исследовательских групп.[16][17] По состоянию на декабрь 2011 года ICGC включает 45 утвержденных проектов и имеет данные по 2961 геномам рака.[16]

Социальное влияние

Сложность и биология рака

Процесс онкогенеза, который превращает нормальную клетку в злокачественную, включает ряд сложных генетических и эпигенетический изменения.[18][19][20] Идентификация и характеристика всех этих изменений может быть достигнута с помощью различных стратегий секвенирования генома рака.

Сила секвенирования генома рака заключается в гетерогенности раковых заболеваний и пациентов. Большинство видов рака имеет множество подтипов, и в сочетании с этими «вариантами рака» есть различия между подтипом рака у одного человека и у другого человека. Секвенирование генома рака позволяет клиницистам и онкологам идентифицировать специфические и уникальные изменения, которые претерпел пациент, чтобы развить свой рак. На основе этих изменений может быть реализована индивидуальная терапевтическая стратегия.[21][22]

Клиническая значимость

Большой вклад в смерть от рака и неудачное лечение рака вносит клональная эволюция на цитогенетическом уровне, например, как показано на острый миелоидный лейкоз (AML).[23][24] В исследовании Nature, опубликованном в 2011 году, Ding et al. идентифицировали клеточные фракции, характеризующиеся общими мутационными изменениями, чтобы проиллюстрировать гетерогенность конкретной опухоли до и после лечения по сравнению с нормальной кровью у одного человека.[25]

Эти клеточные фракции можно было идентифицировать только с помощью секвенирования генома рака, показывающего информацию, которую может дать секвенирование, а также сложность и гетерогенность опухоли у одного человека.

Комплексные геномные проекты рака

Два основных проекта, направленных на полную характеристику рака у людей, в значительной степени включающие секвенирование, включают: Проект генома рака, на базе института Wellcome Trust Sanger и Атлас генома рака финансируется Национальным институтом рака (NCI) и Национальным институтом исследования генома человека (NHGRI). В сочетании с этими усилиями Международный консорциум генома рака (более крупная организация) - это добровольная научная организация, которая обеспечивает форум для сотрудничества между ведущими мировыми исследователями рака и геномики.

Проект генома рака (CGP)

Целью проектов «Геном рака» является выявление вариантов последовательностей и мутаций, критических для развития рака человека. Проект включает систематический скрининг кодирующих генов и фланкирующих сплайсинговых соединений всех генов в геноме человека на предмет приобретенных мутаций при раке человека. Для исследования этих событий набор образцов для открытия будет включать ДНК первичной опухоли, нормальной ткани (от тех же людей) и линий раковых клеток. Все результаты этого проекта объединяются и хранятся в База данных рака COSMIC. COSMIC также включает данные о мутациях, опубликованные в научной литературе.

Атлас генома рака (TCGA)

TCGA - это мультиинституциональная попытка понять молекулярную основу рака с помощью технологий анализа генома, включая методы крупномасштабного секвенирования генома. Сотни образцов собираются, секвенируются и анализируются. В настоящее время собираются раковые ткани: центральной нервной системы, груди, желудочно-кишечного тракта, гинекологии, головы и шеи, гематологии, грудной клетки и урологии.

Компоненты исследовательской сети TCGA включают в себя: основные ресурсы биологических образцов, центры характеристики генома, центры секвенирования генома, центры характеристики протеома, центр координации данных и центры анализа данных генома. Каждый тип рака будет подвергнут комплексной геномной характеристике и анализу. Созданные данные и информация находятся в свободном доступе через портал данных TCGA проектов.

Международный консорциум генома рака (ICGC)

Цель ICGC - «получить всестороннее описание геномных, транскриптомных и эпигеномных изменений в 50 различных типах и / или подтипах опухолей, которые имеют клиническое и социальное значение во всем мире».[16]

Технологии и платформы

Секвенирование 2-го поколения
Секвенирование 3-го поколения

При секвенировании генома рака используется та же технология, что и при секвенировании всего генома. История секвенирования прошла долгий путь, зародившись в 1977 году двумя независимыми группами - техникой ферментативного секвенирования ДНК дидокси-ДНК Фредриком Сенгером. [26] и метод химического разложения Аллена Максама и Уолтера Гилберта.[27] Следуя этим знаменательным статьям, более 20 лет спустя появилось высокопроизводительное секвенирование следующего поколения «второго поколения» (HT-NGS), а в 2010 году - технология HT-NGS третьего поколения.[28] Рисунки справа иллюстрируют общий биологический конвейер и компании, участвующие в секвенировании HT-NGS второго и третьего поколения.

Три основных платформы второго поколения включают: Roche / 454 Пиросеквенирование, ABI / SOLiD секвенирование путем перевязки, и Мостовое усиление Illumina технология секвенирования. Три основных платформы третьего поколения включают Pacific Biosciences. Секвенирование одиночных молекул в реальном времени (SMRT), Оксфорд Секвенирование нанопор, и Ионно-полупроводниковое секвенирование.

Анализ данных

Рабочий процесс секвенирования опухоли от биопсии до рекомендаций по лечению.

Как и в любом проекте секвенирования генома, чтения должны быть собранный чтобы сформировать представление о секвенируемых хромосомах. С геномами рака это обычно делается путем сопоставления считываний с человеческими. эталонный геном.

Поскольку даже незлокачественные клетки накапливают соматические мутации, необходимо сравнить последовательность опухоли с подобранной нормальной тканью, чтобы определить, какие мутации уникальны для рака. При некоторых формах рака, таких как лейкемия, сопоставление образца рака с нормальной тканью нецелесообразно, поэтому необходимо использовать другую незлокачественную ткань.[25]

Было подсчитано, что обнаружение всех соматических мутаций в опухоли потребует 30-кратного секвенирования генома опухоли и соответствующей нормальной ткани.[29] Для сравнения: первоначальный вариант генома человека имел примерно 65-кратный охват.[30]

Основная цель секвенирования генома рака - выявить мутации-драйверы: генетические изменения, которые увеличивают скорость мутаций в клетке, что приводит к более быстрой эволюции опухоли и метастазированию.[31] Трудно определить мутации драйвера только по последовательности ДНК; но движущими силами обычно являются мутации, наиболее часто встречающиеся в опухолях, они группируются вокруг известных онкогенов и, как правило, не молчат.[29] Мутации-переносчики, которые не важны для прогрессирования заболевания, случайным образом распределяются по геному. Было подсчитано, что в среднем опухоль несет c.a. 80 соматических мутаций, менее 15 из которых, как ожидается, станут драйверами.[32]

Персональный геномный анализ требует дальнейшей функциональной характеристики обнаруженных мутантных генов и разработки базовой модели происхождения и прогрессирования опухоли. Этот анализ может быть использован для составления рекомендаций по фармакологическому лечению.[21][22] По состоянию на февраль 2012 года это было сделано только для клинических испытаний пациентов, предназначенных для оценки индивидуального геномного подхода к лечению рака.[22]

Ограничения

Крупномасштабный скрининг соматических мутаций в опухолях молочной железы и колоректальной опухоли показал, что каждая из многих низкочастотных мутаций вносит небольшой вклад в выживаемость клеток.[32] Если выживаемость клеток определяется множеством мутаций с небольшим эффектом, маловероятно, что секвенирование генома позволит выявить единственную мишень «ахиллесова пята» для противораковых препаратов. Однако соматические мутации, как правило, группируются в ограниченном количестве сигнальных путей,[29][32][33] которые являются потенциальными объектами лечения.

Раки - это гетерогенные популяции клеток. Когда данные о последовательности получены из всей опухоли, информация о различиях в последовательности и характере экспрессии между клетками теряется.[34] Эту трудность можно уменьшить с помощью анализа отдельных клеток.

Клинически значимые свойства опухолей, в том числе лекарственная устойчивость, иногда обусловлены крупномасштабными перестройками генома, а не отдельными мутациями.[35] В этом случае информация о вариантах с одним нуклеотидом будет иметь ограниченную полезность.[34]

Секвенирование генома рака можно использовать для получения клинически значимой информации у пациентов с редкими или новыми типами опухолей. Перевод информации о последовательности в план клинического лечения очень сложен, требует специалистов в самых разных областях и не гарантирует, что приведет к эффективному плану лечения.[21][22]

Инциденталом

В случайный - набор выявленных геномных вариантов, не связанных с изучаемым раком.[36] (Термин - игра на имени инциденталома, который обозначает опухоли и новообразования, обнаруженные случайно при визуализации всего тела).[37] Обнаружение таких вариантов может привести к дополнительным мерам, таким как дальнейшее тестирование или управление образом жизни.[36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Сэмюэл Леви; и другие. (Октябрь 2007 г.). «Диплоидная последовательность генома отдельного человека». PLoS Биология. 5 (10): e254. Дои:10.1371 / journal.pbio.0050254. ЧВК  1964779. PMID  17803354.
  2. ^ Дэвид А. Уиллер; и другие. (Апрель 2008 г.). «Полный геном человека путем массового параллельного секвенирования ДНК». Природа. 452 (7189): 872–6. Дои:10.1038 / природа06884. PMID  18421352.
  3. ^ Сджоблом, Т .; Jones, S .; Wood, L.D .; Parsons, D. W .; Lin, J .; Barber, T. D .; Mandelker, D .; Лири, Р. Дж .; Ptak, J .; Silliman, N .; Szabo, S .; Buckhaults, P .; Farrell, C .; Meeh, P .; Марковиц, С. Д .; Уиллис, Дж .; Dawson, D .; Willson, J. K. V .; Газдар, А. Ф .; Hartigan, J .; Wu, L .; Liu, C .; Parmigiani, G .; Park, B.H .; Бахман, К. Э .; Papadopoulos, N .; Фогельштейн, Б .; Kinzler, K. W .; Велкулеску, В. Э. (2006). «Консенсусные кодирующие последовательности рака молочной железы и колоректального рака человека». Наука. 314 (5797): 268–274. Дои:10.1126 / science.1133427. ISSN  0036-8075. PMID  16959974.
  4. ^ Wood, L.D .; Parsons, D. W .; Jones, S .; Lin, J .; Сджоблом, Т .; Лири, Р. Дж .; Шен, Д .; Boca, S.M .; Barber, T .; Ptak, J .; Silliman, N .; Szabo, S .; Dezso, Z .; Устянкский, В .; Никольская, Т .; Никольский, Ю .; Карчин, Р .; Wilson, P.A .; Kaminker, J. S .; Zhang, Z .; Croshaw, R .; Уиллис, Дж .; Dawson, D .; Шипицин, М .; Willson, J. K. V .; Sukumar, S .; Поляк, К .; Park, B.H .; Pethiyagoda, C.L .; Пант, П. В. К .; Ballinger, D.G .; Спаркс, А.Б .; Hartigan, J .; Smith, D. R .; Suh, E .; Papadopoulos, N .; Buckhaults, P .; Марковиц, S.D .; Parmigiani, G .; Kinzler, K. W .; Велкулеску, В. Э .; Фогельштейн, Б. (2007). "Геномные пейзажи человеческого рака груди и колоректального рака". Наука. 318 (5853): 1108–1113. CiteSeerX  10.1.1.218.5477. Дои:10.1126 / science.1145720. ISSN  0036-8075. PMID  17932254.
  5. ^ Тимоти Лей; и другие. (Ноябрь 2008 г.). «Секвенирование ДНК цитогенетически нормального генома острого миелоидного лейкоза». Природа. 456 (7218): 66–72. Дои:10.1038 / природа07485. ЧВК  2603574. PMID  18987736.
  6. ^ Сохраб П. Шах; и другие. (Октябрь 2009 г.). «Мутационная эволюция в дольковой опухоли молочной железы, профилированная при разрешении одного нуклеотида». Природа. 461 (7265): 809–13. Дои:10.1038 / природа08489. PMID  19812674.
  7. ^ Эрин Д. Удовольствие; и другие. (Декабрь 2009 г.). «Геном мелкоклеточного рака легких со сложными признаками воздействия табака». Природа. 463 (7278): 184–90. Дои:10.1038 / nature08629. ЧВК  2880489. PMID  20016488.
  8. ^ Эрин Д. Удовольствие; и другие. (Декабрь 2009 г.). «Исчерпывающий каталог соматических мутаций генома рака человека». Природа. 463 (7278): 191–6. Дои:10.1038 / природа08658. ЧВК  3145108. PMID  20016485.
  9. ^ Майкл Ф. Бергер; и другие. (Февраль 2011 г.). «Геномная сложность первичного рака простаты человека». Природа. 470 (7333): 214–20. Дои:10.1038 / природа09744. ЧВК  3075885. PMID  21307934.
  10. ^ Э. Пинниси (май 1997 г.). «Каталог генов рака одним щелчком мыши». Наука. 267 (5315): 1023–4. Дои:10.1126 / science.276.5315.1023. PMID  9173535.
  11. ^ Б. Куска (декабрь 1996 г.). "Проект анатомии генома рака готов к взлету". Журнал Национального института рака. 88 (24): 1801–3. Дои:10.1093 / jnci / 88.24.1801. PMID  8961968.
  12. ^ "Проект анатомии генома рака (CGAP) | Инициатива по характеристике генома рака (CGCI)". Cgap.nci.nih.gov. Получено 2013-09-14.
  13. ^ [1] В архиве 3 мая 2011 г. Wayback Machine
  14. ^ "COSMIC: перепись гена рака". Sanger.ac.uk. Архивировано из оригинал 2 июля 2013 г.. Получено 2013-09-14.
  15. ^ www-core (веб-команда) (30.01.2013). «Проект генома рака (CGP) - Wellcome Trust Sanger Institute». Sanger.ac.uk. Архивировано из оригинал 2 июля 2013 г.. Получено 2013-09-14.
  16. ^ а б c «Международный консорциум генома рака». Icgc.org. Получено 2013-09-14.
  17. ^ Международный консорциум по геному рака (апрель 2010 г.). «Международная сеть проектов генома рака». Природа. 464 (7291): 993–8. Дои:10.1038 / природа08987. ЧВК  2902243. PMID  20393554.
  18. ^ Кеннет В. Кинзлер; и другие. (Октябрь 1996 г.). «Уроки наследственного колоректального рака». Клетка. 87 (2): 159–70. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 81333-1. PMID  8861899.
  19. ^ Питер А. Джонс; и другие. (Февраль 2007 г.). «Эпигеномика рака». Клетка. 128 (4): 683–92. Дои:10.1016 / j.cell.2007.01.029. ЧВК  3894624. PMID  17320506.
  20. ^ Анджела Х. Тинг; и другие. (Декабрь 2006 г.). «Эпигеном рака - компоненты и функциональные корреляты». Гены и развитие. 20 (23): 3215–31. Дои:10.1101 / gad.1464906. PMID  17158741.
  21. ^ а б c Jone, S.J .; и другие. (2010). «Развитие аденокарциномы в ответ на селекцию целевыми ингибиторами киназ». Геномная биология. 11 (8): R82. Дои:10.1186 / gb-2010-11-8-r82. ЧВК  2945784. PMID  20696054.
  22. ^ а б c d Roychowdhury, S .; и другие. (Ноябрь 2011 г.). «Персонализированная онкология посредством интегративного высокопроизводительного секвенирования: пилотное исследование». Научная трансляционная медицина. 3 (111): 111ra121. Дои:10.1126 / scitranslmed.3003161. ЧВК  3476478. PMID  22133722.
  23. ^ Джозеф Р. Теста; и другие. (Сентябрь 1979 г.). «Эволюция кариотипов при остром нелимфоцитарном лейкозе». Исследования рака. 39 (9): 3619–27. PMID  476688.
  24. ^ Гарсон ОМ; и другие. (Июль 1989 г.). «Цитогенетические исследования 103 больных острым миелолейкозом в стадии рецидива». Генетика и цитогенетика рака. 40 (2): 187–202. Дои:10.1016/0165-4608(89)90024-1. PMID  2766243.
  25. ^ а б Ding, L .; и другие. (Январь 2012 г.). «Клональная эволюция при рецидиве острого миелоидного лейкоза, выявленная с помощью полногеномного секвенирования». Природа. 481 (7382): 506–10. Дои:10.1038 / природа10738. ЧВК  3267864. PMID  22237025.
  26. ^ Фредерик Сэнгер; и другие. (Декабрь 1977 г.). «Секвенирование ДНК с помощью ингибиторов обрыва цепи». PNAS. 74 (12): 104–8. PMID  1422003.
  27. ^ Аллан Максам; Уолтер Гилберт (февраль 1977 г.). «Новый метод секвенирования ДНК». PNAS. 74 (2): 560–4. Дои:10.1073 / пнас.74.2.560. ЧВК  392330. PMID  265521.
  28. ^ Чандра Шекхар Парик; и другие. (Ноябрь 2011 г.). «Технологии секвенирования и секвенирование генома». Журнал прикладной генетики. 52 (4): 413–35. Дои:10.1007 / s13353-011-0057-х. ЧВК  3189340. PMID  21698376.
  29. ^ а б c Straton, M. R .; Кэмпбелл, П. Дж .; Футреал, П.А. (Апрель 2009 г.). «Геном рака». Природа. 458 (7239): 719–724. Дои:10.1038 / природа07943. ЧВК  2821689. PMID  19360079.
  30. ^ Lander, E.S .; и другие. (Февраль 2001 г.). "Начальная последовательность и анализ человеческого генома" (PDF). Природа. 409 (6822): 860–921. Дои:10.1038/35057062. PMID  11237011.
  31. ^ Вонг, К. М .; Hudson, T. J .; Макферсон, Дж. Д. (сентябрь 2011 г.). «Раскрытие генетики рака: секвенирование генома и не только». Ежегодный обзор геномики и генетики человека. 12: 407–30. Дои:10.1146 / annurev-genom-082509-141532. PMID  21639794.
  32. ^ а б c Wood, L.D .; и другие. (Ноябрь 2007 г.). «Геномные ландшафты человеческого рака молочной железы и колоректального рака». Наука. 318 (5853): 8–9. CiteSeerX  10.1.1.218.5477. Дои:10.1126 / science.1145720. PMID  17932254.
  33. ^ Jones, S .; и другие. (Сентябрь 2008 г.). «Основные сигнальные пути при раке поджелудочной железы человека, выявленные глобальным геномным анализом». Наука. 321 (5897): 1801–6. Дои:10.1126 / science.1164368. ЧВК  2848990. PMID  18772397.
  34. ^ а б Миклош, Г. Л. (май 2005 г.). «Проект генома рака человека: еще одна ошибка в войне с раком». Природа Биотехнологии. 23 (5): 535–7. Дои:10.1038 / nbt0505-535. PMID  15877064.
  35. ^ Duesberg, P .; Расник, Д. (2004). «Анеуплоидия приближается к высшему баллу в прогнозировании и профилактике рака: основные моменты конференции, состоявшейся в Окленде, штат Калифорния, в январе 2004 г.». Клеточный цикл. 3 (6): 823–8. Дои:10.4161 / cc.3.6.938. PMID  15197343.
  36. ^ а б Kohane, I.S .; Masys, D. R .; Альтман, Р. Б. (2006). «Инциденталом: угроза геномной медицине». JAMA. 296 (2): 212–215. Дои:10.1001 / jama.296.2.212. PMID  16835427.
  37. ^ Секвенирование раковых генов поднимает новые проблемы медицинской этики пользователя Дженис К. Келли. 6 сентября 2013 г.

внешняя ссылка