#DecodămCancerul. Studiul transcriptomului în oncologie. Care este rolul analizei expresiei genice în înțelegerea biologiei cancerului?




Cancerul reprezintă o boală complexă, produsă prin acumularea unor modificări la nivelul genomului celulelor, care conduc la alterarea sistemelor de control și reglare a diviziunii celulare. Astfel, caracterizarea cancerelor doar în funcție de localizare devine superficială și incompletă, iar atenția se îndreaptă tot mai mult către diagnosticul molecular, care permite o înțelegere mult mai clară a tumorii, a încărcăturii și a profilului mutațional al acesteia.

O dată cu finalizarea Proiectului Genomului Uman (PGU), s-a făcut trecerea de la studiul izolat al genelor la medicina genomică, studiul tuturor genelor din genom și interacțiunilor dintre acestea. Numărul de studii aflate în desfășurare în domeniul oncologiei moleculare este de atunci într-o continuă creștere, iar rezultatele de până acum sunt promițătoare și îndreaptă practica medicală în direcția medicinei de precizie, cu rezultate net superioare. Genomica introduce astfel un nou mod de gândire în medicina modernă, abordarea personalizată a fiecărui pacient.

abonare

Medicina de precizie își propune o selecție corectă a pacienților și a terapiilor personalizate pentru aceștia pe baza genomicii și a științelor emergente. Provocările majore survin din diferențele care există între cancere, de la tipul tumorii, de la pacient la pacient, de la o clonă celulară la alta și chiar de la o celulă la alta. Construirea unor predictori clinici utilizând date genomice poate fi realizată, dar va necesita baze de date cuprinzând informații complexe de la fiecare pacient.

#DecodamCancerul. Studiul transcriptomului în oncologie.

Informația genetică este stocată la nivelul ADN-ului celular, o moleculă alcătuită din două catene polinucleotidice, cu o structură de dublu helix, care conține informațiile necesare pentru ca celulele să se formeze, să se diferențieze, să își îndeplinească funcțiile, să traiască și să se multiplice. Astfel, molecula ADN este esențială în toate procesele necesare funcționării organismului uman.

Informația ereditară conținută în ADN este codificată sub forma unui limbaj simplu, alcătuit din doar 4 litere: A, T, G, C (pentru cele 4 tipuri de nucleotide: adenină, timină, guanină, citozină), înlănțuite între ele pe fiecare dintre cele două catene, legate între ele pe bază de complementaritate între bazele azotate (A-T, G-C).

În total genomul uman este constituit din aproximativ 3 miliarde de perechi de baze azotate, care codifică pentru 20,000 – 25,000 de gene. Gena reprezintă unitatea funcțională a ADN-ului, o secvență de dimensiuni variabile (de la câteva baze azotate până la 2 milioane), care determină un produs funcțional și doar 1-2% din genom codifică produși funcționali, iar această parte a fost numită exom.

Publicarea secvenței genomului uman a fost un moment de referință în medicină, însă înțelegerea biologiei umane este incompletă fără cunoașterea elementelor funcționale ale genomului. Multe proiecte de cercetare sunt îndreptate astăzi asupra transcriptomului (studierea setului de molecule de ARN codificate de genomul unei celule sau unei populații de celule la un moment dat). 80-90% dintre genele transcrise nu sunt translatate în proteine.  Studierea moleculelor de ARN necodant oferă noi perspective asupra patologiei umane, multe aplicații fiind deja explorate în oncologie.

Care este relația dintre mesajul genetic și funcția unei celule?

Aproape toate celulele nucleate ale unui organism conțin același material genetic și deci, aceleași gene. Nu toate aceste gene sunt active însă în același timp și în toate celulele organismului. Ceea ce diferă este modul în care informația genetică este exprimată la un anumit moment.

Expresia genelor presupune realizarea a două mecanisme: de transcripție și translație, conform dogmei centrale a geneticii: ADN ->ARN mesager -> polipeptid (proteină). 

Pentru ca instrucțiunile înscrise în ADN să fie puse în aplicare, ADN-ul trebuie să fie citit și transcris, copiat sub forma unei molecule de ARN. Astfel, în anumite condiții, informația conținută în ADN este copiată (transcrisă) pe bază de complementaritate într-o moleculă de ARN mesager (ARNm) la nivelul nucleului celular. Ulterior, molecula de ARNm este transportată în citoplasmă, unde este tradusă într-o secvență de aminoacizi, care vor alcătui o catenă polipeptidică. Acest proces, numit proces de translație se realizează cu ajutorul codului genetic, un set de reguli necesar decodificării materialului genetic.

Există mai multe forme de ARN, dar cea mai importantă este ARN mesager, care joacă un rol important în formarea proteinelor (ARN codant).

Cum ne ajută analiza transcriptomului?

Secvența de ARN oglindește ADN-ul care a fost transcris. Astfel, analizând întreaga colecție de ARN dintr-o celulă (transcriptomul), putem determina unde și când este activată o anumită genă la nivelul celulelor și țesuturilor unui organism.

La un anumit moment, celule diferite prezintă pattern-uri diferite de expresie genică. La baza acestor diferențe stă varietatea de caracteristici fizice, biochimice și de dezvoltare specifice fiecărei celule sau țesuturi, dar aceste diferențe pot sugera și diferențele între starea de sănătate, respectiv de boală.

Pentru a înțelege relația dintre genom și funcția unei celule se studiază produșii genomului precum ARN exprimat și proteinele. Proteomica reprezintă studiul proteinelor de la nivelul unei celule sau țesut, în termeni cantitativi și calitativi. Totuși, proteomul (totalitatea proteinelor exprimate la nivelul unei celule sau țesut la un anumit moment)  nu reprezintă tabloul complet al unei celule, întrucât proteinele se află în dinamică, au numeroase interacțiuni și în plus, există și numeroase provocări de ordin tehnic privind studiul acestora.

Astfel, comparând transcriptomica (colecția de gene citite) a două sau mai multe celule sau țesuturi se poate înțelege mai bine rolul expresiei genice în specificitatea anumitor țesuturi sau contribuția acesteia la starea patologică studiată.

Transcriptomul, elementul intermediar între gene și proteine, reprezintă un procent mic, estimat la doar 5% din întregul genom la oameni.

Proporția de secvențe transcrise care nu au rol în codificarea proteinelor (ARNnc) se pare că reprezintă un element important la organismele complexe. În plus, fiecare genă poate produce mai multe variante de ARNm prin intermediul mecanismului de splicing alternativ. Astfel, transcriptomul capturează” o imagine mult mai complexă față de simpla secvențiere a genomului.

Prin studiul transcriptomului, se poate determina când, unde și cum funcționează genele la nivelul celulelor și țesuturilor. În funcție de tehnica utilizată este posibilă cuantificarea numarului de trascripte pentru a determina cantitativ activitatea unei gene (denumită expresie genică) într-o anumită celulă sau țesut.

Cum putem utiliza transcriptomica pentru a explora funcția genelor?

O bază de date care cuprinde datele obținute din analiza transcriptomului reprezintă o listă a tuturor țesuturilor în care genele sunt exprimate, oferind astfel indicii asupra unor posibile funcții.

Spre exemplu, dacă baza de date arată că o anumită genă cu funcție încă necunoscută are un nivel crescut de exprimare în celulele canceroase, față de celulele normale, acea genă poate avea un rol în creșterea celulară. Dacă o genă necunoscută este exprimată în țesutul adipos, dar nu și în țesutul osos sau muscular, respectiva genă probabil este implicată în stocarea grăsimilor sau în metabolism. În ambele exemple, transcriptomul oferă un punct de plecare în explorarea funcțiilor genelor.

Care sunt aplicațiile transcriptomicii în oncologie?

Cancerul a fost considerat mult timp o boală determinată prin mutații care apar la nivelul ADN-ului, iar majoritatea proiectelor de cercetare din oncologie s-a concentrat pe studierea exomului.

O analiză recentă sugerează diverse modele de alterare a genelor în cancer la nivel ADN și ARN și demonstrează că analiza ARN dezvăluie căi de apariție a cancerului care nu pot fi detectate prin analiza ADN-ului. Aceste rezultate evidențiază importanța testării integrate a transcriptomului și a secvențierii întregului genom în studiul cancerelor.

Secvențiere a întregului exom (WES) vs. secvențiere ARN (RNA-seq) – care sunt diferențele?

În timp ce WES analizează secvențele de ADN care codifică pentru produși funcționali (toți exonii), secvențierea ARN-ului analizează regiunile de ADN active la un moment dat, care au fost transcrise și poate include și regiuni intronice, non-codante. Astfel analiza WES reprezintă o imagine de ansamblu, statică, a genomului celular, în timp ce analiza transcriptomului este o abordare dinamică, diferită de la o celulă la alta și la momente diferite în timp, în funcție de activitatea celulei sau țesutului studiat. Transcriptomica aparține genomicii funcționale, aflată în dinamică deoarece studiază elemente (ARN) care se modifică în timp, în diferite etape de dezvoltare a organismului sau de progresie a cancerului, în cazul ARN tumoral.

Pan-Cancer Project reprezintă o analiză comprehensivă a mecanismelor moleculare implicate în carcinogeneză descrise până acum, iar tehnicile de analiză a transcriptomului reprezintă o parte importantă din succesul proiectului. Rezultatele au fost publicate în revista Nature la începutul anului.

Există multe cazuri în care nu se identifică mutații driver cunoscute la nivelul exomului. Pan Cancer Project reprezintă cea mai cuprinzătoare analiză realizată vreodată asupra regiunilor mai puțin explorate din genom, necodante, care de fapt reprezintă aproape 99% din acesta. Au fost identificate noi mutații driver și la nivelul porțiunilor din genom care controlează expresia genică.  Astfel:

  • 95% dintre tumorile analizate prezentau cel puțin o mutație driver, comparativ cu analiza exomului, prin care se identificau doar 67% dintre aceste mutații;
  • 93 de gene asociate cu mutații driver au fost identificate în regiunile necodante. Doar 19% dintre aceste gene erau cunoscute înainte de proiectul Pan Cancer Atlas;
  • 13% dintre mutațiile driver proveneau din regiuni ale genomului necodante;
  • Cele mai importante mutații au fost identificate aproape de gene implicate în fenomenul de splicing.

Monitorizarea expresiei genice prin intermediul secvențierii ARN ajută la o mai bună clasificare și înțelegere a modului de progresie tumorală. În cancer se acumulează numeroase mutații genetice, dar doar câteva dintre acestea sunt importante în progresia cancerului. Astfel, prin studiul ARN se observă care dintre variante sunt exprimate în probele tumorale. Secvențierea întregului transcriptom oferă informații valoroase despre expresia genelor la nivelul tumorilor.

Citește și: