Часто самый смертельный риск заболевания представляет распространение рака, а не исходная опухоль.

«И все же метастазирование – один из наиболее плохо изученных аспектов биологии рака», – говорит Камен Симеонов, доктор медицинских наук. студент Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета.

В новом исследовании группа под руководством Симеонова и профессора Школы ветеринарной медицины Кристофера Ленгнера сделала шаги к углублению этого понимания, отслеживая развитие метастатических клеток. В их работе использовалась модель рака поджелудочной железы на мышах и передовые методы для отслеживания происхождения и паттернов экспрессии генов отдельных раковых клеток. Они обнаружили спектр агрессии в возникших клетках, с клетками, которые, вероятно, оставались на месте в первичной опухоли на одном конце, и те, которые с большей вероятностью переместились в новые места и колонизировали другие ткани на другом конце.

Исследователи обнаружили, что из клеток, которые в конечном итоге стали метастазами и выросли в тканях и органах за пределами поджелудочной железы, большинство имело общую линию происхождения.

«Создав прецизионный инструмент для исследования метастазов рака in vivo, мы можем наблюдать ранее недоступные типы информации», – говорит Симеонов. «Мы смогли использовать этот метод отслеживания клонов для ранжирования клеток в зависимости от того, насколько они метастатичны, а затем связать эти различия в поведении с изменениями экспрессии генов»

Результаты группы, опубликованные в журнале Cancer Cell предполагают, что не только генетические мутации могут способствовать распространению рака; результаты профилирования одноклеточной РНК подчеркивают, что паттерны экспрессии генов, которые клетки включают и выключают, играют ключевую роль в исходах болезней.

Слияние новых технологий

Хотя ученые охарактеризовали сотни генетических мутаций, связанных с превращением нормальных клеток в раковые, они не достигли такого же успеха в идентификации мутаций, которые превращают раковые клетки в метастазы.

Одна из возможностей может заключаться в том, что процесс зависит от факторов, отличных от мутаций, или от такого количества сгруппированных вместе аномалий, что сигнатуру трудно разрешить.

Чтобы лучше понять биологические изменения, сопровождающие метастазирование, Симеонов, Ленгнер и его коллеги стремились тщательно отслеживать этот процесс, используя развивающееся штрих-кодирование, также называемое отслеживанием клонов CRISPR, которое позволяет реконструировать семейные деревья клеток. Они соединили это с секвенированием одноклеточной РНК, чтобы получить картину того, какие гены включаются в каждой клетке.

Для отслеживания происхождения исследователи разработали новый метод, использующий CRISPR / Cas9 для мутагенизации синтетически введенных последовательностей ДНК, служащих клеточными штрих-кодами. Эти сконструированные раковые клетки затем вводили мыши и давали возможность метастазировать. Пока рак развивается и распространяется у мыши-хозяина, клеточные штрих-коды случайным образом «редактируются» с помощью CRISPR / Cas9. По словам Симеонова, полученные в результате шаблоны редактирования штрих-кода можно использовать «для реконструкции филогенетических деревьев раковых клеток по мере их распространения и метастазирования по всему телу»

.

Глядя на примерно 28 000 раковых клеток в нескольких органах двух мышей, исследователи смогли увидеть, какие гены каждая клетка включала по мере распространения рака от поджелудочной железы к другим органам и тканям. Они также отслеживали, где клетки распространяются в организме, чтобы увидеть, являются ли определенные клоны более вероятными метастатическими, чем другие.

«Итак, для всех этих клеток мы знаем, где они были расположены в организме, у нас есть показатель того, насколько хорошо они метастазировали, а также у нас есть их транскриптомы», или каталог молекул РНК, – говорит Симеонов.

Спектр агрессии

Когда исследовательская группа изучила эти совокупности данных вместе, они были удивлены, обнаружив, что около половины клонов или отдельных популяций раковых клеток были ограничены первичными опухолями.

И когда они посмотрели на клоны, которые распространились, они обнаружили только один доминантный клон у каждой мыши.

«Удивительно, но, несмотря на использование агрессивной линии раковых клеток, которая должна легко метастазировать, мы обнаружили, что один клон доминировал в местах метастазирования», – говорит Симеонов. «Мы ожидали большего равенства между клонами».

Профиль транскриптома этого доминантного клона в метастазах, а также других клонов, которые распространяются из первичной опухоли, отличался друг от друга и от клонов, которые оставались ограниченными первичными опухолями. Данные по экспрессии генов этого агрессивного клона показали, что он включил гены, связанные с так называемым эпителиально-мезенхимальным переходом (ЭМП), процессом, который, как считается, придает раку некоторые из его агрессивных качеств. Команда обнаружила, что среди всех клонов клетки занимают разные места в спектре EMT, от экспрессии множества эпителиальных генов до экспрессии множества мезенхимальных генов. «Оказалось, что клетки существуют в континууме состояний EMT», – говорит Симеонов

Генетический профиль более агрессивных клеток обнаружил многочисленные совпадения с генами, связанными с раком человека, некоторые из которых предсказывали снижение выживаемости. Исследователи также обнаружили, что в особенно агрессивном клоне второй мыши семейство генов, связанных со злокачественными свойствами, такими как миграция клеток и способность входить и выходить из кровеносных сосудов, было значительно сверхэкспрессировано по сравнению с другими клонами.

«Экспрессия этого семейства генов, по-видимому, распространяется в разных популяциях и увеличивает способность метастазировать в процессе, потенциально дополнительном к EMT», – говорит Симеонов.

В будущей работе Симеонов, Ленгнер и его коллеги надеются продолжить свои исследования процесса метастазирования, одновременно исследуя новые возможности применения этого инструмента отслеживания клонов, такие как изучение процесса развития, биологии стволовых клеток или регенерация ткани легких или кишечника.

«Мы надеемся, что наш подход позволит исследовать ранее недоступные вопросы и получить ответы на них», – говорит Симеонов.