Płytki genowe i rak









initAd();



































  Biochemia
  Biotechnologia
  Fizjologia
  Genetyka
  Medycyna
  Mikrobiologia
  Inne








   Biologii komórki
   Biologii molekularnej
   Medycyny molekularnej
   Histologii
   Botaniki
  
Leksykon medyczny
   Testy








   Botanika
   Budowa komórki
   Ewolucja
   Genetyka
   Medycyna
   Terminologia
   Zoologia








   A 
   B 
   C 
   D 
   E 
   F 
   G
   H 
   I 
   J 
   K 
   L 
   Ł 
   M
   N 
   O 
   P 
   R 
   S 
   Ś 
   T
   U 
   W 
   Z 
   Ż 
  Cała lista 








   Apoptoza
   PDB
   Biochemia
   Biotechnologia
   Czasopisma
   Książki
   Uczelnie
   Uniwersytety
   Zdjęcia

















 O nas
           Tu jesteś:  
Biologia.pl < Artykuły




















Grzegorz Nalepa

Płytki genowe i rak


Naukowcy mogą analizować aktywność tysięcy genów komórki.Czy w ten sposób dowiemy sie czegoś ciekawego o komórkach nowotworowych?


Zdrowie człowieka w ogromnym stopniu zależy od genów, które działają w jego komórkach. Nowotwory złośliwe należą do chorób o wyraźnym podłożu genetycznym: przekształcenie zdrowych komórek w komórki rakowe, które mnożą się bez opamiętania, niszczą prawidłowe tkanki i tworzą ogniska przerzutów w innych częściach organizmu, jest wynikiem uszkodzenia niektórych genów.
Jakie geny muszą zostać rozregulowane, żeby komórka zmieniła się w komórkę nowotworową? Naukowcy wiedzą, że pobudzenie onkogenów pozwala komórce dzielić się w niekontrolowany sposób, a zniszczenie genów supresorowych umożliwia ominięcie zabezpieczeń, które niszczą komórki z nieprawidłowo działającymi genami. Niektóre geny uczestniczące w procesie nowotworzenia zostały bardzo dokładnie zbadane; przykładem jest słynny "strażnik genomu", gen supresorowy p53, który ulega mutacjom w ponad połowie wszystkich przypadków ludzkich nowotworów. W zeszłym roku naukowcom pracującym w laboratorium Roberta Weinberga w amerykańskim Whitehead Institute for Biomedical Research udało się nawet na drodze manipulacji genetycznych zmienić zdrowe komórki w komórki rakowe (zobacz: Najkrótszy przepis na komórkę nowotworową).
Dzięki tym wszystkim osiągnięciom coraz lepiej rozumiemy, skąd w przyrodzie biorą się komórki nowotworowe, jednak do rozwikłania wszystkich tajemnic raka jest jeszcze bardzo daleko. Dlaczego?
Po pierwsze, w każdej ludzkiej komórce znajduje się około stu tysięcy genów. Chociaż program poznania ludzkiego genomu zbliża się do końca, to obecnie nie znamy nawet kolejności nukleotydów ("cegiełek" kodujących informację genetyczną) we wszystkich genach człowieka, nie wspominając nawet o skomplikowanych zależnościach pomiędzy genami i o działaniu białek kodowanych przez te geny.
Po drugie, mutacje (uszkodzenia) genów uczestniczących w nowotworowej transformacji komórek to tylko jedna strona medalu. Przyczyną raka równie dobrze mogą być zaburzenia aktywności (inaczej - ekspresji) prawidłowych genów. Z punktu widzenia komórki nie ma znaczenia, czy białko kodowane przez onkogen zmieniło swój kształt i z tego powodu stało się bardziej aktywne, czy sam onkogen z jakiegoś powodu stał się bardziej pobudzony i w komórce pojawiło się więcej kodowanego przezeń białka. Podobnie wygląda sprawa z genami supresorowymi: zatrzymanie produkcji zakodowanych w nich białek jest dla komórki równoznaczne ze zniszczeniem tych genów.
Geny wpływają na życie komórki tylko wtedy, gdy zakodowana w nich informacja jest wykorzystywana do syntezy białek. Nieodczytywane, "milczące" geny nie mają najmniejszego znaczenia dla procesów życiowych komórki.
Czy wyciszanie aktywności jednych genów i pobudzanie innych rzeczywiście ma miejsce w komórkach rakowych? Tak - na przykład dość często się zdarza, że w obrębie nowotworów geny supresorowe przestają być odczytywane, chociaż nie ma w nich żadnych mutacji. Problem w tym, że naukowcom dużo łatwiej jest badać uszkodzenia genów, niż zmiany ich aktywności.
Żeby dowiedzieć się więcej o komórkach rakowych, trzeba skorzystać z narzędzia, które umożliwia jednoczesną analizę aktywności wielu tysięcy genów. Takim narzędziem są płytki genowe (DNA microarrays).
Jak wygląda płytka genowa?
Płytka genowa najczęściej ma wielkość karty kredytowej. Jej najważniejszym elementem jest niewielka błona, która przypomina szachownicę złożoną z kilku tysięcy pól. Na każdym z pól znajduje się odrobina DNA wybranego genu. Firmy biotechnologiczne mogą umieszczać na płytce standardowe zbiory genów albo zestawy genów, które są aktywne w badanych narządach, na przykład w nerkach, jajnikach, jelitach lub komórkach układu odpornościowego.
Produkcja płytek genowych wymaga dużej precyzji. Na płytkach wytwarzanych przez firmę Research Genetics odległość pomiędzy środkami sąsiednich pól szachownicy wynosi 750 mikronów, a w każdym polu mieści się pół nanograma DNA odpowiedniego genu.
Żeby zrozumieć, jak przy pomocy takiej płytki można sprawdzać aktywność materiału genetycznego, trzeba sobie przypomnieć, jak komórka korzysta ze swoich genów.



Od komórki do cDNA...

Komórka wytwarza białka na podstawie informacji zakodowanej w genach - odcinkach cząsteczek DNA. Pierwszym etapem odczytywania informacji genetycznej jest transkrypcja, czyli produkcja cząsteczki RNA, która jest komplementarna (patrz ramka 2) do odpowiedniej nici nukleotydowej genu. Cząsteczki RNA powstające w procesie transkrypcji zawierają fragmenty, które nie kodują białek. Takie niekodujące kawałki RNA (introny) są usuwane z cząsteczek RNA w procesie składania genu. Dojrzałe cząsteczki mRNA (przekaźnikowego RNA) są transportowane z jądra komórkowego do cytoplazmy. Tam komórka wykorzystuje je jako matryce do translacji, czyli syntezy nowych białek.
Żeby zbadać aktywność genów w komórce, trzeba z niej wyizolować cząsteczki mRNA. Następnie przeprowadza się tak zwaną odwrotną transkrypcję - produkuje się cząsteczki cDNA, które są komplementarne do mRNA. Uzyskane w ten sposób cDNA składają się z samych fragmentów kodujących białka (odcinki niekodujące zostały wcześniej wycięte podczas składania genów).
Cząsteczki cDNA, które mają być wykorzystane do doświadczeń z płytkami genowymi, muszą zostać oznakowane kolorowymi barwnikami fluorescencyjnymi albo substancjami radioaktywnymi.



Krótko mówiąc, zaczyna się od wyizolowania z badanej tkanki cząsteczek RNA, które są wytwarzane na podstawie informacji zakodowanej w DNA (im bardziej aktywny gen, tym w komórce więcej odpowiadających mu cząsteczek RNA). Potem naukowcy wytwarzają cząsteczki cDNA, które są komplementarne do wyizolowanych cząsteczek RNA, i znakują je np. świecącymi barwnikami fluorescencyjnymi.
Kiedy płytkę genową zanurzy się w roztworze zawierającym takie cDNA, do pól szachownicy zawierających DNA każdego genu przyłączą się cząsteczki cDNA pasujące do tego genu. W ten sposób technika laboratoryjna wykorzystuje zasadę komplementarności nukleotydów.



Komplementarność nukleotydów

Cząsteczka kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) ma kształt podwójnej helisy utworzonej przez dwa owinięte wzajemnie wokół siebie długie łańcuchy (inaczej nici) nukleotydowe. Każdy łańcuch jest zbudowany z połączonych "cegiełek" zwanych nukleotydami. W DNA występują cztery rodzaje nukleotydów: adeninowy (A), tyminowy (T), guaninowy (G) i cytozynowy (C).
Nukleotydy położone naprzeciw siebie w podwójnej helisie łączą się wiązaniami wodorowymi. Adenina zawsze łączy się z tyminą dwoma wiązaniami, a guanina z cytozyną - trzema wiązaniami wodorowymi. Pasujące do siebie pary nukleotydów (A i T oraz G i C) określa się nazwą par komplementarnych.
Ta reguła to zasada komplementarności nukleotydów. Wynika z niej fakt, że od sekwencji nukleotydów jednego łańcucha zależy kolejność nukleotydów w drugiej nici DNA. Na tej zasadzie opiera się wiele ważnych procesów zachodzących w komórce, między innymi replikacja (kopiowanie cząsteczek DNA) i transkrypcja (odczytywanie informacji zakodowanej w genach).



Po kąpieli w cDNA na płytce pojawiają się świecące, wielobarwne punkty. Każdy z nich odpowiada jednemu genowi. Źródłem sygnałów świetlnych są oznaczone barwnikami cząsteczki cDNA, które przyczepiły się do "swoich" miejsc na płytce genowej.
Przy pomocy komputera i specjalnego oprogramowania porównuje się aktywność genów w badanych komórkach i przyporządkowuje konkretne geny do odpowiadających im punktów na płytkach genowych.



...od cDNA do płytki genowej

W metodzie fluorescencyjnej cząsteczki cDNA uzyskane z różnych typów komórek znakuje się innymi barwnikami, na przykład cDNA pochodzące z komórek rakowych oznacza się kolorem czerwonym, a cDNA ze zdrowych komórek - kolorem zielonym. Potem płytkę genową zanurza się w mieszaninie zielonych ("zdrowych") i czerwonych ("rakowych") cząsteczek cDNA.
Cząsteczki cDNA, które zawierają informację zakodowaną w tym samym genie, będą próbowały się przyczepić do tego samego punktu na płytce genowej. Jeśli dany gen był bardziej aktywny w komórkach nowotworowych, to odpowiadający mu punkt na płytce genowej zabarwi się na czerwono, bo w mieszaninie cDNA będzie więcej cząsteczek oznaczonych czerwonym barwnikiem. Jeżeli gen był bardziej aktywny w zdrowych komórkach, to punkt na płytce genowej stanie się zielony.
Barwa i intensywność poszczególnych punktów na płytkach genowych jest analizowana przy pomocy komputera. W ten sposób można jednocześnie porównać aktywność kilku tysięcy genów w dwóch rodzajach komórek - na przykład komórkach rakowych i zdrowych.



Molekularne podpisy nowotworów
Czy badanie aktywności tysięcy genów w chorych komórkach może przydać się onkologom?
Płytki genowe mogłyby zostać wykorzystane w diagnostyce i klasyfikacji nowotworów. Obecnie raka rozpoznaje się na podstawie badania histologicznego - kawałek tkanki tnie się na cienkie plasterki, barwi odczynnikami i ogląda pod mikroskopem. Doświadczony lekarz może w ten sposób stwierdzić, czy w preparacie znajdują się komórki nowotworowe. Niestety, komórki niektórych nowotworów są do siebie bardzo podobne, dlatego np. odróżnienie komórek ostrej białaczki szpikowej (AML) od ostrej białaczki limfoblastycznej (ALL) na podstawie zwykłego badania histologicznego często bywa niemożliwe, chociaż życie pacjenta często zależy od prawidłowej diagnozy: leki stosowane w terapii jednego rodzaju nowotworu mogą okazać się mniej skuteczne albo nieprzydatne w leczeniu innych postaci raka.
Płytki genowe mogą się okazać rozwiązaniem tego problemu. Komórki różnych nowotworów, nawet takich, których nie można odróżnić pod mikroskopem, uruchamiają inne zestawy genów. Oznacza to, że badając cząsteczki RNA wyizolowane z różnych komórek nowotworowych można zobaczyć na płytkach genowych zupełnie inne mozaiki kolorowych punktów. Znajomość takich molekularnych podpisów różnych rodzajów nowotworów pozwoliłaby na dużo skuteczniejszą diagnostykę niż rutynowe badania histologiczne.
Pierwszy krok na drodze do stworzenia takich metod rozpoznawania raka uczynili w ubiegłym roku onkolodzy z bostońskiego Dana-Farber Cancer Institute, którzy dzięki płytkom genowym nauczyli się odróżniać ostrą białaczkę szpikową od ostrej białaczki limfoblastycznej. W ich ślady poszli naukowcy z wielu współpracujących ze sobą amerykańskich ośrodków badawczych, którzy przy pomocy płytek genowych przebadali komórki nowotworowe pochodzące od kilkudziesięciu pacjentów cierpiących na chłoniaki złośliwe wywodzące się z limfocytów B.
Czy płytki genowe pozwalają przewidzieć biologię komórek rakowych i wybrać najlepszy dla pacjentów sposób leczenia?
Okazało się, że na podstawie molekularnych podpisów badane chłoniaki można podzielić na dwie grupy, które bardzo wyraźnie różnią się wynikami terapii. Gdyby płytki genowe były stosowane do diagnostyki, to chorzy na groźniejszą postać chłoniaka mogliby być już od chwili postawienia rozpoznania leczeni w sposób, który zwiększałby ich szanse na przeżycie.
W tej chwili ta metoda jest zdecydowanie za droga do rutynowego klasyfikowania nowotworów na oddziałach onkologicznych (jedna płytka kosztuje kilkaset dolarów, a sprzęt do odczytywania wyników - kilkaset tysięcy dolarów), ale naukowcy są pewni, że w przyszłości to się zmieni. Na konferencji Nature Biotechnology, która odbyła się w lutym 2000 roku w Miami, przedstawiono kilka innych interesujących projektów wykorzystania molekularnych podpisów raka do diagnostyki i klasyfikacji czerniaka złośliwego oraz nowotworów gruczołu piersiowego, prostaty, jelita grubego i przełyku. Może za kilkanaście albo kilkadziesiąt lat lekarze będą używali płytek genowych do klasyfikowania różnych postaci nowotworów i podejmowania decyzji o metodzie leczenia? Wydaje się, że zestaw odczytywanych genów więcej mówi o stopniu złośliwości komórek rakowych niż mikroskopowy obraz tych komórek.
Zrozumieć raka
Płytki genowe nadają się też do czysto naukowych badań. Przy pomocy takich płytek można porównać zestaw genów odczytywanych w zdrowej komórce do zestawu genów ulegających ekspresji w komórce nowotworowej. W ten sposób można wskazać geny, które są nadmiernie pobudzone lub wyciszone w komórkach rakowych. Badacze z Dana-Farber podczas analizowania molekularnych podpisów komórek białaczkowych zauważyli, że niektóre geny szczególnie aktywne w komórkach nowotworowych kodują białka odpowiedzialne za odczytywanie informacji zakodowanej w innych genach, modyfikowanie wiązań pomiędzy DNA a białkami w jądrze komórkowym, przekazywanie informacji pomiędzy komórkami i regulowanie podziałów. Jednak żeby zrozumieć, co dzieje się z komórką w procesie transformacji nowotworowej, należałoby połączyć dane o uszkodzeniach materiału genetycznego z informacjami o zmianach aktywności prawidłowych genów. Badając mutacje, nie dowiadujemy się wiele o poziomie aktywności genów, a wykorzystując płytki genowe do badania ekspresji informacji genetycznej, nie wiemy, które geny uległy mutacjom. Naukowcom szczególnie spodobałoby się jednoczesne sprawdzanie aktywności poszczególnych genów i wykrywanie uszkodzeń materiału genetycznego. Czy ktoś w przyszłości wymyśli metodę, która na to pozwoli? Zobaczymy...


Jeśli jesteś ciekawy, jak firmy biotechnologiczne wytwarzają płytki genowe, przeczytaj artykuł "Genetyczny mikroprocesor" (Wiedza i Życie 2/2000).

Interesują Cię płytki genowe? Zajrzyj na inne strony serwisu www.biologia.pl:
Mozaika genów raka
Molekularne oblicze białaczki

Bibliografia


Molecular classification of cancer: class discovery and class prediction by gene expression monitoring. T. Golub, D. Slonim, P. Tamayo, C. Huard, M. Gaasenbek, J. Mesirov, H. Coller, M. Loh, J. Downing, M. Caligiuri, C. Bloomfield, E. Lander. Science 286: 531-537 (1999).
Rebuilding the road to cancer. J. Weitzman, M. Yaniv. Nature 400: 401-402 (1999).
Creation of human tumour cells with defined genetic elements. W. Hahn, R. Weinberg et al. Nature 400: 464-468 (1999).
Distinct types of diffuse large B-cell lymphoma identified by gene expression profiling. A. Alizadeh et al. Nature 403: 503-511 (2000).
Gene expression in diagnosis. A. Berns. Nature 403: 491-492 (2000).
The application of genomics to the discovery of cancer causing genes. J. Trent. Nature Biotechnology Symposium "DNA, RNA and Cancer", Miami 2000.
Transcriptional gene expression profiling of colorectal tumors and cell lines: towards a molecular taxonomy of cancer. D. Notterman, U. Alon, A. Sierk, A. Levine. Nature Biotechnology Symposium "DNA, RNA and Cancer", Miami 2000.



















CZWARTEK13 września 2001



Sponsor serwisu:











Jak szukać?
 
Znajdź






Zobacz także:




Leksykon medyczny



Kurs histologii






Wiedza i Życie 





Świat Nauki 





dlaczego.pl 





gimnazjum.pl 





liceum.pl 






mapaPolski.pl 






pilot.pl 
















Serwis nominowany do 'Złotej witryny' konkursu Webfestival 2001.

standard HTML 4.0Copyright © 1996 - 2001Prószyński i S-ka SAemail: [e-mail]