Используя широко известную область математики, предназначенную в основном для изучения того, как цифровые и другие формы информации измеряются, хранятся и распространяются, ученые из Медицинского центра Джонса Хопкинса и Онкологического центра Джонса Хопкинса Киммела говорят, что они обнаружили вероятного ключевого генетического виновника развитие острого лимфобластного лейкоза (ОЛЛ).

ОЛЛ является наиболее распространенной формой детской лейкемии, поражающей около 3000 детей и подростков ежегодно только в Соединенных Штатах.

В частности, команда Джонса Хопкинса использовала «теорию информации», применяя анализ, основанный на цепочках нулей и единиц – двоичной системе символов, общей для компьютерных языков и кодов – для определения переменных или результатов конкретного процесса. .

В случае биологии рака человека, ученые сосредоточились на химическом процессе в клетках, называемом метилированием ДНК, при котором определенные химические группы прикрепляются к участкам генов, которые управляют включением / выключением генов.

«Это исследование демонстрирует, как математический язык рака может помочь нам понять, как клетки должны вести себя и как изменения в этом поведении влияют на наше здоровье», – говорит Эндрю Файнберг, доктор медицины, магистр здравоохранения, заслуженный профессор Bloomberg Университета Джонса Хопкинса. Школа медицины, Школа инженерии Уайтинга и Школа общественного здравоохранения Блумберга. Основатель области эпигенетики рака, Файнберг открыл измененное метилирование ДНК при раке в 1980-х годах.

Файнберг и его команда говорят, что использование теории информации для поиска генов, вызывающих рак, может быть применимо к широкому спектру видов рака и других заболеваний.

Метилирование теперь признано одним из способов изменения ДНК без изменения генетического кода клетки. Когда метилирование идет наперекосяк в таких эпигенетических явлениях, определенные гены ненормально включаются или выключаются, вызывая неконтролируемый рост клеток или рак.

Большинство людей знакомо с генетическими изменениями ДНК, а именно с мутациями, которые изменяют последовательность ДНК. Эти мутации подобны словам, из которых состоит предложение, а метилирование – как пунктуация в предложении, обеспечивающая паузы и остановки при чтении "

Эндрю Файнберг, доктор медицины, магистр медицины, заслуженный профессор Блумберга, медицинский факультет Университета Джонса Хопкинса

В поисках нового и более эффективного способа чтения и понимания эпигенетического кода, измененного метилированием ДНК, он работал с Джоном Гаутсиасом, доктором философии, профессором кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Джонса Хопкинса. и Майкл Колдобский, доктор медицинских наук, детский онколог и доцент кафедры онкологии онкологического центра Джонса Хопкинса Киммела

«Мы хотели использовать эту информацию для идентификации генов, которые стимулируют развитие рака, даже если их генетический код не мутировал», – говорит Колдобский.

Результаты исследования, проведенного Файнбергом, Колдобским и Гуциасом, были опубликованы 15 апреля в Nature Biomedical Engineering.

Колдобский объясняет, что метилирование в определенном месте гена является бинарным – метилирование или отсутствие метилирования – и система нулей и единиц может представлять эти различия точно так же, как они используются для представления компьютерных кодов и инструкций.

Для исследования команда Джона Хопкинса проанализировала ДНК, выделенную из образцов костного мозга 31 ребенка, у которого впервые был диагностирован ОЛЛ в больнице Джонса Хопкинса и детской больнице Техаса. Они секвенировали ДНК, чтобы определить, какие гены во всем геноме были метилированы, а какие нет.

У недавно диагностированных лейкозов в организме миллиарды лейкозных клеток, – говорит Колдобский.

Присваивая нули и единицы фрагментам генетического кода, которые были метилированы или неметилированы, и используя концепции теории информации и компьютерные программы для распознавания паттернов метилирования, ученые смогли найти области генома, которые постоянно метилировались у пациентов с лейкоз и те, у кого нет рака.

Они также увидели участки генома в лейкозных клетках, которые были метилированы более случайным образом, по сравнению с нормальным геномом, что является сигналом для ученых о том, что эти пятна могут быть специфически связаны с лейкозными клетками по сравнению с нормальными.

Один ген, названный UHRF1, выделялся среди других областей генов в лейкозных клетках, которые имели различия в метилировании ДНК по сравнению с нормальным геномом.

«Было большим сюрпризом обнаружить этот ген, поскольку его связь с раком предстательной железы и другими видами рака была предложена, но так и не идентифицирована как причина лейкемии», – говорит Файнберг.

В нормальных клетках белковые продукты гена UHRF1 создают биохимический мост между метилированием ДНК и упаковкой ДНК, но ученые не выяснили, как именно изменение гена способствует развитию рака.

Эксперименты группы Джонса Хопкинса показывают, что выращенные в лаборатории лейкозные клетки, лишенные активности гена UHRF1, не могут самообновляться и поддерживать дополнительные лейкозные клетки.

«Клетки лейкемии стремятся выжить, и лучший способ обеспечить выживание – это варьировать эпигенетику во многих областях генома, чтобы что бы ни пытались убить рак, по крайней мере некоторые из них выжили», – говорит Колдобский.

ОЛЛ является наиболее распространенным онкологическим заболеванием у детей, и Колдобский говорит, что десятилетия исследований различных методов лечения и последовательности этих методов лечения помогли клиницистам вылечить большинство этих лейкозов, но рецидивирующие заболевания остаются основной причиной смерти от рака у детей.

«Этот новый подход может привести к более рациональным способам борьбы с изменениями, которые вызывают эту и, вероятно, многие другие формы рака», – говорит Колдобский.

Команда Джонса Хопкинса планирует использовать теорию информации для анализа паттернов метилирования при других формах рака. Они также планируют определить, связаны ли эпигенетические изменения в URFH1 с резистентностью к лечению и прогрессированием заболевания у пациентов с детской лейкемией.