MAGICZNE
MIKROMACIERZE
STEPHEN H. FRIEND
Czujniki DNA juŻ dziĘ I ROLAND B. STOUGHTON
umoŻliwiają poznanie
molekularnych przyczyn
wielu chorób i "atwiejsze
tworzenie nowych leków.
Zapewne przybliŻą
teŻ czasy, gdy terapi�
b�dzie si� dostosowywa�
do indywidualnych
potrzeb pacjenta
WYNIKI BADAĄ przeprowadzanych
przy uŻyciu mikromacierzy DNA
moŻna przedstawi� wzorami
z"oŻonymi z róŻnobarwnych kropek.
Ujawnione w ten sposób róŻnice
mi�dzy poszczególnymi osobami
pomogą w przysz"oĘci lekarzom
w dobieraniu terapii, dopasowanych
do indywidualnych potrzeb
kaŻdego pacjenta.
36 �WIAT NAUKI KWIECIEĄ 2002
WIóKSZO�� CHORYCH na ch"oniaka rozlanego z duŻych komórek B początkowo dobrze reagu-
je na standardowe terapie. Jednak w ponad po"owie przypadków szybko nast�puje wznowa
nowotworu i pacjent umiera. Dlaczego jednych udaje si� uratowa�, a innych nie? Lekarze
od dawna podejrzewają, Że dzieje si� tak, gdyŻ istnieją dwie formy choroby, wywo"ywane
przez zupe"nie inne zaburzenia molekularne. Jeszcze dwa lata temu nie by"o Żadnego sposo-
bu rozpoznania, którzy pacjenci cierpią na ostrą posta� nowotworu, wi�c wszystkich pod-
dawano najsilniejszej, ryzykownej bądę co bądę terapii.
Rozwiązanie tego problemu umoŻliwi" dopiero nowatorski przyrząd, zwany mikromacie-
rzą, czujnikiem lub chipem DNA. Za jego pomocą, w oparciu o róŻnice we wzorze aktywno-
Ęci setek genów w zrakowacia"ych komórkach pacjentów, naukowcy z National Institutes of
Health, Stanford University i innych placówek mogli wskaza� osoby chore na ostrą form�
ch"oniaka. Powinno to wystarczy� do opracowania testu diagnostycznego pozwalającego wy-
róŻni� najbardziej zagroŻonych pacjentów.
Mikromacierze DNA, wprowadzone na rynek w 1996 roku, są obecnie podstawowymi na-
rz�dziami, wykorzystywanymi w badaniach prowadzących do stworzenia nowych leków.
Sprzedaje je  lub przyrządy i oprogramowanie potrzebne do opracowania informacji, któ-
rą udaje si� dzi�ki nim uzyska�  ponad 20 firm. Urządzenia te niewątpliwie zrewolucjonizu-
ją badania biologii komórki i molekularnych zaburzeł
, b�- Mikromacierze DNA wykorzystuje si� na dwa odmienne
dących przyczyną wielu chorób. Zapewne u"atwią równieŻ sposoby. Tzw. zastosowanie genotypowe polega na porówna-
i udoskonalą ich diagnostyk�, a takŻe pomogą w doborze me- niu DNA na czujniku z DNA w badanej próbce tkanki. Robi
tod leczenia najlepiej dostosowanych do potrzeb poszczegól- si� to, aby stwierdzi�, jakie geny są w niej obecne, lub okre-
nych pacjentów  czyli w dopasowywaniu terapii do swoistej Ęli� kolejnoĘ� zasad w niezsekwencjonowanych jeszcze frag-
postaci choroby i w wyborze leków, które powinny w kaŻdym mentach DNA. Cz�sto jednak stosuje si� mikromacierze, by nie
konkretnym przypadku by� najskuteczniejsze, a zarazem tylko wykry� obecnoĘ� genów w próbce lub rozszyfrowa� ich
powodowa� jak najmniej dzia"ał
niepoŻądanych. sekwencje, ale równieŻ oceni� ekspresj� (czyli poziom aktyw-
noĘci) tych genów. Geny ulegają ekspresji, gdy nast�puje ich
Mali wojownicy transkrypcja do RNA informacyjnego (mRNA) i translacja
ISTNIEJE KILKA RODZAJÓW mikromacierzy DNA, ale wszystkie s"u- prowadząca do wytworzenia bia"ek. Macierzami, które s"uŻą
Żą do oceny sk"adu materia"u genetycznego w próbce tkanki do ich syntezy, są cząsteczki mRNA b�dące ruchomymi trans-
i sk"adają si� z zestawu jednoniciowych cząsteczek DNA (sond) kryptami genów.
przymocowanych do p"ytki na ogó" nie wi�kszej od odcisku
kciuka. W czujnikach owych wykorzystano bardzo przydatną �owcy genów
w badaniach w"aĘciwoĘ� DNA  zdolnoĘ� zasad, wchodzących ZA POMOCŃ CZUJNIKÓW DNA porównuje si� geny róŻnych orga-
w sk"ad tego kwasu, do "ączenia si� w pary. nizmów (np. by znaleę� informacje dotyczące ich ewolucji),
DNA jest związkiem, z którego zbudowanych jest ponad a takŻe znajdujące si� w nowotworach i w normalnych tkan-
30 tys. ludzkich genów  sekwencji b�dących instrukcjami kach (aby wykry� subtelne róŻnice w sk"adzie czy liczbie ge-
wytwarzania bia"ek. Sk"ada si� z czterech podstawowych ce- nów). Prawdopodobnie pewnego dnia badania takie okaŻą
gie"ek  nukleotydów  okreĘlanych na ogó" za pomocą pierw- si� przydatne takŻe w codziennej praktyce medycznej.
szej litery nazw odróŻniających je zasad: A, C, G i T. Zasada Stosując odpowiednio zaprojektowane mikromacierze,
A w jednej nici DNA tworzy par� tylko z T w drugiej nici (do- moŻna b�dzie na przyk"ad znaleę� przyczyn� choroby u pa-
pe"nienie A), a C "ączy si� tylko z G. cjenta z objawami podobnymi do objawów grypy (jak bóle,
JeĘli wi�c cząsteczka DNA w próbce tkanki badanej za po- podwyŻszona ciep"ota cia"a i trudnoĘci w oddychaniu), które
mocą mikromacierzy wiąŻe si� z sondą o sekwencji ATCGGC, są zbyt ma"o specyficzne, by zidentyfikowa� wywo"ujący je
znaczy to, Że cząsteczka ta ma sekwencj� komplementarną patogen. NaleŻa"oby w tym celu umieĘci� na czujniku fragmen-
TAGCCG. Kwas rybonukleinowy, który jest chemicznym ku- ty DNA reprezentujące geny, które wyst�pują tylko w wybra-
zynem kwasu deoksyrybonukleinowego, wiąŻąc si� z nim teŻ nych czynnikach chorobotwórczych, a nast�pnie nanieĘ� od-
stosuje si� do Ęcis"ych regu" tworzenia par. MoŻna zatem okre- powiednio oznakowane DNA, uzyskane z próbki tkanki
Ęli� sekwencj� nici RNA na podstawie dope"niającej sekwen- pacjenta (np. fragmentu b"ony Ęluzowej pobranej z jego nosa).
cji w sondzie DNA, umiejscowionej na czujniku. Obecnie opracowywane są takŻe czujniki mające s"uŻy� do
�ączenie si� komplementarnych par zasad od lat jest pod- wykrywania zarazków, na przyk"ad wąglika stosowanego
stawą róŻnych testów biologicznych. Za pomocą jednej zale- w atakach terrorystycznych.
dwie mikromacierzy DNA moŻna analizowa� równoczeĘnie Czy si� to podoba, czy nie, mikromacierze DNA wykrywają-
dziesiątki tysi�cy takich reakcji  dzi�ki temu, Że wszystkie ce geny mog"yby teŻ s"uŻy� do okreĘlania dziedzicznych sk"on-
sondy, zarówno geny, jak i ich fragmenty, umieszczone są w Ęci- noĘci poszczególnych osób do zapadania na róŻne choroby.
Ęle okreĘlonym miejscu na mikromacierzy, a do reagujących Wi�kszoĘ� róŻnic genetycznych mi�dzy ludęmi jest zapewne
z nimi cząsteczek DNA czy RNA do"ączone są znaczniki, na skutkiem polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP 
przyk"ad fluorescencyjne. Wykrywa je odpowiedni detektor, single nucleotide polymorphism), powstających, gdy jedna z two-
a uzyskane w ten sposób surowe dane zostają przekszta"cone rzących DNA  cegie"ek zostanie zastąpiona przez inną. MoŻna
za pomocą komputera w barwny obraz, na którym poszczegól- by"oby zatem zbudowa� czujnik wyposaŻony w warianty ge-
ne typy informacji oznacza si� odr�bnymi kolorami. nów związane z róŻnymi chorobami, by wykry� SNP-y danej
osoby, a tym samym na przyk"ad podatno� na chorob� Alzhe-
imera, cukrzyc�, konkretne typy nowotworów itd. Ludzie w du-
Przegląd / Mikromacierze
Żym stopniu zagroŻeni zostaliby wówczas poddani dok"adniej-
Mikromacierze DNA, zwane takŻe czujnikami DNA lub chipami
szym badaniom i terapii zapobiegawczej. Nie wiadomo jednak,
genowymi, umoŻliwią zapewne równoczesne Ęledzenie tysi�cy reak-
czy takie testy spotka"yby si� ze spo"eczną aprobatą. Po pierw-
cji molekularnych na p"ytce mniejszej niŻ szkie"ko przykrywkowe.
sze  wzbudza"yby niepokój u osób obciąŻonych genetycznie.
Czujniki te moŻna zaprojektowa� tak, by wykrywa"y okreĘlone ge-
Po drugie  nie da"oby si� wykluczy� groęby dyskryminacji tych
ny lub mierzy"y ogólną aktywnoĘ� genów w tkankach.
ludzi przez pracodawców i firmy ubezpieczeniowe.
Zastosowania te okaza"y si� nies"ychanie przydatne w badaniu bio-
Jednak wykrywacze SNP-ów umoŻliwiają równieŻ uzyska-
logii komórki, mechanizmów powstawania nowotworów i innych
z"oŻonych chorób oraz testowaniu leków. DąŻy si� takŻe do wyko- nie innych cennych informacji, które nie by"yby kontrowersyj-
rzystania mikromacierzy do szybkiego diagnozowania chorób i pro- ne z etycznego punktu widzenia. Poszczególne warianty ge-
gnozowania ich przebiegu.
nów warunkują przecieŻ takŻe reakcje organizmu na leki,
Opracowywane są równieŻ macierze bia"ek o analogicznych zasto-
które przyjmujemy, co z kolei wp"ywa na ich skutecznoĘ�
sowaniach jak czujniki DNA.
oraz nasilenie ewentualnych dzia"ał
niepoŻądanych. Czujni-
Informacje uzyskiwane za pomocą macierzy DNA i bia"ek powinny
ki, które ujawnia"yby nasze dziedziczne sk"onnoĘci, pozwoli-
w przysz"oĘci pomóc lekarzom w dopasowywaniu terapii do specy-
"yby lekarzom dobiera� kaŻdemu pacjentowi jak najlepsze
ficznych potrzeb poszczególnych pacjentów.
specyfiki. Wykrycie mutacji wp"ywających na charakter nowo-
38 �WIAT NAUKI KWIECIEĄ 2002
DENNIS GALANTE PHOTOGRAPHY
(poprzednie strony)
JAK DZIA�A CZUJNIK DNA
CHCŃC DOWIEDZIE� SIó, czy związek testowany jako nowy lek tego narządu pod wp"ywem okreĘlonych substancji. MoŻna w tym
grozi uszkodzeniem wątroby, trzeba sprawdzi�, czy nie powodu- celu post�powa� tak, jak podano poniŻej. JeĘli wyniki badał

je on zmian w dzia"aniu genów w jej komórkach w sposób cha- b�dą pozytywne, oznacza to, Że związek ten jest szkodliwy.
rakterystyczny dla innych, znanych juŻ przypadków uszkodzeł
NaleŻy zatem:
Skonstruowa� lub kupi�
1mikromacierz zawierającą
A
odcinki jednoniciowego DNA,
G
ZASADY reprezentujące tysiące róŻnych
G
WCHODZŃCE
genów przypisanych do okreĘlonych
A
W SK�AD
miejsc na p"ytce o bokach 2.5
C
DNA
G
na 7.5 cm lub mniejszej. KaŻde
T
z nich powinno zawiera� tysiące,
CZUJNIK
(MIKROMACIERZ) a nawet miliony kopii odpowiednich
FRAGMENT PLAMKA ZAWIERAJŃCA CZó�� JEDNEJ
CZUJNIKA KOPIE JEDNEJ CZŃSTECZKI NICI DNA fragmentów nici DNA.
DNA
INFORMACYJNY
GENY
RNA (mRNA)
NIEAKTYWNE
LEK
Pobra� dwie próbki komórek
2wątroby i jedną z nich podda�
BIA�KO
dzia"aniu leku. Nast�pnie trzeba
z kaŻdej próbki wyizolowa� cząsteczki
GEN
informacyjnego RNA (mRNA) 
AKTYWNY
ruchomych kopii genów s"uŻących jako
matryce do syntezy bia"ek w komórkach.
KOMÓRKA KONTROLNA KOMÓRKA PODDANA
DZIA�ANIU LEKU
mRNA
mRNA
cDNA
PARA
Z KOMÓREK
KOMPLEMENTARNYCH
PODDANYCH
cDNA ZASAD
cDNA
DZIA�ANIU LEKU
Przepisa� mRNA na bardziej
DNA
T A
cDNA
3stabilny komplementarny DNA (cDNA) Z CZUJNIKA
C G
Z KOMÓREK
i doda� fluoryzujące znaczniki  czerwony C G
C G
KONTROLNYCH
T A
do cDNA z komórek poddanych dzia"aniu leku, C G
G C
C G
T A T A
a zielony do cDNA z komórek kontrolnych.
C G
G C
T A T A
A T
G C
A T A T
A T
A T A T
NanieĘ� znaczone cząsteczki cDNA na czujnik. T A
G C G C
C G C G
4WiąŻą si� one ze znajdującymi si� na mikromacierzy
G C G C
cząsteczkami DNA o komplementarnej sekwencji zasad
(szczegó"y z prawej). Oznacza to, Że gen, który po"ączy" si�
z DNA na czujniku, by" w próbce aktywny (uleg" ekspresji).
PRZYK�ADY REAKCJI
GEN, KTÓREGO AKTYWNO��
POD WP�YWEM LEKU SILNIE
WZROS�A
UmieĘci� czujnik w czytniku (skanerze).
GEN, KTÓREGO AKTYWNO��
POD WP�YWEM LEKU SILNIE 5Komputer wyliczy dla kaŻdego miejsca
SPAD�A
stosunek barwnika czerwonego do zielonego
GEN, KTÓREGO AKTYWNO�� (aby okreĘli� iloĘciowo zmiany w aktywnoĘci
POD WP�YWEM LEKU NIE
genów wywo"ane dzia"aniem leku) i stworzy
ZMIENI�A SIó
barwny obraz o okreĘlonym znaczeniu
GEN, KTÓRY W KOMÓRKACH
poszczególnych kolorów.
OBU TYPÓW NIE BY�
CZYTNIK
AKTYWNY
ODCZYT
HIPOTETYCZNE PROFILE AKTYWNO�CI GENÓW
W KOMÓRKACH WŃTROBY PODDANYCH
DZIA�ANIU RÓ�NYCH ZWIŃZKÓW
Sprawdzi�, czy jakieĘ geny zareagowa"y na lek silnie,
GENY
6w sposób charakterystyczny dla uszkodzeł
wątroby.
SUBSTANCJE
MoŻna takŻe porówna� ogólny wzór ekspresji stworzony
NIETOKSYCZNE
przez silnie reagujące geny z wzorami reakcji tych samych
genów na związki o znanym juŻ toksycznym dzia"aniu
ZWIŃZEK TESTOWANY JAKO
EWENTUALNY NOWY LEK
na wątrob� (z prawej). Ich duŻe podobieł
stwo wskazywa"oby,
Że związek testowany jako ewentualny nowy lek teŻ
SUBSTANCJE TOKSYCZNE
DLA WŃTROBY
jest szkodliwy. Na schemacie kaŻda barwna plamka jest
odzwierciedleniem reakcji jednego genu.
KWIECIEĄ 2002 �WIAT NAUKI 39
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
PRZEWIDYWANIE WZNOWY NOWOTWORU
WYNIKI BADAĄ PROWADZONYCH w Rosetta Inpharmatics i Holen- najmniej pi�� lat po chirurgicznym usuni�ciu nowotworu, róŻni"y si�
derskim Instytucie Rakowym Ęwiadczą, Że uŻycie czujników DNA mo- (na dole z lewej). Analiza matematyczna danych (na dole z prawej) wy-
Że pomóc w podziale pacjentów z chorobą nowotworową na grupy o róŻ- kaza"a wówczas, Że u pacjentek, których profile ekspresji by"y zbliŻone
nych rokowaniach. Stwierdzono, Że profile ekspresji, czyli ogólne wzory do wzoru  z"ego rokowania (charakterystycznego dla guzów dających
aktywnoĘci, wybranych genów w ma"ych, nie dających przerzutów gu- przerzuty), znacznie cz�Ęciej nast�powa" nawrót choroby niŻ u pacjen-
zach piersi u kobiet poniŻej 55 roku Życia, które monitorowano przez co tek o profilach podobnych do wzoru  dobrego rokowania (typowego
dla guzów nie dających przerzutów). JeĘli
UDZIA� PACJENTEK
wyniki te zostaną potwierdzone, w przy-
PROFILE EKSPRESJI
Z PRZERZUTAMI
sz"oĘci lekarze b�dą mogli na podstawie
takich badał
z wi�kszym prawdopodobieł
-
0/20
stwem stwierdzi�, którzy pacjenci potrze-
(0%)
bują najintensywniejszej terapii.
LOSY PACJENTEK
100
6/21
(29%)
80
Kobiety mające profil
ekspresji typowy
dla  dobrego rokowania
60
18/24
(75%)
40
Kobiety mające profil
ekspresji typowy
10/13
dla  z"ego rokowania
20
(77%)
Poziomy aktywnoĘci poszczególnych genów
0
(wzgl�dem poziomów w zdrowej tkance piersi)
0 50 100 150 200
GEN WYKAZUJŃCY GEN WYKAZUJŃCY
Czas (miesiące)
ZWIóKSZONŃ AKTYWNO�� ZMNIEJSZONŃ AKTYWNO��
tworów mog"oby teŻ u"atwia� patologom okreĘlanie, czy gu- znajdujących si� w niej bia"ek. Wyniki takich badał
mają
zy ocenione standardowymi metodami jako "agodne nie są ogromne znaczenie poznawcze i diagnostyczne, poniewaŻ
przypadkiem bardziej z"oĘliwe, niŻ si� wydają. Obecnie ba- bia"ka są odpowiedzialne za wi�kszoĘ� procesów zachodzą-
da si� moŻliwoĘ� wykorzystania informacji uzyskanych przy cych w komórkach i tkankach ludzkiego organizmu. Prowa-
uŻyciu mikromacierzy DNA do celów medycznych. dzone są obecnie próby skonstruowania mikromacierzy, za
pomocą których da"oby si� bezpoĘrednio zmierzy� iloĘ� po-
Nie ma jak ekspresja szczególnych rodzajów bia"ek [ramka na stronie 42]. Nie jest
CHO� WYMIENIONE zastosowania czujników DNA są bardzo to jednak proste zadanie.
obiecujące, to od kilku lat naukowców coraz bardziej intere- Zastosowanie genomu jako czujnika pomiarowego do wy-
suje ich wykorzystanie do badania profili ekspresji genów. krywania zmian aktywnoĘci róŻnych genów komórki pozwo-
Profile te otrzymuje si� dzi�ki pomiarowi iloĘci róŻnych rodza- li na uzyskanie niezwykle dok"adnych informacji o wp"ywie
jów mRNA w próbce tkanki. Na ogó" im wi�cej kopii tego leków czy choroby na jej aktualny stan. ZnajomoĘ� ogólne-
kwasu nukleinowego wytwarza komórka, tym wi�cej cząste- go wzoru aktywnoĘci genów moŻe by� niekiedy poŻyteczniej-
czek danego bia"ka syntetyzuje, wi�c na podstawie zawarto- sza niŻ wiedza o tym, które geny w"ączają si� lub wy"ączają
Ęci rozmaitych mRNA w próbce moŻna oceni� typy i iloĘ� w odpowiedzi na jakiĘ bodziec. W tych przypadkach wzór ta-
ki jest czymĘ w rodzaju stenograficznego zapisu molekularne-
go stanu komórki lub tkanki w konkretnych warunkach.
Badanie profilu ekspresji genów okaza"o si� z wielu powo-
STEPHEN H. FRIEND I ROLAND B. STOUGHTON pracują w firmie
Rosetta Inpharmatics w Kirkland w stanie Waszyngton, za"oŻonej dów bezcenne. Wiedza o bia"kach, które przewaŻają po eks-
w 1996 roku w celu rozwijania metod profilowania molekularnego
pozycji tkanki na róŻne warunki, umoŻliwia ocen� jej zdolno-
za pomocą technologii mikromacierzy DNA i technik komputerowych.
Ęci do kompensowania niekorzystnych wp"ywów, a takŻe
W ubieg"ym roku firm� kupi" koncern Merck & Co. Friend jest w nim
okreĘlenie, do jakich zaburzeł
na poziomie komórkowym
wiceprezesem ds. badał
podstawowych i prezesem Rosetta. By" spe-
prowadzi rozwijająca si� choroba.
cjalistą onkologii dzieci�cej i biologiem molekularnym w Harvard Uni-
Macierze ekspresyjne stosuje si� równieŻ do okreĘlania funk-
versity, a nast�pnie dyrektorem ds. farmakologii molekularnej we Fred
cji poszczególnych genów, wykrytych w wyniku niedawnego
Hutchinson Cancer Research Center i jednym z wspó"za"oŻycieli Ro-
rozszyfrowania niemal ca"ego ludzkiego genomu. Istnieje wpraw-
setta Inpharmatics. Stoughton jest doktorem nauk fizycznych i pierw-
dzie kilka innych technik, za pomocą których moŻna spraw-
szym wiceprezesem ds. informatyki w tej firmie. Zanim zaczą" zaj-
dzi�, co robią te geny (a w"aĘciwie kodowane przez nie bia"ka),
mowa� si� biotechnologią, pracowa" nad rozwojem obróbki sygna"u
i narz�dzi rozpoznawania obrazów w geofizyce i astrofizyce. ale nie zawsze są one szybkie i wiarygodne. Zastosowanie ma-
40 �WIAT NAUKI KWIECIEĄ 2002
podobieł
stw ogólnych profili ekspresji)
Grupy pacjentek (wyróŻnione na podstawie
Procent pacjentek bez przerzutów
O AUTORACH
PREZENTACJA DANYCH: HONGYUE DAI
Rosetta Inpharmatics
; WYKRES: SARA CHEN
RYNEK MIKROMACIERZY
cierzy ekspresyjnych w metodzie ba- daną substancj� da si� zastosowa� do
Oto nazwy popularniejszych firm sprzedają-
dawczej zwanej winą przez asocjacj� stworzenia nowego, bezpiecznego leku.
cych lub opracowujących urządzenia i us"ugi
(guilt-by-association) moŻe wype"ni� Badanie profili ekspresji genów mo-
związane z mikromacierzami.
luki w naszej wiedzy na ten temat, na- Że teŻ dopomóc w wyjaĘnieniu, dlacze-
wet bez jakichkolwiek uprzednich go lek wywo"uje konkretne dzia"ania
MIKROMACIERZE DNA
wskazówek na temat roli danego genu niepoŻądane. Obecnie istotne jest na
Affymetrix, Santa Clara, Kalifornia
w organizmie. przyk"ad sprawdzenie, z jakiego powo-
Agilent Technologies, Palo Alto, Kalifornia
W metodzie tej wykorzystuje si� fakt, du inhibitory proteazy, które ratują Ży-
Amersham Biosciences, Piscataway, Nowy Jork
Że Żaden gen nie jest odizolowany od Axon Instruments, Union City, Kalifornia cie chorym na AIDS, powodują wzrost
BioDiscovery, Marina del Rey, Kalifornia
pozosta"ych. JeĘli jakieĘ geny w danej poziomu cholesterolu i triacyloglicero-
Clontech, Palo Alto, Kalifornia
tkance w"ączają si� i wy"ączają jedno- li (triglicerydów) we krwi, dziwne roz-
Genomic Solutions, Ann Arbor, Michigan
czeĘnie w odpowiedzi na ten sam bo- mieszczenie w ciele t"uszczu i opornoĘ�
Mergen, San Leandro, Kalifornia
dziec  na przyk"ad lek, zakaŻenie czy na insulin�. Wiedząc, Że wątroba bie-
Motorola Life Sciences, Northbrook, Illinois
zaindukowaną mutacj�  moŻna wnio- rze udzia" w wytwarzaniu i rozk"adzie li-
Nanogen, San Diego, Kalifornia
skowa�, Że oddzia"ują one (razem lub pidów (związków, do których naleŻą
Partek, St. Peters, Missouri
kolejno) na ten sam szlak regulacyjny cholesterol i triacyloglicerole) i zawiera-
PerkinElmer, Boston, Massachusetts
komórki. Wynika z tego, Że funkcje nie- jących je bia"ek, my i nasi koledzy z Ro-
Rosetta Inpharmatics, Kirkland, Waszyngton
znanych genów wchodzących w sk"ad setta Inpharmatics, we wspó"pracy z Ro-
Spotfire, Cambridge, Massachusetts
takiej grupy są podobne do tych, o któ- Virtek Vision International, Ontario, Kanada gerem G. Ulrichem i jego zespo"em
rych roli juŻ coĘ wiadomo. z Abbott Laboratories, postanowiliĘmy
MIKROMACIERZE BIA�EK
sprawdzi�, czy jeden z inhibitorów pro-
Biacore International, Uppsala, Szwecja
Odkrywanie leków teazy  ritonawir  wywo"uje niektóre
Biosite Diagnostics, San Diego, Kalifornia
METODA WINY PRZEZ ASOCJACJó wykorzy- z typowych dla tego leku dzia"ał
niepo-
Ciphergen, Fremont, Kalifornia
stywana jest równieŻ do wykry- Żądanych w"aĘnie wskutek oddzia"ywa-
Large Scale Biology, Germantown, Maryland
wania nieznanych uprzednio bia"ek, nia na wątrob�.
które uczestniczą w szlakach meta- UŻywając macierzy z oko"o 25 tys. ge-
bolicznych związanych z rozwojem chorób. Bia"ka takie mogą nów szczura, uzyskaliĘmy profile ekspresji tkanki jego wą-
sta� si� celem oddzia"ywania nowych, skuteczniejszych leków. troby poddanej dzia"aniu związków potencjalnie toksycznych
Peter S. Linsley, nasz kolega pracujący w Rosetta In-
pharmatics, chcia" na przyk"ad zidentyfikowa� nowe ce-
le dla leków potrafiących skutecznie zwalcza� choroby
zapalne, w których uk"ad odpornoĘciowy uporczywie
niszczy cz�Ęci w"asnego organizmu. Postanowi" zatem
dowiedzie� si�, jakie geny w bia"ych krwinkach zwi�k-
szają lub zmniejszają produkcj� kodowanych przez sie-
bie bia"ek równolegle z genem odpowiedzialnym za wy-
twarzanie bia"ka zwanego interleukiną-2 (IL-2), silnie
związanego z rozwojem tego typu schorzeł
.
Wykona" w tym celu profile ekspresji genów bia-
"ych krwinek wystawionych na dzia"anie róŻnych
związków chemicznych, a nast�pnie uŻy" specjalistycz-
nego programu komputerowego do wykrycia genów,
które zawsze w"ącza"y si� lub wy"ącza"y podczas akty-
wacji genu kodującego interleukin�. Znajdowa" si�
wĘród nich gen, którego funkcji w organizmie dotychczas
nie znano. Mniej wi�cej w tym samym czasie naukow-
cy z Instytutu Pasteura w ParyŻu stosując inne metody,
niezaleŻnie stwierdzili, Że gen ten uczestniczy w szlaku
IL-2, wi�c by"by dobrym celem dla leków przeciw-
zapalnych.
Farmakolodzy wykorzystują natomiast wyniki badania
ekspresji genów do wykrycia i wykluczenia takich związ-
ków (potencjalnych leków), które mog"yby powodowa�
powaŻne dzia"ania niepoŻądane. Chcąc na przyk"ad
stwierdzi�, czy jakaĘ substancja nie szkodzi sercu, spo-
rządza"oby si� zestaw profili ekspresji dla komórek te-
go narządu, poddanych nie tylko jej dzia"aniu, ale tak-
Że juŻ istniejących lekarstw i innych związków che-
micznych o znanej kardiotoksycznoĘci. Porównanie uzy-
skanych wzorów ekspresji pozwoli stwierdzi�, czy ba-
Czujniki bia"kowe  nowe moŻliwoĘci
N. Leigh Anderson i Gunars Valkirs
MIKROMACIERZE DNA s"uŻą do wykrywania genów lub badania pozio- nego uŻytku macierze oparte na przeciwcia"ach, z których kaŻde "ączy
mu ich ekspresji, natomiast czujniki bia"kowe przeznaczone są do bez- si� z konkretnym bia"kiem, a dok"adniej z jego ĘciĘle okreĘlonym odcin-
poĘredniego  i jak wiele na to wskazuje, bardzo dok"adnego  okreĘla- kiem. Niektóre z tych czujników dzia"ają na zasadzie tzw. metody ka-
nia typów oraz mierzenia iloĘci bia"ek w tkankach. Za pomocą takich napki  bia"ko wykrywane jest przez dwa róŻne przeciwcia"a, z których
przyrządów moŻna takŻe stwierdzi�, które z tysi�cy istniejących w ko- jedno wiąŻe jego cząsteczk�, a drugie przy"ącza do niej znacznik fluore-
mórce bia"ek oddzia"ują ze sobą. scencyjny (schemat poniŻej).
Macierze bia"ek są zatem dla naukowców niezwykle przydatnymi na- Aby macierze oparte na przeciwcia"ach spe"ni"y oczekiwania, trzeba
rz�dziami badawczymi. Laika mogą zainteresowa� natomiast z zupe"- przezwyci�Ży� co najmniej dwie podstawowe trudnoĘci. Jedna to opra-
nie innego powodu, poniewaŻ najprawdopodobniej umoŻliwią lekarzom cowanie metody pozwalającej na jednoczesną masową produkcj� wie-
szybkie diagnozowanie wielu chorób. lu róŻnych przeciwcia", i to nie jakichkolwiek, ale tych, które silnie wią-
Czujniki takie powinny by� bardzo uŻyteczne do tego celu, zw"aszcza Żą si� z okreĘlonym bia"kiem, by da"o si� wykry� nawet ma"e jego iloĘci.
Że w odróŻnieniu od mikromacierzy DNA moŻna dzi�ki nim uzyskiwa� Obecnie próbuje si� juŻ przezwyci�Ży� ten problem. Druga przeszkoda
informacje z osocza krwi, które jest bardzo "atwo dost�pne. Wi�kszoĘ� jest znacznie powaŻniejsza. Zidentyfikowano dotychczas zaledwie kil-
chorób  od zakaęnych do chorób nerek i serca  pozostawia we krwi kadziesiąt z by� moŻe tysi�cy bia"ek Ęwiadczących o rozwoju choroby.
Ęlady w postaci róŻnego typu bia"ek. Ponadto za pomocą jednego takie- Dopóki twórcy czujników nie b�dą wiedzieli, jakie bia"ka mają one wy-
go czujnika moŻna by"oby zmierzy� od razu poziom wszystkich lub wie- krywa�, moŻliwoĘci ich zastosowania b�dą ograniczone. Na szcz�Ęcie
lu bia"ek znanych z tego, Że sygnalizują k"opoty zdrowotne. Standar- mnóstwo naukowców poszukuje obecnie nowych bia"ek specyficznych
dowymi metodami da si� natomiast wykry� równoczeĘnie tylko jedno dla poszczególnych chorób. Po"ączenie osiągni�� w produkcji przeciw-
lub kilka bia"ek specyficznych dla danej choroby. cia" i w odkrywaniu nowych bia"ek pozwoli stworzy� czujniki bia"kowe
Macierze bia"ek wykonuje si� podobnie jak czujniki DNA. Na bardzo drugiej generacji, które zrewolucjonizują zarówno medyczne badania
cienkiej p"ytce umieszcza si� miliony kopii setek lub tysi�cy róŻnych podstawowe, jak i metody diagnozowania oraz terapii wielu schorzeł
.
bia"ek, przy czym kaŻde z nich znajduje si� w odr�bnym miejscu (plam-
ce). Charakter po"ączeł
mi�dzy bia"kami z próbki i znajdującymi si� N. Leigh Anderson i Gunars Valkirs prowadzą wspólne badania nad
na macierzy pozwoli na ocen� rodzaju i iloĘci poszczególnych bia"ek czujnikami bia"kowymi. Anderson jest dyrektorem ds. naukowych w
we krwi pacjenta. Large Scale Biology Corporation w Germantown w stanie Maryland.
Na czujniku moŻna umieĘci� bia"ka róŻnych typów w zaleŻnoĘci od Valkirs pracuje jako g"ówny technolog w Biosite Diagnostics w San Die-
celów badawczych. Zapewne jednak najpr�dzej wejdą do powszech- go w Kalifornii.
DZIA�ANIE CZUJNIKA BIA�KOWEGO
W PRZYSZ�O�CI LEKARZE b�dą mogli stosowa� tzw. metod� ĘmiercionoĘna odmiana? A moŻe to prątki gruęlicy, laseczki
kanapki, by zidentyfikowa� czynnik zakaęny odpowiedzialny za wąglika lub wirusy ospy? Badania przeprowadzone w podany po-
chorob� pacjenta. To typowy wirus grypy czy teŻ jego nowa niŻej sposób mog"yby da� odpowiedę na to pytanie.
OZNAKOWANE
PRZECIWCIA�O
PRZECIWCIA�O
BIA�KO Z KRWI
NA BIA�KO
ODCZYT
LASECZKI WŃGLIKA
PRZECIWCIA�O NA BIA�KO
LASECZKI WŃGLIKA
BIA�KA PRZECIWCIA�O
PRZECIWCIA�O
W PRÓBCE Z FLUORESCENCYJNYM
PLAMKA
NA BIA�KO
KRWI ZNACZNIKIEM
NIE ZWIŃZANE WSKAZUJŃCA,
WIRUSA OSPY
PRZECIWCIA�A �E PACJENT
JEST CHORY
PRZECIWCIA�O
NA WŃGLIKA
NA BIA�KO
WIRUSA GRYPY
CZYTNIK
CZUJNIK Z PRZECIWCIA�AMI
NanieĘ� krew pacjenta na czujnik (macierz), za- NanieĘ� na czujnik przeciwcia"a ze znaczni- W"oŻy� chip do czyt-
1wierający odpowiednie przeciwcia"a umieszczo- 2kami fluorescencyjnymi, zdolne do dodatko- 3nika, by okreĘli�, ja-
ne w ĘciĘle okreĘlonych miejscach. W kaŻdym z nich wego przy"ączenia si� do bia"ek związanych przez ki patogen znajduje si�
znajduje si� wiele kopii przeciwcia"a zdolnego do przeciwcia"a znajdujące si� juŻ na macierzy. Po- w organizmie pacjenta.
wiązania specyficznego bia"ka konkretnego mikroor- wstaną w ten sposób  kanapki z"oŻone z oznako- W tym przypadku cho-
ganizmu chorobotwórczego, wi�c kaŻde moŻe wy- wanego bia"ka i dwóch specyficznych dla niego rob� wywo"a"y laseczki
kry� odr�bny czynnik powodujący chorob�. przeciwcia". wąglika.
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
dla tego narządu, po czym podzieliliĘmy je wed"ug podo- ne takie badania, a ich wyniki zostaną wykorzystane w zwal-
bieł
stw charakterystyk ekspresyjnych oko"o 2400 genów, któ- czaniu nie tylko tego, ale takŻe pozosta"ych typów nowotwo-
re silnie na te substancje reagowa"y. Nast�pnie na wątrob� rów. Lepsze metody diagnostyczne b�dą takŻe przydatne
szczura dzia"aliĘmy ritonawirem i porównaliĘmy otrzymane w przypadku innych chorób. Profile ekspresji mog"yby na
profile ekspresji z uzyskanymi poprzednio. przyk"ad pomóc w wyodr�bnieniu wymagających indywidu-
Okaza"o si�, Że ritonawir powoduje aktywacj� genów wy- alnych metod leczenia astmatyków i cukrzyków. Prace nad
ciszanych zwykle przez znany czynnik obniŻający poziom takimi zastosowaniami czujników DNA juŻ trwają.
lipidów. Przyczynia si� takŻe do spadku produkcji bia"ek two- Trzeba jeszcze rozwiąza� kilka problemów, zanim mikroma-
rzących proteasomy, w których nast�puje degradacja niepo- cierze awansują do roli powszechnie uŻywanych narz�dzi ba-
trzebnych juŻ bia"ek, w tym równieŻ zawierających lipidy. dawczych i diagnostycznych. Czujniki, czytniki i inne nie-
Wyniki te sugerują, Że ritonawir podnosi poziom tych związ- zb�dne urządzenia są nadal bardzo drogie, ale przypuszczalnie
ków w wątrobie, a w efekcie takŻe we krwi, cz�Ęciowo wsku- ich koszt w miar� up"ywu czasu b�dzie male�.
tek zwi�kszenia ich syntezy w wątrobie i hamowania rozk"a- Jednak nawet wtedy, przynajmniej początkowo, owe tech-
du zawierających je bia"ek. Dalsze badania powinny wykaza� niki mogą okaza� si� zbyt trudne do zastosowania w prze-
dok"adnie, jak ritonawir oddzia"uje ze szlakami prowadzą- ci�tnych gabinetach lekarskich i laboratoriach analitycznych.
cymi do powstawania lipidów i proteasomów, co pozwoli Tylko nieliczni lekarze i technicy medyczni dysponują bo-
prawdopodobnie znaleę� sposób na os"abienie dzia"ał
nie- wiem odpowiednim wyposaŻeniem i umiej�tnoĘciami, by pra-
poŻądanych tego leku. wid"owo przygotowywa� próbki tkanek do badania za pomo-
cą mikromacierzy. Co wi�cej, aby na przyk"ad zdiagnozowa�
Terapia na miar� w ten sposób chorob� wątroby, konieczne by"oby pobranie
OPRACOWANIE NOWYCH LEKÓW, a zw"aszcza Ęrodków o stosun- próbki jej tkanki, co wcale nie jest takie proste.
kowo niewielkich dzia"aniach niepoŻądanych, by"oby wspa- Obecnie problemy te wydają si� powaŻne, ale zapewne
nia"ym wykorzystaniem wyników badał
wykonywanych przy moŻna je pokona�. Czasem na przyk"ad zamiast tkanek trud-
uŻyciu mikromacierzy DNA. Wielu lekarzy liczy jednak na nych do uzyskania da"oby si� uŻy� "atwiej dost�pnych. Po-
coĘ wi�cej: chce je zastosowa� jako szybkie narz�dzia dia- nadto w niektórych przypadkach prawdopodobnie nie b�dzie
gnostyczne, aby za ich pomocą wĘród pacjentów z podobny- trzeba stosowa� bezpoĘrednio samych mikromacierzy. Uzyska-
mi objawami moŻna by"o rozpoznawa� takich, dla których ne za ich pomocą informacje stanowi"yby bowiem podstaw�
korzystne by"yby odmienne (w tym intensywne) metody le- do opracowania nowego testu diagnostycznego, dzia"ające-
czenia. Jest to szczególnie waŻne  o czym przekona"y nas go na odmiennych zasadach.
wyniki badał
nad ch"oniakiem, o których wspominaliĘmy na Po pe"niejszym poznaniu mechanizmów funkcjonowania
początku artyku"u  w przypadku pacjentów cierpiących na komórek i ca"ego organizmu lekarze b�dą stawia� trafniej-
róŻnego typu nowotwory. sze diagnozy, proponowa� skuteczniejsze metody leczenia
Badania nad rakiem piersi prowadzone przez naszą grup� (moŻe nawet terapi� genową) i dopasowywa� je do t"a gene-
w Rosetta Inpharmatics we wspó"pracy z naukowcami z Ho- tycznego oraz stanu fizjologicznego poszczególnych pacjen-
lenderskiego Instytutu Rakowego w Amsterdamie dowodzą, tów. Prawdopodobnie do roku 2020 placówki opieki zdro-
Że wykorzystanie macierzy ekspresji jest do tego celu przy- wotnej b�dą juŻ dysponowa"y komputerowymi modelami
datne [ramka na stronie 40]. ChcieliĘmy stwierdzi�, które ko- stanu molekularnego swych klientów  wirtualnymi symula-
biety z rakiem piersi we wczesnym stadium powinny by� pod- cjami, które b�dzie si� modyfikowa� w miar� nap"ywu no-
dane po zabiegu chirurgicznym chemioterapii zapobiegającej wych danych uzyskiwanych za pomocą mikromacierzy i in-
przerzutom do w�z"ów ch"onnych. Cho� stosuje si� ją u oko- nych metod oraz wyników najĘwieŻszych badał
w dziedzinie
"o 90% takich pacjentek, to prawdopodobnie wi�kszoĘ� z nich biologii komórki. Zapewne nie wszystkim to si� spodoba
w gruncie rzeczy jej nie potrzebuje. Standardowe techniki i cz�Ę� pacjentów zrezygnuje z takich metod oraz lepszej opie-
badawcze nie pozwalają niestety na wyróŻnienie chorych z ki medycznej, po to by zachowa� prywatnoĘ�. Jednak ci, któ-
grupy najwi�kszego ryzyka. rzy skorzystają z owych osiągni��, b�dą prawdopodobnie Ży�
Zacz�liĘmy od wykonania profili ekspresji nowotworów d"uŻej i zdrowiej.
T"umaczy"a
blisko 100 kobiet w wieku poniŻej 55 lat, których stan zdro-
Ewa Bartnik
wia by" kontrolowany przez ponad pi�� lat po zabiegu chi-
rurgicznym. Początkowo uŻywaliĘmy mikromacierzy zawie-
rającej 25 tys. ludzkich genów. Po przeprowadzeniu badał

JE�LI CHCESZ WIEDZIE� WIóCEJ
stwierdziliĘmy, Że pewien charakterystyczny wzór związany
The Chipping Forecast. Suplement do Nature Genetics, tom 21, s. 1-60;
z oko"o 70 genami jednoznacznie wskazuje na szybkie poja-
I/1999.
wienie si� przerzutów. Okaza"o si� równieŻ, Że odwrotny wzór Genomics, Gene Expression and DNA Arrays. David Lockhart i Elizabeth
Winzeler; Nature, tom 405, s. 827-836; 15 VI 2000.
jest wskaęnikiem dobrego rokowania. Nie ulega wątpliwo-
Experimental Annotation of the Human Genome using Microarray Tech-
Ęci, Że niektóre guzy b�dą dawa"y przerzuty, zanim osiągną
nology. D. D. Shoemaker i in.; Nature, tom 409, s. 922-927; 15 II
2001.
wielkoĘ� po"owy dwugroszówki, podczas gdy inne, nawet
Strony internetowe zawierające odsy"acze i publikacje o mikromacie-
znacznie wi�ksze, nie mają takich sk"onnoĘci.
rzach moŻna znaleę� pod nast�pującymi adresami:
Nasze wyniki muszą jeszcze potwierdzi� inni badacze, za-
http://bioinformatics.phrma.org/microarrays.html
http://industry.ebi.ac.uk/~alan/MicroArray/
nim profile ekspresji staną si� rutynową cz�Ęcią procedury
www.rii.com/publications/default.htm
diagnozowania chorych na raka piersi. W ciągu dwóch naj-
http://ihome.cuhk.edu.hk/~b400559/2001j_mray.html
bliŻszych lat wiele placówek medycznych rozpocznie zapew- http://www.biologie.ens.fr/en/genetiqu/puces/links.html#news
KWIECIEĄ 2002 �WIAT NAUKI 43