https://frosthead.com

Duże nadzieje na nowy rodzaj genów

Ściskam siedzenie, gdy Ferrari zatrzymuje się nagle na skrzyżowaniu, a potem mruczy niecierpliwie, dopóki światło się nie zmieni. Kiedy wystartuje, ryk wydaje się dziwnie ekstrawagancki dla cichych ulic podmiejskiego Columbus w Ohio.

powiązana zawartość

  • Triumf w wojnie przeciwko rakowi
  • Terapia genowa w nowym świetle
  • „Tajni Żydzi” z San Luis Valley

Kierowcą jest Carlo Croce, 64-letni włoski naukowiec o wielkim głosie, rozczochranych kręconych włosach i wyrazistych ciemnych oczach. Kieruje programem Human Cancer Genetics Program na Uniwersytecie Stanowym w Ohio, a jego srebrny Scaglietti Ferrari jest odpowiednim symbolem jego podejścia do nauki: wielkim, silnym, a szczególnie gorącym obecnie.

Croce, który dorastał w Rzymie jako jedyne dziecko ojca inżyniera mechanika i matki gospodyni domowej, poszedł do szkoły medycznej na Uniwersytecie Rzymskim i przyjechał do Stanów Zjednoczonych w 1970 roku, aby studiować raka. „Myślałem, że to miejsce do pracy w nauce” - mówi. Croce był jednym z pierwszych naukowców, który ustalił, że rak - niekontrolowany wzrost komórek zwykle kontrolowanych - może być spowodowany zmianami genetycznymi. Zidentyfikował określone zmiany genów związane z rakiem płuc i przełyku, a także różnymi rodzajami chłoniaków i białaczek.

Koledzy mówią, że Croce ma niezwykły instynkt naukowy. „Jeśli rozłożysz przed nim pięć rzeczy, może niemal bezbłędnie wybrać tę, która będzie działać” - mówi Webster Cavenee, dyrektor Instytutu Badań nad Rakiem w San Diego. „Czuje coś interesującego i prawie nigdy się nie myli”.

Kilka lat temu Croce zaczął wąchać jedno z najbardziej zaskakujących i obiecujących odkryć w badaniach nad rakiem. Odkrycie umieściło go i jego współpracowników na czele szybko rozwijającej się dziedziny, która obiecuje ulepszone techniki diagnozowania chorób i, mają nadzieję, bardziej skuteczne nowe metody leczenia. Rzeczywiście, najnowsze dzieło Croce jest częścią zupełnie nowego sposobu patrzenia na geny i na to, jak życie się reguluje. Co sprawia, że ​​tym bardziej niezwykły jest fakt, że jego wgląd pojawił się dopiero po tym, jak on i jego współpracownicy pędzili z maksymalną prędkością w ślepy zaułek.

Jedną z chwał XX-wiecznej nauki było odkrycie w 1953 r. Struktury DNA materiału genetycznego; jest to długi polimer przypominający drabinę, skręcony w podwójną helisę. Każdy szczebel jest łańcuchem związków chemicznych, zwanych zasadami, a ich dokładna sekwencja koduje instrukcje genu, podobnie jak litery w słowie. Przez dziesięciolecia góry dowodów laboratoryjnych doprowadziły naukowców do dwóch podstawowych założeń dotyczących genów.

Po pierwsze, gen jest stosunkowo duży, zwykle składający się z dziesiątek tysięcy zasad chemicznych z rzędu.

Po drugie, głównym zadaniem każdego konkretnego genu jest instruowanie komórek, aby wytwarzały odpowiadające im białko. Białko to duża, skomplikowana cząsteczka, która spełnia określoną funkcję w zależności od sposobu jej wytworzenia: może być częścią włókna mięśniowego lub enzymu trawiącego pokarm lub hormonu kontrolującego fizjologię, między innymi.

Z pewnością Croce podtrzymał te założenia, gdy na początku lat 90. postanowił zidentyfikować gen związany z przewlekłą białaczką limfocytową lub CLL. Rak krwi wypełnia szpik kostny i węzły chłonne komórkami rakowymi, które wypierają zdrowe komórki układu odpornościowego, przez co organizm jest mniej zdolny do walki z infekcją. Croce przeanalizował komórki rakowe od osób z CLL i stwierdził, że wielu brakuje tego samego długiego segmentu DNA. Uznał, że gdzieś w tym segmencie jest gen niezbędny do zapobiegania rakowi białych krwinek.

Przez prawie siedem lat Croce i jego koledzy ciągle szukali różnych fragmentów tej długo podejrzanej nici DNA, starannie określając sekwencję genetyczną, zasada po zasadzie. Przeprowadzili także liczne eksperymenty sprawdzające, czy geny mogą powodować CLL.

Wyskoczyli. „Scharakteryzowaliśmy każdy krwawy gen obecny w tym DNA i żaden z nich nie był genem” związany z CLL, wspomina Croce. „Byłem bardzo sfrustrowany”. Podobnie byli jego uczniowie i współpracownicy. „Och, spaliłem życie kilku osób” - dodaje Croce. Jeden badacz rzucił naukę, aby uzyskać dyplom z zarządzania przedsiębiorstwem.

W 2001 roku Croce zatrudnił George'a Calina, rumuńskiego gastroenterologa, aby zajął się projektem, którego wszyscy nienawidzili. „W laboratorium nie miał nic gorszego” - żartuje Calin.

„Słuchaj”, powiedział Croce Calinowi, „gen musi tam być”.

Mniej więcej w tym samym czasie zaczęło krążyć nowe rozumienie genetyki. Co dziwne, ułatwiał go zmutowany robak, który nie był w stanie złożyć jaja. Zwierzę spotkało upiorny los: setki jaj wykluły się z jego ciała, powodując jego pęknięcie. Victor Ambros, biolog rozwoju, wówczas Harvard (obecnie University of Massachusetts Medical School), studiował mutację odpowiedzialną za defekt genetyczny robaka. Robak, Caenorhabditis elegans, jest mikroskopijnym stworzeniem, które genetycy uwielbiają badać, ponieważ jest łatwe w hodowli - zjada wspólne bakterie - i jest przezroczyste, dzięki czemu można obserwować wszystkie jego około 900 komórek podczas rozwoju. Co ciekawe, kiedy Ambros szukał zmutowanego genu, sekcja, w której najwyraźniej musiała być za mała, aby zawierać normalny gen. „Stało się coraz mniej jasne, że ten fragment DNA może kodować białko” - mówi. „To było dość zadziwiające”.

Po drugiej stronie rzeki Charles, w Massachusetts General Hospital, biolog molekularny Gary Ruvkun badał innego mutanta C. elegans . Zarówno Ambros, jak i Ruvkun podejrzewali, że gen, którego szukał Ambros, w jakiś sposób kontrolował gen, który poszedł nie tak w robakach Ruvkun. Pracując nad przeczuciem, postanowili porównać dwa geny, aby zobaczyć, czy są do siebie podobni.

„Wysłaliśmy do siebie e-mailem nasze sekwencje i zgodziliśmy się zadzwonić później, jeśli coś zobaczymy” - wspomina Ambros. „Jeden z nas zadzwonił do drugiego, a ja powiedziałem:„ Gary, widzisz to? A on odpowiedział: „Tak, widzę to!” „Znaleźli idealne dopasowanie - odcinek DNA z krótkiej sekwencji genetycznej Ambros identyczny do części genu normalnej wielkości Ruvkun.

Gen Ambrosa był naprawdę mały, miał tylko 70 zasad, a nie 10 000 zasad, jak inne geny. Co dziwniejsze, gen nie wytworzył białka, tak jak inne geny. Zamiast tego stworzył inny rodzaj materiału genetycznego, który nazywa się teraz microRNA. Tradycyjne geny tworzą również RNA, cząsteczkę chemicznie podobną do DNA, ale ten RNA jest krótkotrwały, służąc jako zwykły przekaźnik lub pośrednik w budowie białek. Ale ten mikroRNA był produktem końcowym genu i nie był zwykłym posłańcem.

MicroRNA, jak uświadomili sobie Ambros i Ruvkun, działali według intrygującego mechanizmu: działał jak miniaturowy pasek na rzep. Ponieważ gen microRNA pasował do części tradycyjnego genu, mikroRNA przylgnął do RNA wytwarzanego przez tradycyjny gen. W ten sposób zablokował drugi gen w produkcji białka.

Było to fascynujące odkrycie, ale dwaj naukowcy uważali, że to tylko dziwność, dopóki siedem lat później w 2000 r. Badacz w laboratorium Ruvkun, Brenda Reinhart, nie znalazł drugiego genu microRNA w robaku. „To powiedziało mi, że małe RNA będą bardziej powszechne, niż się spodziewaliśmy”, mówi biolog Slack, biolog rozwoju, który pomógł w odkryciu w laboratorium Ruvkun i jest teraz w Yale.

Laboratorium Ruvkun zaczęło szukać genów microRNA u innych zwierząt. Tak się złożyło, że był to świetny czas na poszukiwanie anomalii genetycznych. W 2001 r. Naukowcy ukończyli szkic całej sekwencji ludzkiego DNA, zwanego genomem ludzkim, i szybko sekwencjonowali inne genomy, w tym myszy, musztardę, muszkę owocową i pasożyta malarii. Niektóre genomy stały się dostępne w internetowych bazach danych, a Ruvkun znalazł ten sam gen microRNA z robaka C. elegans u muszek owocowych i ludzi. Potem znalazł gen w mięczakach, zebrach i innych gatunkach. Tymczasem grupa Ambros i inni znaleźli dziesiątki dodatkowych genów microRNA.

Wyniki były kuszące - w końcu nie codziennie odkrywa się nową klasę genów - ale nie było jasne, jaką rolę te miniaturowe geny mogą odgrywać w życiu ludzi.

Właśnie wtedy Carlo Croce i George Calin postanowili rzucić nowe spojrzenie na tajemniczy przypadek zaginionego genu białaczki. Calin, który jest obecnie biologiem molekularnym w University of Texas MD Anderson Cancer Center, wpisał znane sekwencje genów microRNA do swojego komputera, porównując je z odcinkiem DNA, którego brakuje komórkom nowotworowym wielu pacjentów z CLL. „Byli dokładnie tam” - wspomina: dwa geny microRNA znajdowały się dokładnie tam, gdzie przypuszczalnie występował gen hamujący CLL.

Calin natychmiast wezwał Croce do laboratorium: „Dr Croce, to są geny!”

Croce spojrzał na Calina i zamrugał. „S ---!” Calin przypomina mu, jak powiedział. „To są geny!”

Calin i Croce przetestowali próbki krwi od pacjentów z białaczką i stwierdzili, że 68 procent zawierało niewiele lub wcale z dwóch mikroRNA, podczas gdy komórki krwi od osób bez raka miały wiele cząsteczek. Calin i Croce byli przekonani: te dwa małe geny wytworzyły mikroRNA, które tłumiły raka.

„Byłem oszołomiony” - mówi Croce. „Mieliśmy dogmat, że wszystkie geny raka są genami kodującymi białka” - mówi Croce. MicroRNA „wyjaśnił wiele rzeczy, których wcześniej nie mogliśmy wyjaśnić. Zmieniło to nasze spojrzenie na problem”.

Calin i Croce opublikowali swoje odkrycie w 2002 roku - po raz pierwszy ktoś wplątał mikroRNA w ludzką chorobę.

Od tego czasu „każdy rak, na który patrzymy, znajduje zmianę w mikroRNA”, mówi Croce. „Prawdopodobnie w każdym ludzkim guzie występują zmiany w mikroRNA”.

Croce mieszka w okazałej rezydencji na przedmieściach Upper Arlington w Columbus. Kiedy dotrzemy, na stole w kuchni rozrzucone są kopie poczty. Croce od tygodni nie ma w domu, bierze udział w konferencjach i prowadzi rozmowy w National Institutes of Health w Bethesda, Maryland, National Academy of Sciences w Waszyngtonie, spotkanie na temat raka w San Diego, Johns Hopkins University w Baltimore i trzy spotkania we Włoszech. Dom wydaje się pusty i nieużywany.

„Zasadniczo jest to tylko do spania”, 29-letni syn Croce, Roberto, mówi później o domu swojego ojca. „Przeważnie parkuje tam swój dobytek. Jeśli jest w mieście, jest w pracy lub spędza ze mną czas.” Roberto pracuje nad doktoratem z ekonomii w stanie Ohio. (Carlo, która nigdy nie wyszła za mąż, ma także 12-letnią córkę, która mieszka w Buenos Aires.)

W domu najważniejsza jest sztuka, a nie nauka. Croce posiada ponad 400 obrazów włoskich mistrzów z XVI-XVIII wieku. Zbudował przepastne skrzydło o powierzchni 5000 stóp kwadratowych - sufity o wysokości 21 stóp i inne - w celu wyświetlenia jednych z największych obrazów.

Croce mówi, że kupił swój pierwszy obraz, gdy miał 12 lat za 100 USD. Lubi kupować obrazy, gdy ma podejrzenia, kim jest artysta, ale nie ma pewności. „Nigdy nikogo nie pytam” - mówi. „Po prostu go kupuję, a potem mogę się mylić lub mieć rację”. Kupił jeden obraz za 11 500 $ z galerii w Neapolu. Pomyślał, że może to być barokowy malarz Bartolomeo Schedoni. „Zrobiłem zdjęcie po jego przywróceniu i wysłałem je do eksperta w Schedoni. Powiedział:„ O tak, to jest Schedoni ”.„ Obraz, mówi Croce, jest prawdopodobnie wart 100 razy więcej niż za to zapłacił.

„Jego kolekcjonowanie dzieł sztuki ma ten sam eksperymentalny charakter, co jego nauka” - mówi Peter Vogt, badacz raka w Scripps Research Institute w La Jolla i przyjaciel Croce's.

Przez lata Croce opatentował kilka odkryć i współtworzył trzy firmy. Jego laboratorium w stanie Ohio znajduje się na dwóch najwyższych piętrach dziesięciopiętrowego budynku. Zatrudniając około 50 osób, laboratorium ma budżet w wysokości około 5 milionów dolarów rocznie, co jest na równi z małą firmą biotechnologiczną. Jego fundusze pochodzą z dotacji federalnych i prywatnych.

„Jest wielu ludzi, którzy powiedzieliby, że odnosi on całkowity sukces, ponieważ ma ogromną ilość zasobów. Myślę, że jest odwrotnie; Myślę, że ma ogromne zasoby, ponieważ odnosi sukcesy” - mówi Cavenee.

Gdy tylko Croce podejrzewał związek między mikroRNA a rakiem, zaczął zadawać pytania: czy komórki rakowe miałyby inne ilości mikroRNA niż normalne komórki? Czy niektóre mikroRNA byłyby bardziej powszechne niż inne w niektórych rodzajach raka? „Był naprawdę pierwszą osobą, która dokonała tego skoku” - mówi Slack o wczesnym zakładzie Croce na mikroRNA. „Trzeba było kogoś z wizją i pieniędzmi Carlosa, aby naprawdę posunąć się naprzód”.

W 2003 r. Croce zwerbował Chang-Gong Liu, wówczas twórcę mikroczipów w Motoroli, do zaprojektowania narzędzia, które może testować obecność mikroRNA w próbce komórek lub tkanek. Korzystając z narzędzia zwanego mikromacierzem, laboratorium Croce odkryło mikroRNA, które wydają się być unikalne dla niektórych rodzajów nowotworów. Dla 3 do 5 procent pacjentów, u których rak przerzutował lub rozprzestrzenił się z nieznanego źródła w ciele, konsekwencje tego odkrycia są ogromne. Ponieważ wiedza na temat początku raka jest kluczem do optymalnego leczenia - guzy powstające w różnych tkankach reagują na różne podejścia - mikroRNA może pomóc lekarzom onkologom w przepisaniu najlepszych metod leczenia takich pacjentów.

MikroRNA mogą również być w stanie oszacować nasilenie raka. Croce i jego współpracownicy odkryli, że poziomy dwóch mikroRNA - zwanych Let-7 i mir-155 - przewidują przeżycie u pacjentów z rakiem płuc. Grupa Croce odkryła również mikroRNA, które przewidują, czy CLL pacjenta stanie się agresywny czy pozostanie łagodny. W przyszłości profil mikroRNA pacjenta może wskazywać, czy powinien on przejść agresywne i ryzykowne leczenie, czy też łagodniejsze i bezpieczniejsze.

Dzisiaj naukowcy zidentyfikowali około 40 genów mikroRNA związanych z nowotworami, w tym genu piersi, płuc, trzustki i okrężnicy. Podobnie jak konwencjonalne geny wytwarzające białka, geny microRNA mogą być również promotorami raka, powodując chorobę, jeśli wytwarzają zbyt wiele mikroRNA. Lub mogą być supresorami raka; jeśli zostaną uszkodzone lub utracone, następuje rak. Co więcej, naukowcy zaczęli rozumieć, w jaki sposób mikroRNA oddziałują z tradycyjnymi genami raka, ujawniając złożoną tablicę połączeń, które wydają się zachodzić w komórkach w miarę przejmowania choroby.

Największą nadzieją Croce jest to, że mikroRNA mogą pewnego dnia zostać użyte jako terapie. „Jestem przekonany, absolutnie przekonany”, mówi, „że mikroRNA staną się lekami”. W niektórych ostatnich eksperymentach on i kolega wstrzyknęli mikroRNA myszom z białaczką lub rakiem płuc. Zastrzyki, jak mówi, zatrzymały rozwój raka.

„Obecnie dowody są wyjątkowo silne”, że mikroRNA odgrywają podstawową rolę w raku ”, mówi Slack, „ i z każdym dniem staje się coraz silniejszy ”.

Rak nie jest jedyną chorobą, w której mikroRNA pojawiają się jako ważni gracze. Badania sugerują teraz, że te miniaturowe geny biorą udział w funkcjonowaniu układu odpornościowego, chorobach serca, schizofrenii, chorobie Alzheimera i zespole Tourette'a. Poza tym istnieje długa lista chorób, które wydają się mieć podłoże genetyczne, ale dla których nie zidentyfikowano żadnego konwencjonalnego genu. Thomas Gingeras, badacz genomu w Cold Spring Harbor Laboratory w Nowym Jorku, uważa, że ​​niektóre z tych chorób zostaną ostatecznie powiązane z mikroRNA. „Myślę, że tak będzie bez wątpienia” - mówi.

Być może dlatego, że małe cząsteczki wywierają tak duży wpływ na resztę ciała. Naukowcy szacują, że ludzie mają około 1000 genów microRNA, które wydają się kontrolować aktywność co najmniej jednej czwartej z 25 000 naszych genów kodujących białka. „Jesteśmy zdumieni tą liczbą i uważamy, że jest to minimum” - mówi laureat Nagrody Nobla Phillip Sharp z MIT, w którego laboratorium badane są mikroRNA.

Nic więc dziwnego, że niektórzy naukowcy wyrażają zażenowanie i żałują, że wcześniej nie znaleźli genów microRNA - głównie dlatego, że nie zakwestionowali podstawowych założeń dotyczących genów.

„To nie był problem technologiczny” - mówi Joshua Mendell, badacz mikroRNA w Johns Hopkins. „Technologia wymagana do badania mikroRNA nie różni się od technologii stosowanej przez kilka ostatnich dziesięcioleci”, mówi. „To była raczej bariera intelektualna”.

Nawet Croce, mimo całego swojego sukcesu, żałuje, że wcześniej nie rozpoznał mikroRNA. Pod koniec lat 80. jego zespół poszukiwał genu raka w odcinku DNA, który nie kodował żadnych białek. „Więc zniszczyliśmy projekt” - mówi Croce. Teraz wie, że gen był mikroRNA. „Odchylenie” - mówi - „jest złe, złe”.

Sylvia Pagán Westphal to pisarka mieszkająca w Bostonie, która specjalizuje się w genetyce, biologii i medycynie.

„Zmieniamy dogmat” dotyczący opinii naukowców na temat ludzkiego DNA, mówi badacz George Calin (z University of Texas Lab). Ale jego przełomowa praca z Croce rozpoczęła się źle. Żartuje „nie było nic gorszego”. (Robert Seale) Konwencjonalna mądrość głosiła, że ​​tylko ogromny odcinek DNA może działać jako gen. Odkrycie przeoczonej istoty genetycznej potwierdza ten pogląd. Croce „był oszołomiony”. (Greg Ruffing / Redux) Biolog molekularny Gary Ruvkun. (Jared Leeds) Biolog rozwojowy Victor Ambros. (Jared Leeds) Podczas badań mutantów mikroskopijnego robaka Gary Ruvkun i Victor Ambros zidentyfikowali gen, który był niemożliwie mały. „Cieszyliśmy się, że znaleźliśmy coś nowego”, mówi Ambros, „a potem byliśmy zaskoczeni”. (Photo Researchers, Inc.) Dzięki ostatnim badaniom jasne jest, że mikroRNA pomagają sprawić, że niektóre komórki są złośliwe (komórki białaczki w kolorze różowym pośród zdrowych czerwonych krwinek). Teraz naukowcy mają nadzieję wykorzystać materiał genetyczny do poprawy diagnozy raka i leczenia. (© 2009 Rektor i goście z University of Virginia) Croce (w domu w Ohio) lubi kupować płótna, zanim jeszcze wie, kto je namalował. „Jego kolekcjonowanie dzieł sztuki ma ten sam eksperymentalny charakter, co jego nauka” - mówi kolega. (Greg Ruffing / Redux) MicroRNA w pracy : Typowym genem jest długi odcinek DNA z podstawami chemicznymi jako szczeble w podwójnej helisie; gen koduje przekaźnikowy RNS, który kieruje budową wyznaczonego białka. Gen microRNA koduje duży RNA, który może przykleić się do części informacyjnego RNA, wyłączając składanie białka. (Infografika 5W)
Duże nadzieje na nowy rodzaj genów