Ученые создают нанопространства, чтобы изучить рост раковых клеток

Ученые из Университета ИТМО вместе с зарубежными коллегами предложили наномашины на основе ДНК, которые можно применять для генной терапии рака. Новая разработка поможет сделать лечение онкологических заболеваний более эффективным и селективным. Результаты опубликованы в Angewandte Chemie.

Применение генной терапии считается одним из перспективных способов борьбы с онкологическими заболеваниями, однако существующие методики далеки от совершенства. Они зачастую не могут отличить раковую клетку от здоровой и с трудом могут взаимодействовать с целевыми РНК-последовательностями, свернутыми во вторичную структуру.

Для решения этих проблем ученые, в том числе российская группа из Университета ИТМО во главе с профессором Дмитрием Колпащиковым, предложила специальные наномашины.

Механизм их действия основан на использовании особых молекул – дезоксирибозимов, которые могут специфично взаимодействовать с целевыми РНК: связывать, раскручивать и разрезать.

По задумке ученых наномашина должна распознавать ДНК-онкомаркеры (последовательности нуклеотидов, специфичные для рака) и образовывать комплекс, способный расщеплять матричную РНК жизненно важных генов с высокой селективностью, что впоследствии должно вызывать апоптическую смерть раковых клеток.

Ученые создают нанопространства, чтобы изучить рост раковых клеток Конструкция разработанной ДНК-наномашины

Исследователи протестировали работоспособность ДНК-наномашин в модельном эксперименте и убедились, что они способны более эффективно разрезать сложенные во вторичную структуру молекулы РНК, чем исходные дезоксирибозимы.

Было показано, что особая конструкция ДНК-наномашины позволяет расщеплять целевые РНК только в присутствии ДНК онкомаркера, а применение РНК-расплетающих рук вносит значительный вклад в эффективность работы ДНК-машины.

Также ученые установили, что наномашина может ингибировать рост раковых клеток, однако в клеточных экспериментах не наблюдалось высокой специфичности. Исследователи связывают данный результат с возможным неудачным выбором целевой РНК мишени и низкой стабильностью ДНК структур в клетке.

Разработанный подход принципиально отличается от используемых ранее. Известные геннотерапевтические препараты направлены на подавление экспрессии онкомаркеров.

Однако в этой работе ученые нацелились на матричную РНК жизненно важных генов, а раковый маркер использовали в качестве активатора ДНК конструкции.

Это позволит применять ДНК-наномашину для лечения любого типа рака, при помощи новых ДНК-онкомаркеров для активации расщепления целевых молекул.

Таким образом, применение разработанной ДНК-наномашины открывает новые пути для терапии раковых заболеваний. Однако для его непосредственного применения в терапии необходимо провести еще большое количество экспериментов.

Ученые создают нанопространства, чтобы изучить рост раковых клеток Дарья Недорезова

«Сейчас мы пробуем вводить в конструкцию новые функциональные единицы для более эффективного распознавания онкомаркеров и занимаемся оптимизацией ДНК-наномашины на различных РНК-мишенях.

Для улучшения эффективности и селективности наших конструкций в клеточных условиях мы занимаемся подбором новых РНК-мишеней и изучаем стабильность ДНК-наномашин в клетках, которую мы планируем улучшить путем известных химических модификаций», – комментирует Дарья Недорезова, студент 2 курса магистратуры Химико-биологического кластера, сотрудник международной лаборатории SCAMT Университета ИТМО.

Статья: Towards DNA Nanomachines for Cancer Treatment: Achieving Selective and Efficient Cleavage of Folded RNA. Dmitry M Kolpashchikov et al. Angewandte Chemie. 28 January, 2019.

Ученые научились добывать «идеальные» 3D-клеточные культуры для исследования рака

Группа исследователей из Венгрии, России и Финляндии разработала систему SpheroidPicker, которая умеет выделять раковые клетки определенной формы и размера (сфероиды). Этот первый в своем роде прибор, работающий на основе искусственного интеллекта, позволит стандартизировать работу с образцами опухолей.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. В работе над проектом принимал участие младший научный сотрудник Научно-учебной лаборатории искусственного интеллекта для вычислительной биологии НИУ ВШЭ Никита Мошков.

Для изучения методов лечения рака используется метод ex vivo, что в переводе с латыни буквально означает «то, что происходит вне организма».

У пациента берется образец клеток опухоли, и в специальных условиях они подвергаются воздействию, что дает возможность подбирать средства и методы индивидуального лечения.

Такой подход позволяет исследовать редкие формы рака, когда применение новых методов лечения затруднено из-за небольшого числа пациентов.

В исследованиях ex vivo широко используются двумерные образцы, состоящие из единичного слоя раковых клеток. Однако свойства реальных опухолей отличаются от двумерных образцов, и более реалистичный отклик на воздействие лекарств дают трехмерные клеточные структуры, поскольку они позволяют исследовать проникновение лекарств и развитие опухолей.

Среди многообразия возможных трехмерных форм, наиболее приближена к реальным свойствам — модель сфероиды, в которой клетки опухоли образуют сферу. Благодаря своей структуре сфероиды опухоли имеют микросреду, которая напоминает характеристики настоящий опухолей и лучше имитируют раковые поражения, чем однослойные культуры.

Использование трехмерных клеточных структур по-прежнему сопряжено с различными трудностями.

Во-первых, отсутствует единый протокол для создания сфероид, в анализах используются образцы разной формы и до сих пор в большинстве случаев отбор клеток происходит вручную.

Во-вторых, современные устройства не позволяют удобно переносить выбранные сфероиды в отдельное место для последующего изучения.

Ученые создают нанопространства, чтобы изучить рост раковых клеток

Авторы работы предложили решение обеих проблем. Они смогли объединить в один механизм два основных этапа создания трехмерных культур раковых клеток: выбор сфероидов правильной формы и их последующий перенос в необходимую среду.

Ученые разработали быстрый и точный метод поиска сфероидов на основе технологий глубинного обучения.

Для обучения моделей создана уникальная база изображений раковых клеток различной формы, и обучена модель, способная обнаруживать и сегментировать необходимые объекты.

В установке используется микроскоп с большим полем зрения, который позволяет проводить эффективное и быстрое исследование образцов. Микроманипулятор перемещает стеклянный капиллярный стержень с выбранными сфероидами.

«Особенность нашей разработки в том, что она оперативно может указать морфологические свойства, которые требуются для выбранных объектов, например диапазон размеров.

Перенос сфероид не влияет на морфологию и жизнеспособность клеток, поэтому в будущем SpheroidPicker может стать незаменимым инструментом для исследования лекарств против рака и новых протоколов лечения», – считает один из авторов, младший сотрудник Научно-учебной лаборатории искусственного интеллекта для вычислительной биологии ВШЭ Никита Мошков.

Пожалуйста, оцените статью:

Ученые создали «нанодрели» для сверления раковых клеток

Молекулярная наномашина легко «пробуривается» сквозь клеточную мембрану, оставляя поры и приводя к гибели клетки.

Двойная полупроницаемая мембрана замечательно защищает клетку, и для проникновения сквозь нее биологам приходится использовать целый арсенал средств: от сверхтонких стеклянных игл до электрических и магнитных полей, ультразвука, температурного шока и т. д. В зависимости от задач и условий применяют тот или иной подход, внося в клетку нужные ученым вещества и частицы.

Однако нанотехнологии обещают стать универсальным решением, которое не только ускорит новые исследования, но и поможет побеждать рак, «взламывая» и «высверливая» мембраны опухолевых клеток. Такую наномашину представила большая команда ученых во главе с Джеймсом Туром (James Tour) из Университета Райса, статью которых публикует журнал Nature.

В основе своей структура этого молекулярного комплекса действительно повторяет обыкновенную электродрель. Основу составляет неподвижный статор, который закрепляется на мембране «распорками». Воздействие ультрафиолетовых лучей запускает ротор, и тот начинает вращаться со скоростью 2–3 млн оборотов в секунду, буквально пробуриваясь сквозь мембраны клеток и оставляя открытые поры.

Ученые создают нанопространства, чтобы изучить рост раковых клеток

©García-López et al., 2017

Лабораторные эксперименты показали, что в клетках тканей почек человека «в пробирке» такие наноустройства оставляют отверстия уже за минуту, после чего те погибают.

Более того, ученые могут модифицировать функциональные группы на статоре наномашины так, чтобы те крепились только к определенным структурам на клеточных мембранах.

Это позволяет делать их избирательными и атаковать только определенные типы клеток – и это также было продемонстрировано в лаборатории, когда устройства успешно уничтожили клетки рака простаты, но почти не повредили обычные фибробласты мышей.

Учёные нашли способ изучать ДНК любых тканей человека на нано-уровне — это позволит узнать больше о раке и старении — Наука на TJ

Исследователи уже сделали первое открытие благодаря новому методу.

{«id»:375498}

Учёные из Института Сенгера впервые нашли способ изучать изменения в ДНК любой человеческой ткани. Новый метод позволяет исследовать генетические мутации на нано-уровне с беспрецедентной точностью, говорится в результатах работы, опубликованных в Nature.

Метод назвали секвенированием наночастиц (NanoSeq), он позволяет изучать образцы крови, толстой кишки, мозга и мышц. Как предполагают учёные, новый способ позволит исследовать эффект от влияния канцерогенов на здоровые клетки и делать это в гораздо больших масштабах, чем было возможно до сих пор.

Ткани в теле человека состоят из делящихся и неделящихся клеток. Большинство из них не делятся или делятся очень редко, в том числе гранулоциты в крови, которые генерируются каждый день и живут лишь очень короткое время или нейроны в мозгу, которые живут намного дольше. При этом стволовые клетки обновляются всю жизнь.

В процессе старения в теле человека происходят генетические изменения, которые называют соматическими мутациями. Это естественный процесс, во время которого клетки проходят от 15 до 40 мутаций в год. Большинство из изменений безобидные, но некоторые из них могут превратить клетку в раковую.

Учёные уже давно изучают процессы формирования рака, но до сих пор точности оборудования не хватало для исследования неделящихся клеток — соматические мутации зачастую невозможно было наблюдать.

Читайте также:  Рак молочной железы: первые признаки и симптомы рака груди, причины появления и стадии опухоли молочной железы

Исследователи из Института Сенгера использовали NanoSeq для сравнения скорости мутаций в стволовых и неделящихся клетках в нескольких типах тканей человека. Результаты исследования поставили под вопрос роль деления в мутации кровяных клеток.

Оказалось, что и в медленно делившихся стволовых клетках, и в быстро делившихся клетках было одинаковое число мутаций. Исследователи предположили, что деление является не главной причиной возникновения мутаций в клетках крови. Анализ нейронов и клеток мышц также показал, что мутации с одинаковой скоростью накапливаются как в клетках, которые не делятся, так и в клетках крови.

Возможность наблюдать мутации во всех клетках открывают новые способы изучать рак и старение — например, изучать влияние отдельных канцерогенов вроде табака или солнечного излучения, а также находить новые канцерогены. В будущем эти исследования позволят улучшить понимание того, как образ жизни влияет на то, что люди заболевают раком.

Отдельное преимущество метода NanoSeq — лёгкий сбор образцов. Вместо забора ткани клетки можно собирать неинвазивным методом, например, соскабливая кожу или сделав мазок из горла.

{«contentId»:375498,»count»:0,»isReposted»:false}

{«id»:375498}

Российские ученые создали наноробота, убивающего раковые клетки

 © Depositphotos / efks© Depositphotos / efks

Создание эффективных препаратов для борьбы с онкологическими заболеваниями, которые бы при этом не вызывали тяжелых побочных эффектов — одна из важнейших задач для химиков, фармацевтов и биологов. Большие надежды ученые возлагают на генную терапию, направленную на борьбу с мутациями, которые возникают в клетках человека.

«ДНК — это основа клетки, она содержит генетическую информацию, которая нужна, чтобы кодировать белки, жизненно необходимые для существования клетки, — приводятся в пресс-релизе университета слова Екатерины Гончаровой, одного из авторов исследования.

— Когда клетка становится раковой, у нее происходит сбой в геноме, после чего она начинает синтезировать “плохие” белки — не те, которые нужны нашему организму.

В результате клетки начинают бесконтрольно размножаться, этот процесс не остановить — опухолевая масса увеличивается и увеличивается».

Если процесс выработки связанных с болезнью белков прекратить, то раковые клетки не смогут делиться и начнут отмирать. Ферменты ДНК, называющиеся дезоксирибозимами, могут при определенных условиях расщеплять связи в РНК, кодирующих патогенные белки.

Ученые из ИТМО вместе со своими американскими коллегами из Университета Центральной Флориды изучили свойства некоторых дезоксирибозим, способных распознавать патогенные молекулы РНК и разрезать их.

Синтезировав в лаборатории такие самокопирующиеся дезоксирибозимы, авторы создали на их основе своеобразного наноробота, способного помечать определенные типы раковых клеток при помощи светящихся молекул и уничтожать их.

«Наш ДНК-наноробот состоит из двух частей: детекционной и терапевтической, — поясняет Гончарова. — Терапевтическая часть разрезает патогенную РНК: чем больше мы разрезаем ее, тем меньше вырабатывается белка, который несет вред.

Вторая часть нашего робота позволяет обнаруживать пораженные клетки — при наличии “неправильной” РНК в клетке наше вещество соединяется с олигонуклеотидом, который искусственно введен в клетку, расщепляет его, при этом происходит флуоресцентное свечение».

Свою разработку ученые проверили на модельном гене KRAS, который при большинстве онкозаболеваний служит «молекулярным переключателем», активирующим неограниченный рост клеток. Наноробот успешно обнаружил РНК, ответственную за синтез патогенных белков, и смог расщепить ее. Новый нанодевайс выборочно подсвечивает и расщепляет молекулы РНК, связанные с KRAS, игнорируя все остальные молекулы.

Впереди эксперименты на живых клетках и животных. Ученым также предстоит решить проблему доставки наноробота к пораженным клеткам. Работы над нано-контейнерами для адресной доставки препаратов в настоящее время активно ведутся в различных лабораториях, в том числе в Университете ИТМО.

В пресс-службе Университета ИТМО отметили, что еще одним потенциальным преимуществом предложенного концепта является цена. Создание такого наноробота даже в лабораторных условиях обходится в 1000-1500 рублей.

"За этим будущее": Онколог объяснил, когда смогут применять наноробота для убийства раковых клеток

Пластический хирург, онколог Дмитрий Петровский прокомментировал новость о последней разработке ученых из Санкт-Петербурга, которые создали наноробота для поиска и убийства раковых клеток.

Врач объяснил, что подобные разработки ведут и зарубежные ученые. Российские исследователи открыли один из «механизмов прикрепления этого ДНК робота к опухолевой клетке».

Медик убеждён, что «за этим будущее».

Онколог, маммолог и пластический хирург Дмитрий Петровский прокомментировал разработку российских ученых, которые создали наноробота для борьбы с онкологическими заболеваниями. Как объясняют создатели концепции, онкологические заболевания провоцирует сбой в геноме клетки, когда она начинает кодировать «плохие» белки.

В конце концов клетки начинают бесконтрольно размножаться, опухоль всё разрастается. Чтобы победить болезнь, можно попытаться остановить процесс «выработки белков». В результате раковые клетки больше не смогут размножаться и будут отмирать.

Российские учёные выработали ферменты ДНК, которые могут расщеплять клеточные связи при определённых условиях.

«Эти работы ведутся во всём мире и достаточно успешно, достаточно давно. Прорывные технологии были предложены китайскими учёными, американскими учёными. Достаточно много разработок на эту тему в Европе. Потому ребята из Питера, насколько я понимаю, не стали первыми, не что-то открыли такое сверхнеординарное.

Это давно длящаяся история. Их разработка, в принципе, нова в том, что они начали исследовать один их механизмов прикрепления этого ДНК робота к опухолевой клетке, который раньше не исследовали, и собственно, они в этом молодцы, и это хорошо. Но этих механизмов прикрепления достаточно много.

Ещё новое в их исследовании — то, что они предложили не только механизм воздействия на опухолевую клетку, но заодно эту опухолевую клетку они помечают. Соответственно, две сразу ипостаси этого наноробота.

В том, чтобы эту опухолевую клетку повредить, соответственно, из-за этого умрёт опухолевая, и заодно её пометить, и это упростит диагностику метастазов и первичной опухоли», — рассказал Петровский.

При этом он подчеркнул, что впереди еще долгие тесты и исследования. До исследований в лабораторных условиях пройдет еще не меньше 10-12 лет. Пока же еще не проходило даже тестов на животных.

«Именно за этим, собственно говоря, будущее. Именно это принесёт действительно возможность излечения человеческого организма от злокачественной опухоли. Это один из перспективных методов излечения. Поэтому работа идёт.

Насколько она будет дёшева именно в производстве уже, насколько будет она эффективна, могут показать только клинические испытания, которые будут проведены, по самым оптимистичным прогнозам, через 10-12 лет», — подчеркнул онколог.

Кроме того, Петровский рассказал, что проходит много исследований по лечению злокачественных опухолей. Но пока прорывов нет.

«Есть достаточно много исследований в иммунотерапии различных форм рака. Это стимулирование защитных свойств, защитных механизмов человеческого организма.

То есть вводятся катализаторы, которые побуждают клетки человеческого организма атаковать опухолевые клетки и разрушать их. У каждого человека ежедневно образуется примерно около 10 тысяч опухолевых клеток.

И соответственно, специфические противораковый имунитет, который есть у каждого человека, с ними борется и эти клетки уничтожает. В силу каких-то причин противораковый иммунитет может страдать. То есть он не сможет уже справиться с этими 10 тысячами.

Или наоборот, в силу каких-то причин этих опухолевых клеток стало не 10 тысяч, а, например, 150 тысяч. Его просто не хватает. Соответственно, из-за этого возникает опухоль», — объяснил врач.

Онколог сообщил, что разработки ведутся во всех странах мира. Обычно в это вкладываются корпорации, так называемая Биг Фарма. Однако в России пока основная часть финансирования идёт от государства.

Российские ученые создали полимерные наночастицы, уничтожающие раковые клетки

Российские ученые разработали новый тип полимерных наночастиц, которые могут соединяться с оболочкой раковых клеток и заставляют их самоуничтожиться. Результаты исследования опубликовал научный журнал Pharmaceutics, кратко об этом пишет пресс-служба РХТУ им. Менделеева.

«Мы сравнили воздействие на клетки свободных молекул противоопухолевого цитокина TRAIL DR5-B и наших наночастиц, нагруженных этим же белком. Оказалось, что наночастицы превосходят свободный DR5-B во всех протестированных моделях. Можно говорить о том, что соединение белка с наночастицами усилило его способность убивать опухолевые клетки», – рассказал один из авторов исследования, заведующий кафедрой РХТУ Андрей Кусков.

Читайте также:  Химиотерапия при раке молочной железы: особенности проведения

Кусков и его коллеги пришли к такому выводу в ходе экспериментов с новым типом полимерных наночастиц. Их поверхность была устроена таким образом, что к ней могли присоединяться молекулы белка TRAIL DR5-B. Это вещество может соединяться с определенными рецепторами на оболочке раковых клеток и запускать в них апоптоз – биологическую программу самоуничтожения.

В прошлом, как отмечают исследователи, ученые уже пытались «спрятать» это соединение и его аналоги в различные жировые наноструктуры, однако подобная упаковка не повышала эффективности его действия и не защищала белок от быстрого вывода через почки животных или пациентов.

Кусков и его коллеги решили эту проблему с помощью полимерных наночастиц, состоящих из веществ, по структуре и свойствам похожих на ключевые компоненты мембраны живых клеток. Поверхность этих наноструктур ученые изменили таким образом, что модифицированные молекулы TRAIL DR5-B активно соединялись с ней даже при комнатной температуре и в нейтральной химической среде.

Работу наночастиц ученые проверили на нескольких культурах клеток рака толстой кишки и молочной железы. Последующие наблюдения показали, что эти наноструктуры активно уничтожали все типы опухолевых культур и при этом они не затрагивали жизнедеятельность здоровых клеток человека.

В дополнение к этому Кусков и его коллеги обнаружили, что созданные ими наночастицы воздействовали и на клетки, которые обычно остаются неуязвимыми для TRAIL DR5-B. Как предполагают ученые, это произошло из-за того, что наночастицы позволяют достичь необычно высокой концентрации данного белка на поверхности клеток, что заставляет их самоуничтожиться.

Эффективность действия этих наночастиц, как отмечают ученые, можно дополнительно усилить, если поместить в их полую сердцевину еще один набор молекул, который будет усиливать действие TRAIL DR5-B или других белков, присоединенных к оболочке наноструктур. В ближайшее время специалисты планируют проверить это предположение в опытах на культурах клеток и модельных животных.

Источник ТАСС

Ученые завершили крупнейший проект картографии путей, ведущих к раку Мутационные подписи, вредное омолаживание и салат из ДНК — Meduza

Данное сообщение (материал) создано и (или) распространено иностранным средством массовой информации, выполняющим функции иностранного агента, и (или) российским юридическим лицом, выполняющим функции иностранного агента.

???? ???? ???? ???? ???? Нам нужна ваша помощь. Пожалуйста, поддержите «Медузу»

В начале февраля завершился большой международный проект Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) по сбору и анализу данных, касающихся раковых опухолей.

Благодаря сотрудничеству ученых с четырех континентов из 744 научно-исследовательских учреждений удалось сделать детальный анализ более 2600 опухолевых образцов 38 типов тканей.

Универсального лекарства от рака проект не обещает и порождает новые вопросы о механизмах, с помощью которых болезнь ежегодно уносит миллионы человеческих жизней. Но ученые полагают, что он позволит вывести знания человечества о генетике рака на принципиально новый уровень, а, значит, сделает его ближе к победе над болезнью.

Пришлось изучить тысячи образцов опухолей, взятые у разных людей. Иначе нельзя разобраться, как устроен рак

Совокупность раковых заболеваний является второй причиной смертности в мире; ежегодно от рака умирает около 8 миллионов людей, и, по некоторым прогнозам, это число увеличится на 50% в ближайшие пару десятилетий.

Несмотря на то, что на проведение исследований, связанных с раком, уходит, по разным оценкам, до 90% общего финансирования биологических и медицинских наук в мире, выяснение причин возникновения и развития многих типов рака, а также разработка методов эффективной их диагностики и лечения, все еще недостижимо.

Ответ на вопрос, почему так происходит, состоит в самой природе возникновения раковых заболеваний.

Раковая опухоль, по сути своей, является бессмертной, способной к бесконтрольному размножению, защищенной от воздействия иммунитета самостоятельной системой; более того, придти к такому состоянию она может самыми разными путями.

Единого универсального способа развития опухолей, который можно было бы легко отследить и «заблокировать», не существует.

Поэтому надежда победить эту болезнь окончательно кроется не во внезапном озарении и подборе одной гениальной концепции, а в максимально масштабном и при этом детальном исследовании всех возможных типов опухолей, которые возникают, развиваются, реагируют на успешное или неуспешное лечение, проявляются вторично и так далее.

На данный момент одной из самых крупных платформ, посвященных сбору и анализу всевозможных данных по раковым опухолям, является программа The Cancer Genome Atlas (TCGA), возникшая в 2006 году.

Она предоставляет более 2,5 петабайт данных, лежащих в открытом доступе для анализа их учеными по всему миру.

Помимо TCGA такими исследованиями на глобальном уровне занимается консорциум International Cancer Genome Consortium (ICGC). 

Обе эти платформы (TCGA и ICGC) и являются основными участниками проекта Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG). В названии этого проекта, которое переводится как «пан-раковый полногеномный анализ», частица «пан» подразумевает, что анализируется широкий спектр геномов.

Традиционно термин «пангеном» относится к бактериям, потому что внутри одного их вида даже число генов в геномах разных представителей может сильно различаться. Совокупность всех генов у всех известных представителей некоторого вида или рода и называют пангеномом.

В случае бактерий число генов в пангеноме и внутри генома одной особи может отличаться на порядок — здесь становится понятным, что полной картины, прочитав геном всего одной особи, не получишь. У высших же организмов, в особенности, животных, такого, как правило, не бывает.

У двух разных людей с огромной долей вероятности будет одинаковое число генов, хотя сами гены эти, разумеется, будут обладать отличиями.

Тем не менее, авторы проекта сочли разнообразие всевозможных генетических характеристик раковых опухолей столь значительным, что назвали свой проект «пан-раковым». Всего в рамках PCAWG было прочитано 2658 геномов раковых опухолей, причем к каждому из них также был прочитан и «контрольный» образец, то есть образец здоровой ткани того же самого человека.

Изучали не только гены, но и ту часть генома, которую раньше считали «мусором». Межгенные пространства ДНК тоже влияют на развитие рака

В отличие от многих других проектов, участники PCAWG анализировали не только гены, но весь геном, в том числе межгенные пространства, которые у человека составляют не менее 98% генома, но функции и структура которых все еще недостаточно хорошо ясны.

Хотя человеческий геном прочитан уже почти двадцать лет назад, знание последовательности «букв» вовсе не означает понимания того, что в нем записано. В человеческом геноме около трех миллиардов «букв». Примерно 1-2% из них относятся к генам, то есть кодируют белки — это около двадцати тысяч генов, каждый из которых состоит из десятков тысяч «букв».

В пространствах между генами расположены всевозможные регуляторные участки, необходимые для правильной координации работы генов, а также, например, множество «мобильных элементов», которые, на первых взгляд, кажутся то ли мусором, то ли паразитическими объектами вроде вирусов, использующими наш геном как площадку для собственного размножения и распространения. 

Однако в последнее время становится все яснее, что «просто мусора» в ДНК, по-видимому, почти нет, и даже пресловутые мобильные элементы играют в эволюции и в жизни своих хозяев множество разных ролей.

Именно они стали причиной возникновения, например, механизмов приобретенного иммунитета у млекопитающих. Недавние исследования показали, что в мозге они, по всей видимости, участвуют в когнитивных процессах и формировании памяти в течение жизни человека.

Кроме того, новые встройки активных мобильных элементов иногда вызывают рак. 

Люди еще очень многого не знают как о межгенных пространствах, так и о функциях и способах взаимодействия генов. Получение новых данных о последовательностях геномов, РНК или белков в тех или иных клетках не подразумевает автоматического понимания того, что именно мы при этом наблюдаем.

Но именно широкомасштабное сравнение данных из образцов людей, о которых что-то известно, позволяет получать все более полную картину о генетике человека и о причинах его заболеваний. Поэтому были собраны не только данные из образцов опухолей, но и о пациентах, от которых эти образцы получены.

 

Кроме того, было также проанализированоы 1188 раковых транскриптомов — совокупностей РНК в клетках; исследование РНК позволяет понять, какие участки ДНК в данном образце экспрессируются, т. е. «работают», а какие нет.

Естественно, подобные проекты подразумевает титанический труд, как в лабораториях, так и в рамках компьютерной обработки полученных данных, то есть «биоинформатической» части.

Речь идет о сотнях терабайтов данных и сложных алгоритмах на облачных серверах, которые обычно называют «пайплайнами» (из-за сходства со скрепленными в ряд трубочками, сквозь которые «прогоняют» данные).

После биоинформатической обработки зачастую необходимо вновь возвращаться к лабораторной части — ведь найденные с помощью компьютерного анализа мутации, например, обязательно нужно подтверждать экспериментально.

Ученые нашли множество механизмов возникновения и развития опухолей — вплоть до геномных катастроф, делающих из ДНК «салат»

В февральском выпуске журнала Nature опубликовано семь статей, касающихся проекта PCAWG. 

Геномные катастрофы

Первая является общим обзором данных, полученных в ходе проекта. Ученые сообщают, что в среднем каждый раковый геном содержит 4-5 «драйверных» мутаций, которые дают клеткам селективное преимущество и позволяют опухоли развиваться внутри организма. Из всех исследованных опухолей только 5% не содержали выявленных мутаций такого типа.

Более того, многие типы рака демонстрируют проявление «геномных катастроф»: в клетках появляется не несколько мутаций, а целая лавина геномных перестроек.

Катастрофы случаются в результате множественных разрывов цепей ДНК в одной или нескольких хромосомах и последующих случайных их сшивок (эти события называются хромоплексией или хромотрипсисом, в зависимости от характера и масштаба перестроек).

Читайте также:  После вакцинации COVID-19: рекомендации для онкобольных

После этого цепь ДНК внутри хромосомы может напоминать салат, нарезанный из случайных кусков, ранее находившихся в стройном порядке.

Масштаб подобных явлений стал понятен совсем недавно, потому что раньше чувствительность методов анализа ДНК не позволяла этот «салат» правильно рассмотреть — ученые работали со слишком маленькими кусочками ДНК или с недостаточным их количеством, и поэтому и не в полной мере могли отследить степень их перемешивания. 

Участники проекта PCAWG сообщают о случаях хромоплексии и хромотрипсиса в 18-22% раковых образцов; в случае акральной меланомы, например, утверждается, что они предшествуют появлению каких-либо других раковых мутаций, и могут являться изначальной причиной возникновения опухолей.

Рецепт клеточного бессмертия

Другая статья посвящена некодирующим областям генома. Авторам удалось выявить новые, ранее неизвестные участки ДНК, структурные изменения в которых могут вызывать появление опухолей.

Так, например, было показано частое появление в раковых образцах мутаций в некодирующем участке, относящемся к гену TERT, которая приводит к чрезмерному повышению работы этого гена — увеличению выработки фермента теломеразы. 

Теломераза известна как ключ к «клеточному бессмертию», поскольку она необходима для приращивания новых кусочков ДНК к концам хромосом, которые укорачиваются при каждом делении клетки.

У мышей, например, теломеразы работают всю жизнь, а вот у человека большинство клеток во взрослом возрасте ее не производят, так что ее изучению посвящено немало исследовательских проектов, связанных со старением. 

Нельзя просто «включить» повсюду теломеразу и обрести «хорошее» бессмертие. Дело в том, что активация теломеразы выключает в человеческих клетках важные сигналы, касающиеся запрограммированной клеточной смерти, необходимой в случае, например, когда клетка уже имеет ряд мутаций и рискует превратиться в раковую.

В результате «опасная» клетка выживает, не совершив клеточного самоубийства (апоптоза), как ей было положено. В сущности, именно так в раковых опухолях часто и происходит — теломераза активируется в результате структурного изменения ДНК, клетка становится бессмертной (не подвергается апоптозу, хотя геном ее продолжает быть нестабильным).

При появлении некоторых дополнительных мутаций запускается механизм ее бесконтрольного деления и она превращается в настоящую раковую клетку.

Мутационные подписи и раковые часы

Это направление исследований модификаций ДНК возникло относительно недавно.

В случае, когда в ДНК обнаруживаются мутации — например, одни ее «буквы» оказываются заменены на другие по сравнению с контрольными «здоровыми» клетками, можно изучать не только то, какие именно буквы подверглись изменениям, но и то, в каком окружении это произошло, то есть каковы были их ближайшие буквы-соседи, и нет ли в этой последовательности какой-нибудь закономерности.

Если закономерность обнаруживается, это может позволить понять, что послужило исходной причиной перерождения: ошибки в системе репликации ДНК, влияние генотоксинов (например, табака или ультрафиолетового излучения) и т. п. Эти буквенные контексты и называются подписями; разные подписи ассоциированы с разными типами рака. 

В новой работе удалось идентифицировать и описать 97 разных подписей, причем впервые были описаны подписи, связанные с крупными перестановками участков ДНК (СNV), а не только с ближайшими несколькими соседями мутировавшей «буквы».

Еще одно исследование было посвящено «молекулярным часам» опухолей. Ученые разработали методику, которая позволяет оценить, когда именно и в какой последовательности возникали мутации в данной конкретной опухоли — эта информация очень важна для понимания того, как происходит злокачественное перерождение клеток.

Один из авторов работы, заведующий группой в Институте Броуда Игнатий Лещинер так описал суть метода: «Если коротко, „тайминг“ основан на реконструкции порядка возникновения записанных в геноме мутаций: когда часть хромосом амплифицируются, мутации, которые появились до амплификации, дублируются, а те, что появились после — закрепляются только на одной копии. Зная это, можно оценить когда именно каждая из амплификаций произошла во времени — это позволяет смотреть на много лет назад в историю развития конкретной опухоли».

Такое исследование, в частности, позволяет понять, какими бывают мутационные «траектории» у опухолевых клеток, то есть по какому сценарию может идти накопление мутаций, приводящих клоны к преимущественным или, наоборот, невыигрышным позициям.

Выяснилось, в частности, что драйверные, самые важные мутации, происходят, как правило, на ранних стадиях зарождения опухоли — это порой означает, что необходимые для возникновения рака мутации в клетках человека могут появляться за годы до того, как у ему поставят соответствующий диагноз.

С помощью этого же анализа выяснилось также, что мутационные подписи в раковых клетках с развитием опухоли зачастую (не менее чем в 40% случаев) меняются. Вклад влияния внешних факторов на уже существующую опухоль оказался, в частности, переоценен, а вклад нарушения систем починки (репарации) ДНК — недооценен.

Испорченные гены

В исследовании, касающемся 1188 транскриптомов — анализе состава «работающих» участков ДНК, с которых считывается РНК, — ученые пытались выяснить вклад мутаций в работу генов. Они выяснили, что основным фактором, существенно влияющим на экспрессию генов в клетке, являются крупные структурные модификации ДНК (CNV).

Однако были найдены и более мелкие мутации, впервые описанные и оказавшиеся значимыми для раковых процессов.

Они приводят, например, к тому, что некодирующий участок ДНК превращался в часть гена и этим «портил» его последовательность; в других случаях два гена могли, например, «склеиваться» друг с другом и также менять свои функции, участвуя в развитии опухоли.

Отдельно отмечаются 87 образцов, в которых на уровне генома мутаций обнаружено не было, а на уровне РНК были выявлены изменения, которые и привели, по-видимому к возникновению раковых процессов.

Мобильные элементы

Специальный проект был посвящен исследованию генетических мобильных элементов, которые занимают не менее 50% человеческого генома.

Некоторые из них способны к «движению» внутри генома; например, активные представители семейства LINE1 умеют считывать собственную последовательность ДНК и копировать ее в новые локации.

В обычных клетках эти их способности подавляются, но иногда «блоки» могут сниматься — например, в определенные фазы размножения клеток. 

Известно, что новые встройки мобильных элементов могут приводить к нарушению работы генов-онкосупрессоров или к активации работы онкогенов, и в конечном итоге служить причиной развития опухолей.

В работе было показано, что новые встройки обнаруживаются не менее чем в 35% раковых образцов, и что их роль особенно значима в появлении структурных изменений ДНК при развитии аденокарцином пищевода, раковых образований головы и шеи (head and neck cancer) и колоректальных раках.

Накопление данных порождает много новых вопросов. Но других способов когда-нибудь победить рак нет

В целом, огромное количество данных — это новая ступень в понимании процессов, связанных с возникновением, развитием, диагностикой и методами лечения рака. С другой стороны, больший объем данных рождает все новые вопросы.

Не покидает ощущение, что чем больше копаешь, тем больше обнаруживается разнообразных механизмов, позволяющих раку уносить ежегодно миллионы жизней. Количество этих механизмов порой вызывает сомнения в возможностях современной науки.

 

Однако способ борьбы против незнания, по-прежнему, только один — это получение новых знаний. И именно поэтому ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Каждый месяц появляются сотни новых статей; способов лечения, которых раньше не было совсем, появляется все больше. Так что в масштабных проектах типа PCAWG действительно кроется надежда людей понять и победить рак.

Российские ученые создали уничтожающую раковые клетки технологию

Исследователи из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге предложили новую концепцию лечения онкологических заболеваний с помощью наноробота, который сможет распознавать и уничтожать раковые клетки по всему организму. Результаты научной работы были опубликованы в журнале Chemistry – AEuropeanjournal.

Сегодня одной из важнейших задач в онкологии учёные называют создание препаратов для борьбы с заболеванием, которые не вызывали бы сильных побочных эффектов. Большие надежды исследователи возлагают на генную терапию, направленную на уничтожение мутаций, который возникают в клетках организма.

По словам Екатерины Гончаровой, одного из авторов новой научной работы, клетка становится раковой, когда в её геноме происходит сбой. После этого начинается синтез «плохого» белка, в результате чего клетки начинают бесконтрольно размножаться.

Однако, если процесс выработки этих белков остановить, то опухолевые клетки больше не смогут делиться и начнут умирать. Учёные обнаружили, что помочь в этом могут ферменты ДНК — дезоксирибозимы.

Именно они при определённых условиях смогут расщеплять связи в РНК, кодирующих вредные белки.

Сегодня российские специалисты вместе со своими коллегами из Университета Центральной Флориды (США) проанализировали свойства некоторых дезоксирибозим, способных распознавать и разрезать патогенные молекулы РНК.

Синтезировав эти самокопирующиеся дезоксирибозимы в лабораторных условиях, учёные создали на их основе наноробота.

С помощью светящихся молекул технология может помечать определённые типы раковых клеток и уничтожать их.

Разработку исследователи проверили на модельном гене KRAS, представляющем собой так называемый «молекулярный переключатель» при большинстве онкозаболеваний. Именно он активирует неограниченный рост мутировавших клеток. В результате эксперимента наноробот смог успешно обнаружить РНК, ответственную за синтез патогенного белка, и расщепить её.

Теперь учёные планируют опробовать свою технологию на живых клетках и животных. Кроме того, предстоит решить проблему доставки наноробота к поражённым клеткам. В настоящий момент в различных лабораториях ведутся работы над нано-контейнерами. Как отметили в пресс-службе Университета ИТМО, создание такого наноробота обойдётся в 1000 – 1500 рублей.

Ранее учёные из Канадского института перспективных исследований выдвинули гипотезу о том, что рак, ожирение и диабет могут передаваться от человека к человеку через микробиомы– крошечные бактерии, существующие на коже или в тканях органов. По их словам, если она окажется верной, то это изменит представление о том, что неинфекционные заболевания не являются заразными.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector