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
teÅ» czasy, gdy terapi´
b´dzie si´ dostosowywaç
do indywidualnych
potrzeb pacjenta
WYNIKI BADAÄ„ przeprowadzanych
przy uŻyciu mikromacierzy DNA
moÅ»na przedstawiç 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 ÂWIAT NAUKI KWIECIEÄ„ 2002
WIóKSZOÂå CHORYCH na ch"oniaka rozlanego z duÅ»ych komórek B poczÄ…tkowo dobrze reagu-
je na standardowe terapie. Jednak w ponad po"owie przypadków szybko nast´puje wznowa
nowotworu i pacjent umiera. Dlaczego jednych udaje si´ uratowaç, a innych nie? Lekarze
od dawna podejrzewajÄ…, Å»e dzieje si´ tak, gdyÅ» istniejÄ… dwie formy choroby, wywo"ywane
przez zupe"nie inne zaburzenia molekularne. Jeszcze dwa lata temu nie by"o Żadnego sposo-
bu rozpoznania, którzy pacjenci cierpiÄ… na ostrÄ… postaç nowotworu, wi´c wszystkich pod-
dawano najsilniejszej, ryzykownej bÄ…dÄ™ co bÄ…dÄ™ 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 wskazaç osoby chore na ostrÄ… form´
ch"oniaka. Powinno to wystarczyç do opracowania testu diagnostycznego pozwalajÄ…cego wy-
róŻniç najbardziej zagroÅ»onych pacjentów.
Mikromacierze DNA, wprowadzone na rynek w 1996 roku, sÄ… obecnie podstawowymi na-
rz´dziami, wykorzystywanymi w badaniach prowadzÄ…cych do stworzenia nowych leków.
Sprzedaje je  lub przyrządy i oprogramowanie potrzebne do opracowania informacji, któ-
rÄ… udaje si´ dzi´ki nim uzyskaç  ponad 20 firm. UrzÄ…dzenia te niewÄ…tpliwie 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 udoskonalÄ… ich diagnostyk´, a takÅ»e pomogÄ… w doborze me- niu DNA na czujniku z DNA w badanej próbce tkanki. Robi
tod leczenia najlepiej dostosowanych do potrzeb poszczegól- si´ to, aby stwierdziç, jakie geny sÄ… w niej obecne, lub okre-
nych pacjentów  czyli w dopasowywaniu terapii do swoistej Ęliç kolejnoĘç zasad w niezsekwencjonowanych jeszcze frag-
postaci choroby i w wyborze leków, które powinny w kaÅ»dym mentach DNA. Cz´sto jednak stosuje si´ mikromacierze, by nie
konkretnym przypadku byç najskuteczniejsze, a zarazem tylko wykryç obecnoĘç genów w próbce lub rozszyfrowaç ich
powodowaç jak najmniej dzia"aÅ‚
niepoŻądanych. sekwencje, ale równieÅ» oceniç ekspresj´ (czyli poziom aktyw-
noĘci) tych genów. Geny ulegajÄ… 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, sÄ… czÄ…steczki mRNA b´dÄ…ce ruchomymi trans-
i sk"adajÄ… si´ z zestawu jednoniciowych czÄ…steczek DNA (sond) kryptami genów.
przymocowanych do p"ytki na ogó" nie wi´kszej od odcisku
kciuka. W czujnikach owych wykorzystano bardzo przydatnÄ… ¸owcy genów
w badaniach w"aĘciwoĘç DNA  zdolnoĘç zasad, wchodzÄ…cych ZA POMOCŃ CZUJNIKÓW DNA porównuje si´ geny róŻnych orga-
w sk"ad tego kwasu, do "Ä…czenia si´ w pary. nizmów (np. by znaleÄ™ç informacje dotyczÄ…ce ich ewolucji),
DNA jest zwiÄ…zkiem, z którego zbudowanych jest ponad a takÅ»e znajdujÄ…ce si´ w nowotworach i w normalnych tkan-
30 tys. ludzkich genów  sekwencji b´dÄ…cych instrukcjami kach (aby wykryç 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 pomocÄ… pierw- si´ przydatne takÅ»e 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- moÅ»na b´dzie na przyk"ad znaleÄ™ç przyczyn´ choroby u pa-
pe"nienie A), a C "Ä…czy si´ tylko z G. cjenta z objawami podobnymi do objawów grypy (jak bóle,
JeĘli wi´c czÄ…steczka DNA w próbce tkanki badanej za po- podwyÅ»szona ciep"ota cia"a i trudnoĘci w oddychaniu), które
mocÄ… mikromacierzy wiÄ…Å»e si´ z sondÄ… o sekwencji ATCGGC, sÄ… zbyt ma"o specyficzne, by zidentyfikowaç wywo"ujÄ…cy je
znaczy to, Å»e czÄ…steczka ta ma sekwencj´ komplementarnÄ… patogen. NaleÅ»a"oby w tym celu umieĘciç na czujniku fragmen-
TAGCCG. Kwas rybonukleinowy, który jest chemicznym ku- ty DNA reprezentujÄ…ce geny, które wyst´pujÄ… tylko w wybra-
zynem kwasu deoksyrybonukleinowego, wiąŻąc si´ z nim teÅ» nych czynnikach chorobotwórczych, a nast´pnie nanieĘç od-
stosuje si´ do Ęcis"ych regu" tworzenia par. MoÅ»na zatem okre- powiednio oznakowane DNA, uzyskane z próbki tkanki
Ęliç sekwencj´ nici RNA na podstawie dope"niajÄ…cej sekwen- pacjenta (np. fragmentu b"ony Ęluzowej pobranej z jego nosa).
cji w sondzie DNA, umiejscowionej na czujniku. Obecnie opracowywane sÄ… takÅ»e czujniki majÄ…ce s"uÅ»yç do
¸Ä…czenie si´ komplementarnych par zasad od lat jest pod- wykrywania zarazków, na przyk"ad wÄ…glika stosowanego
stawą róŻnych testów biologicznych. Za pomocą jednej zale- w atakach terrorystycznych.
dwie mikromacierzy DNA moÅ»na analizowaç równoczeĘnie Czy si´ to podoba, czy nie, mikromacierze DNA wykrywajÄ…-
dziesiÄ…tki tysi´cy takich reakcji  dzi´ki temu, Å»e wszystkie ce geny mog"yby teÅ» s"uÅ»yç 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 reagujÄ…cych Wi´kszoĘç róŻnic genetycznych mi´dzy ludÄ™mi 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), powstajÄ…cych, gdy jedna z two-
a uzyskane w ten sposób surowe dane zostają przekszta"cone rzących DNA  cegie"ek zostanie zastąpiona przez inną. MoŻna
za pomocÄ… komputera w barwny obraz, na którym poszczegól- by"oby zatem zbudowaç czujnik wyposaÅ»ony w warianty ge-
ne typy informacji oznacza si´ odr´bnymi kolorami. nów zwiÄ…zane z róŻnymi chorobami, by wykryç SNP-y danej
osoby, a tym samym na przyk"ad podatnoĘç na chorob´ Alzhe-
imera, cukrzyc´, konkretne typy nowotworów itd. Ludzie w du-
PrzeglÄ…d / 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, umoÅ»liwiÄ… zapewne równoczesne Ęledzenie tysi´cy reak-
czy takie testy spotka"yby si´ ze spo"ecznÄ… aprobatÄ…. Po pierw-
cji molekularnych na p"ytce mniejszej niÅ» szkie"ko przykrywkowe.
sze  wzbudza"yby niepokój u osób obciąŻonych genetycznie.
Czujniki te moÅ»na zaprojektowaç tak, by wykrywa"y okreĘlone ge-
Po drugie  nie da"oby si´ wykluczyç groÄ™by dyskryminacji tych
ny lub mierzy"y ogólnÄ… aktywnoĘç 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"oÅ»onych chorób oraz testowaniu leków. DÄ…Å»y si´ takÅ»e 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 skutecznoĘç
sowaniach jak czujniki DNA.
oraz nasilenie ewentualnych dzia"ał
niepoŻądanych. Czujni-
Informacje uzyskiwane za pomocÄ… 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 dobieraç kaÅ»demu pacjentowi jak najlepsze
ficznych potrzeb poszczególnych pacjentów.
specyfiki. Wykrycie mutacji wp"ywajÄ…cych na charakter nowo-
38 ÂWIAT NAUKI KWIECIEÄ„ 2002
DENNIS GALANTE PHOTOGRAPHY
(poprzednie strony)
JAK DZIA¸A CZUJNIK DNA
CHCŃC DOWIEDZIEå SIó, czy zwiÄ…zek testowany jako nowy lek tego narzÄ…du pod wp"ywem okreĘlonych substancji. MoÅ»na w tym
grozi uszkodzeniem wÄ…troby, trzeba sprawdziç, czy nie powodu- celu post´powaç tak, jak podano poniÅ»ej. JeĘli wyniki badaÅ‚

je on zmian w dzia"aniu genów w jej komórkach w sposób cha- b´dÄ… pozytywne, oznacza to, Å»e zwiÄ…zek ten jest szkodliwy.
rakterystyczny dla innych, znanych juŻ przypadków uszkodzeł
NaleŻy zatem:
Skonstruowaç lub kupiç
1mikromacierz zawierajÄ…cÄ…
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 zawieraç tysiÄ…ce,
CZUJNIK
(MIKROMACIERZ) a nawet miliony kopii odpowiednich
FRAGMENT PLAMKA ZAWIERAJŃCA CZóÂå JEDNEJ
CZUJNIKA KOPIE JEDNEJ CZŃSTECZKI NICI DNA fragmentów nici DNA.
DNA
INFORMACYJNY
GENY
RNA (mRNA)
NIEAKTYWNE
LEK
Pobraç dwie próbki komórek
2wÄ…troby i jednÄ… z nich poddaç
BIA¸KO
dzia"aniu leku. Nast´pnie trzeba
z kaÅ»dej próbki wyizolowaç czÄ…steczki
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
Przepisaç mRNA na bardziej
DNA
T A
cDNA
3stabilny komplementarny DNA (cDNA) Z CZUJNIKA
C G
Z KOMÓREK
i dodaç fluoryzujÄ…ce 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
NanieĘç znaczone czÄ…steczki cDNA na czujnik. T A
G C G C
C G C G
4WiąŻą si´ one ze znajdujÄ…cymi si´ na mikromacierzy
G C G C
czÄ…steczkami DNA o komplementarnej sekwencji zasad
(szczegó"y z prawej). Oznacza to, Å»e gen, który po"Ä…czy" si´
z DNA na czujniku, by" w próbce aktywny (uleg" ekspresji).
PRZYK¸ADY REAKCJI
GEN, KTÓREGO AKTYWNOÂå
POD WP¸YWEM LEKU SILNIE
WZROS¸A
UmieĘciç czujnik w czytniku (skanerze).
GEN, KTÓREGO AKTYWNOÂå
POD WP¸YWEM LEKU SILNIE 5Komputer wyliczy dla kaÅ»dego miejsca
SPAD¸A
stosunek barwnika czerwonego do zielonego
GEN, KTÓREGO AKTYWNOÂå (aby okreĘliç 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 AKTYWNOÂCI GENÓW
W KOMÓRKACH WŃTROBY PODDANYCH
DZIA¸ANIU RÓÚNYCH ZWIŃZKÓW
Sprawdziç, czy jakieĘ geny zareagowa"y na lek silnie,
GENY
6w sposób charakterystyczny dla uszkodzeł
wÄ…troby.
SUBSTANCJE
MoÅ»na takÅ»e porównaç ogólny wzór ekspresji stworzony
NIETOKSYCZNE
przez silnie reagujÄ…ce geny z wzorami reakcji tych samych
genów na związki o znanym juŻ toksycznym dzia"aniu
ZWIŃZEK TESTOWANY JAKO
EWENTUALNY NOWY LEK
na wÄ…trob´ (z prawej). Ich duÅ»e podobieÅ‚
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.
KWIECIEÄ„ 2002 ÂWIAT NAUKI 39
JARED SCHNEIDMAN DESIGN
PRZEWIDYWANIE WZNOWY NOWOTWORU
WYNIKI BADAÄ„ PROWADZONYCH w Rosetta Inpharmatics i Holen- najmniej pi´ç 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 dajÄ…cych przerzutów gu- przerzuty), znacznie cz´Ä˜ciej nast´powa" nawrót choroby niÅ» 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 zostanÄ… potwierdzone, w przy-
PROFILE EKSPRESJI
Z PRZERZUTAMI
sz"oĘci lekarze b´dÄ… mogli na podstawie
takich badał
z wi´kszym prawdopodobieÅ‚
-
0/20
stwem stwierdziç, którzy pacjenci potrze-
(0%)
bujÄ… najintensywniejszej terapii.
LOSY PACJENTEK
100
6/21
(29%)
80
Kobiety majÄ…ce profil
ekspresji typowy
dla  dobrego rokowania
60
18/24
(75%)
40
Kobiety majÄ…ce 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 (miesiÄ…ce)
ZWIóKSZONŃ AKTYWNOÂå ZMNIEJSZONŃ AKTYWNOÂå
tworów mog"oby teÅ» u"atwiaç patologom okreĘlanie, czy gu- znajdujÄ…cych si´ w niej bia"ek. Wyniki takich badaÅ‚
majÄ…
zy ocenione standardowymi metodami jako "agodne nie sÄ… ogromne znaczenie poznawcze i diagnostyczne, poniewaÅ»
przypadkiem bardziej z"oĘliwe, niÅ» si´ wydajÄ…. Obecnie ba- bia"ka sÄ… odpowiedzialne za wi´kszoĘç procesów zachodzÄ…-
da si´ moÅ»liwoĘç 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
pomocÄ… których da"oby si´ bezpoĘrednio zmierzyç iloĘç po-
Nie ma jak ekspresja szczególnych rodzajów bia"ek [ramka na stronie 42]. Nie jest
CHOå WYMIENIONE zastosowania czujników DNA sÄ… 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. ZnajomoĘç ogólne-
kwasu nukleinowego wytwarza komórka, tym wi´cej czÄ…ste- go wzoru aktywnoĘci genów moÅ»e byç niekiedy poÅ»yteczniej-
czek danego bia"ka syntetyzuje, wi´c na podstawie zawarto- sza niÅ» wiedza o tym, które geny w"Ä…czajÄ… si´ lub wy"Ä…czajÄ…
Ęci rozmaitych mRNA w próbce moÅ»na oceniç typy i iloĘç 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 pracujÄ… 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, umoÅ»liwia ocen´ jej zdolno-
za pomocÄ… 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 rozwijajÄ…ca si´ choroba.
cjalistÄ… onkologii dzieci´cej i biologiem molekularnym w Harvard Uni-
Macierze ekspresyjne stosuje si´ równieÅ» 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 zaczÄ…" zaj-
dziç, co robiÄ… te geny (a w"aĘciwie kodowane przez nie bia"ka),
mowaç si´ biotechnologiÄ…, pracowa" nad rozwojem obróbki sygna"u
i narz´dzi rozpoznawania obrazów w geofizyce i astrofizyce. ale nie zawsze sÄ… one szybkie i wiarygodne. Zastosowanie ma-
40 ÂWIAT NAUKI KWIECIEÄ„ 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- danÄ… substancj´ da si´ zastosowaç do
Oto nazwy popularniejszych firm sprzedajÄ…-
dawczej zwanej winÄ… przez asocjacj´ stworzenia nowego, bezpiecznego leku.
cych lub opracowujÄ…cych urzÄ…dzenia i us"ugi
(guilt-by-association) moÅ»e wype"niç Badanie profili ekspresji genów mo-
zwiÄ…zane 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 ratujÄ… Å»y-
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"Ä…czajÄ… si´ i wy"Ä…czajÄ… 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 opornoĘç
Mergen, San Leandro, Kalifornia
dziec  na przyk"ad lek, zakaÅ»enie czy na insulin´. WiedzÄ…c, Å»e wÄ…troba bie-
Motorola Life Sciences, Northbrook, Illinois
zaindukowanÄ… mutacj´  moÅ»na wnio- rze udzia" w wytwarzaniu i rozk"adzie li-
Nanogen, San Diego, Kalifornia
skowaç, Å»e oddzia"ujÄ… one (razem lub pidów (zwiÄ…zków, 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
sprawdziç, 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 wÄ…trob´.
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-
staç si´ celem oddzia"ywania nowych, skuteczniejszych leków. troby poddanej dzia"aniu zwiÄ…zków potencjalnie toksycznych
Peter S. Linsley, nasz kolega pracujÄ…cy w Rosetta In-
pharmatics, chcia" na przyk"ad zidentyfikowaç nowe ce-
le dla leków potrafiÄ…cych skutecznie zwalczaç choroby
zapalne, w których uk"ad odpornoĘciowy uporczywie
niszczy cz´Ä˜ci w"asnego organizmu. Postanowi" zatem
dowiedzieç si´, jakie geny w bia"ych krwinkach zwi´k-
szajÄ… lub zmniejszajÄ… produkcj´ kodowanych przez sie-
bie bia"ek równolegle z genem odpowiedzialnym za wy-
twarzanie bia"ka zwanego interleukinÄ…-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
zwiÄ…zków chemicznych, a nast´pnie uÅ»y" specjalistycz-
nego programu komputerowego do wykrycia genów,
które zawsze w"Ä…cza"y si´ lub wy"Ä…cza"y podczas akty-
wacji genu kodujÄ…cego 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 wykorzystujÄ… natomiast wyniki badania
ekspresji genów do wykrycia i wykluczenia takich związ-
ków (potencjalnych leków), które mog"yby powodowaç
powaŻne dzia"ania niepoŻądane. Chcąc na przyk"ad
stwierdziç, czy jakaĘ substancja nie szkodzi sercu, spo-
rzÄ…dza"oby si´ zestaw profili ekspresji dla komórek te-
go narzÄ…du, 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 stwierdziç, 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 sÄ… 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
przyrzÄ…dów moÅ»na takÅ»e stwierdziç, które z tysi´cy istniejÄ…cych w ko- jedno wiÄ…Å»e jego czÄ…steczk´, a drugie przy"Ä…cza 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 mogÄ… zainteresowaç natomiast z zupe"- przezwyci´Å»yç co najmniej dwie podstawowe trudnoĘci. Jedna to opra-
nie innego powodu, poniewaÅ» najprawdopodobniej umoÅ»liwiÄ… lekarzom cowanie metody pozwalajÄ…cej na jednoczesnÄ… masowÄ… produkcj´ wie-
szybkie diagnozowanie wielu chorób. lu róŻnych przeciwcia", i to nie jakichkolwiek, ale tych, które silnie wią-
Czujniki takie powinny byç bardzo uÅ»yteczne do tego celu, zw"aszcza Żą si´ z okreĘlonym bia"kiem, by da"o si´ wykryç nawet ma"e jego iloĘci.
Å»e w odróŻnieniu od mikromacierzy DNA moÅ»na dzi´ki nim uzyskiwaç Obecnie próbuje si´ juÅ» przezwyci´Å»yç ten problem. Druga przeszkoda
informacje z osocza krwi, które jest bardzo "atwo dost´pne. Wi´kszoĘç jest znacznie powaÅ»niejsza. Zidentyfikowano dotychczas zaledwie kil-
chorób  od zakaÄ™nych do chorób nerek i serca  pozostawia we krwi kadziesiÄ…t z byç moÅ»e tysi´cy bia"ek ĘwiadczÄ…cych o rozwoju choroby.
Ęlady w postaci róŻnego typu bia"ek. Ponadto za pomocÄ… jednego takie- Dopóki twórcy czujników nie b´dÄ… wiedzieli, jakie bia"ka majÄ… one wy-
go czujnika moÅ»na by"oby zmierzyç od razu poziom wszystkich lub wie- krywaç, moÅ»liwoĘci ich zastosowania b´dÄ… ograniczone. Na szcz´Ä˜cie
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 wykryç równoczeĘnie tylko jedno dla poszczególnych chorób. Po"Ä…czenie osiÄ…gni´ç w produkcji przeciw-
lub kilka bia"ek specyficznych dla danej choroby. cia" i w odkrywaniu nowych bia"ek pozwoli stworzyç czujniki bia"kowe
Macierze bia"ek wykonuje si´ podobnie jak czujniki DNA. Na bardzo drugiej generacji, które zrewolucjonizujÄ… zarówno medyczne badania
cienkiej p"ytce umieszcza si´ miliony kopii setek lub tysi´cy róŻnych podstawowe, jak i metody diagnozowania oraz terapii wielu schorzeÅ‚
.
bia"ek, przy czym kaÅ»de z nich znajduje si´ w odr´bnym miejscu (plam-
ce). Charakter po"ączeł
mi´dzy bia"kami z próbki i znajdujÄ…cymi si´ N. Leigh Anderson i Gunars Valkirs prowadzÄ… 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 moÅ»na umieĘciç bia"ka róŻnych typów w zaleÅ»noĘci od Valkirs pracuje jako g"ówny technolog w Biosite Diagnostics w San Die-
celów badawczych. Zapewne jednak najpr´dzej wejdÄ… do powszech- go w Kalifornii.
DZIA¸ANIE CZUJNIKA BIA¸KOWEGO
W PRZYSZ¸OÂCI LEKARZE b´dÄ… mogli stosowaç tzw. metod´ ĘmiercionoĘna odmiana? A moÅ»e to prÄ…tki gruÄ™licy, laseczki
kanapki, by zidentyfikowaç czynnik zakaÄ™ny odpowiedzialny za wÄ…glika lub wirusy ospy? Badania przeprowadzone w podany po-
chorob´ pacjenta. To typowy wirus grypy czy teÅ» jego nowa niÅ»ej sposób mog"yby daç odpowiedÄ™ 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 ÚE PACJENT
JEST CHORY
PRZECIWCIA¸O
NA WŃGLIKA
NA BIA¸KO
WIRUSA GRYPY
CZYTNIK
CZUJNIK Z PRZECIWCIA¸AMI
NanieĘç krew pacjenta na czujnik (macierz), za- NanieĘç na czujnik przeciwcia"a ze znaczni- W"oÅ»yç chip do czyt-
1wierajÄ…cy odpowiednie przeciwcia"a umieszczo- 2kami fluorescencyjnymi, zdolne do dodatko- 3nika, by okreĘliç, ja-
ne w ĘciĘle okreĘlonych miejscach. W kaÅ»dym z nich wego przy"Ä…czenia si´ do bia"ek zwiÄ…zanych przez ki patogen znajduje si´
znajduje si´ wiele kopii przeciwcia"a zdolnego do przeciwcia"a znajdujÄ…ce si´ juÅ» 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 kaÅ»de moÅ»e wy- wanego bia"ka i dwóch specyficznych dla niego rob´ wywo"a"y laseczki
kryç odr´bny czynnik powodujÄ…cy chorob´. przeciwcia". wÄ…glika.
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 wÄ…trob´ rów. Lepsze metody diagnostyczne b´dÄ… takÅ»e 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 wymagajÄ…cych indywidu-
Okaza"o si´, Å»e 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´ takÅ»e do spadku produkcji bia"ek two- Trzeba jeszcze rozwiÄ…zaç kilka problemów, zanim mikroma-
rzÄ…cych proteasomy, w których nast´puje degradacja niepo- cierze awansujÄ… do roli powszechnie uÅ»ywanych narz´dzi ba-
trzebnych juŻ bia"ek, w tym równieŻ zawierających lipidy. dawczych i diagnostycznych. Czujniki, czytniki i inne nie-
Wyniki te sugerujÄ…, Å»e ritonawir podnosi poziom tych zwiÄ…z- zb´dne urzÄ…dzenia sÄ… nadal bardzo drogie, ale przypuszczalnie
ków w wÄ…trobie, a w efekcie takÅ»e we krwi, cz´Ä˜ciowo wsku- ich koszt w miar´ up"ywu czasu b´dzie maleç.
tek zwi´kszenia ich syntezy w wÄ…trobie i hamowania rozk"a- Jednak nawet wtedy, przynajmniej poczÄ…tkowo, owe tech-
du zawierajÄ…cych je bia"ek. Dalsze badania powinny wykazaç niki mogÄ… okazaç si´ zbyt trudne do zastosowania w prze-
dok"adnie, jak ritonawir oddzia"uje ze szlakami prowadzÄ…- ci´tnych gabinetach lekarskich i laboratoriach analitycznych.
cymi do powstawania lipidów i proteasomów, co pozwoli Tylko nieliczni lekarze i technicy medyczni dysponują bo-
prawdopodobnie znaleÄ™ç sposób na os"abienie dzia"aÅ‚
nie- wiem odpowiednim wyposaÅ»eniem i umiej´tnoĘciami, by pra-
poŻądanych tego leku. wid"owo przygotowywaç próbki tkanek do badania za pomo-
cÄ… mikromacierzy. Co wi´cej, aby na przyk"ad zdiagnozowaç
Terapia na miar´ w ten sposób chorob´ wÄ…troby, 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 wydajÄ… si´ powaÅ»ne, ale zapewne
nia"ym wykorzystaniem wyników badał
wykonywanych przy moÅ»na je pokonaç. Czasem na przyk"ad zamiast tkanek trud-
uÅ»yciu mikromacierzy DNA. Wielu lekarzy liczy jednak na nych do uzyskania da"oby si´ uÅ»yç "atwiej dost´pnych. Po-
coĘ wi´cej: chce je zastosowaç jako szybkie narz´dzia dia- nadto w niektórych przypadkach prawdopodobnie nie b´dzie
gnostyczne, aby za ich pomocÄ… wĘród pacjentów z podobny- trzeba stosowaç bezpoĘrednio samych mikromacierzy. Uzyska-
mi objawami moÅ»na by"o rozpoznawaç takich, dla których ne za ich pomocÄ… informacje stanowi"yby bowiem podstaw´
korzystne by"yby odmienne (w tym intensywne) metody le- do opracowania nowego testu diagnostycznego, dzia"ajÄ…ce-
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
poczÄ…tku artyku"u  w przypadku pacjentów cierpiÄ…cych na komórek i ca"ego organizmu lekarze b´dÄ… stawiaç trafniej-
róŻnego typu nowotwory. sze diagnozy, proponowaç skuteczniejsze metody leczenia
Badania nad rakiem piersi prowadzone przez naszÄ… grup´ (moÅ»e nawet terapi´ genowÄ…) i dopasowywaç 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-
Å»e wykorzystanie macierzy ekspresji jest do tego celu przy- wotnej b´dÄ… juÅ» dysponowa"y komputerowymi modelami
datne [ramka na stronie 40]. ChcieliĘmy stwierdziç, które ko- stanu molekularnego swych klientów  wirtualnymi symula-
biety z rakiem piersi we wczesnym stadium powinny byç pod- cjami, które b´dzie si´ modyfikowaç w miar´ nap"ywu no-
dane po zabiegu chirurgicznym chemioterapii zapobiegajÄ…cej wych danych uzyskiwanych za pomocÄ… mikromacierzy i in-
przerzutom do w´z"ów ch"onnych. Choç stosuje si´ jÄ… u oko- nych metod oraz wyników najĘwieÅ»szych badaÅ‚
w dziedzinie
"o 90% takich pacjentek, to prawdopodobnie wi´kszoĘç z nich biologii komórki. Zapewne nie wszystkim to si´ spodoba
w gruncie rzeczy jej nie potrzebuje. Standardowe techniki i cz´Ä˜ç pacjentów zrezygnuje z takich metod oraz lepszej opie-
badawcze nie pozwalajÄ… niestety na wyróŻnienie chorych z ki medycznej, po to by zachowaç prywatnoĘç. Jednak ci, któ-
grupy najwi´kszego ryzyka. rzy skorzystajÄ… z owych osiÄ…gni´ç, b´dÄ… prawdopodobnie Å»yç
Zacz´liĘmy od wykonania profili ekspresji nowotworów d"uÅ»ej i zdrowiej.
T"umaczy"a
blisko 100 kobiet w wieku poniŻej 55 lat, których stan zdro-
Ewa Bartnik
wia by" kontrolowany przez ponad pi´ç lat po zabiegu chi-
rurgicznym. Początkowo uŻywaliĘmy mikromacierzy zawie-
rającej 25 tys. ludzkich genów. Po przeprowadzeniu badał

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå 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´ równieÅ», Å»e 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, Å»e niektóre guzy b´dÄ… dawa"y przerzuty, zanim osiÄ…gnÄ…
nology. D. D. Shoemaker i in.; Nature, tom 409, s. 922-927; 15 II
2001.
wielkoĘç po"owy dwugroszówki, podczas gdy inne, nawet
Strony internetowe zawierajÄ…ce odsy"acze i publikacje o mikromacie-
znacznie wi´ksze, nie majÄ… takich sk"onnoĘci.
rzach moÅ»na znaleÄ™ç pod nast´pujÄ…cymi adresami:
Nasze wyniki muszÄ… jeszcze potwierdziç inni badacze, za-
http://bioinformatics.phrma.org/microarrays.html
http://industry.ebi.ac.uk/~alan/MicroArray/
nim profile ekspresji stanÄ… si´ rutynowÄ… cz´Ä˜ciÄ… 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
KWIECIEÄ„ 2002 ÂWIAT NAUKI 43