Zmiany można zidentyfikować z niemal idealną precyzją za pomocą kompaktowych, przenośnych skanerów w ciągu kilku godzin.
Różne typy nowotworów mają wyraźne molekularne „odciski palców”, które można zidentyfikować we wczesnych stadiach choroby[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>accuracy. Small, portable scanners can detect these fingerprints within just a few hours, according to a study published today in Molecular Cell.
Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona made this breakthrough, paving the way for non-invasive diagnostic tests that could identify various types of cancer more quickly and at earlier stages than current methods allow.
The study centers around the ribosome, the protein factories of a cell. For decades, ribosomes were thought to have the same blueprint across the human body. However, researchers discovered a hidden layer of complexity – tiny chemical modifications which vary between different tissues, developmental stages, and diseases.
“Our ribosomes are not all the same. They are specialized in different tissues and carry unique signatures that reflect what’s happening inside our bodies,” says ICREA Research Professor Eva Novoa, lead author of the study and researcher at the CRG. “These subtle differences can tell us a lot about health and disease.”
Ribosomes are made of proteins and a special type of RNA molecule called ribosomal RNA (rRNA). rRNA molecules are the target of chemical modifications, affecting the ribosome’s function. “95% of human RNA is ribosomal RNA. They are very prevalent in our cells,” adds Dr. Novoa.
Identyfikacja odcisków palców specyficznych dla tkanki
Naukowcy szukali wszelkiego rodzaju modyfikacji chemicznych w ludzkim i mysim rRNA z wielu różnych tkanek, w tym mózgu, serca, wątroby i jąder. Odkryli, że każda tkanka ma unikalny wzór modyfikacji rRNA – który nazywają „odciskiem epitranskryptomicznym”.
„Odcisk palca na rybosomie mówi nam, skąd pochodzi komórka” – mówi dr Ivan Milenkovic, pierwszy autor badania. „To tak, jakby każda tkanka zostawiała swój adres na metce, na wypadek gdyby jej komórki trafiły do rzeczy znalezionych”.
Zespół odkrył różne zestawy odcisków palców w próbkach chorych tkanek od pacjentów chorych na raka, szczególnie w płucach i jądrach. „Komórki nowotworowe są „hipomodyfikowane”, co oznacza, że stale tracą niektóre z tych śladów chemicznych” – mówi dr Milenkovic. „Pomyśleliśmy, że może to być potężny biomarker” – dodaje.
W badaniu przyjrzano się bliżej rakowi płuc. Naukowcy uzyskali prawidłowe i chore tkanki od 20 pacjentów z rakiem płuc w stadium I lub II i potwierdzili, że rRNA z komórek nowotworowych jest hipomodyfikowane. Wykorzystali te dane do wyszkolenia algorytmu, który może klasyfikować próbki wyłącznie na podstawie danych pochodzących z tego unikalnego molekularnego odcisku palca.
Test osiągnął niemal idealną dokładność w odróżnianiu raka płuc od zdrowej tkanki. „Większość nowotworów płuc diagnozuje się dopiero w późnych stadiach rozwoju. Tutaj moglibyśmy wykryć go znacznie wcześniej niż zwykle, co pewnego dnia mogłoby pomóc pacjentom zyskać cenny czas” – mówi dr Milenkovic.
Przełom w technologii sekwencjonowania nanoporów
Badania były możliwe dzięki nowej technologii zwanej nanopore direct RNA Sequencing, która pozwala na bezpośrednią analizę cząsteczek rRNA wraz ze wszystkimi jego modyfikacjami. „Dzięki temu możemy zobaczyć modyfikacje takimi, jakie są, w ich naturalnym kontekście” – mówi dr Novoa.
Przed pojawieniem się sekwencjonowania nanoporów konwencjonalne techniki przetwarzały cząsteczki RNA w taki sposób, aby usunąć modyfikacje chemiczne, zanim badacze będą mogli je zbadać.
„Naukowcy zazwyczaj pozbywali się rybosomalnych RNA, ponieważ uważali je za zbędne informacje, które mogłyby przeszkodzić w naszych eksperymentach. Kilka lat później wyjęliśmy te dane ze śmietnika i zamieniliśmy je w kopalnię złota, zwłaszcza gdy przechwytywane są informacje o modyfikacjach chemicznych. To niesamowity zwrot” – mówi dr Novoa.
Zaletą sekwencjonowania nanoporów jest to, że opiera się ono na małych, przenośnych urządzeniach do sekwencjonowania, które mieszczą się w dłoni. Naukowcy mogą umieszczać próbki biologiczne w maszynie, która przechwytuje i skanuje cząsteczki RNA w czasie rzeczywistym.
W badaniu można było odróżnić komórki nowotworowe od normalnych po zeskanowaniu zaledwie 250 cząsteczek RNA uzyskanych z próbek tkanek. To ułamek możliwości typowego urządzenia do sekwencjonowania nanoporów. „Możliwe jest opracowanie szybkiego i bardzo dokładnego testu wykrywającego rybosomalny odcisk palca nowotworu przy użyciu minimalnej ilości tkanki” – mówi dr Novoa.
W stronę diagnostyki nieinwazyjnej
W dłuższej perspektywie naukowcy chcą stworzyć metodę diagnostyczną, która będzie w stanie wykryć odcisk palca nowotworu w krążącym RNA we krwi. Byłoby to mniej inwazyjne podejście, ponieważ wymagałoby jedynie pobrania próbki krwi, a nie pobrania próbek tkanek od pacjentów.
Autorzy badania ostrzegają, że potrzeba więcej pracy, zanim podejście to będzie można zastosować w celu uzyskania korzyści klinicznych. „Po prostu drapiemy powierzchnię” – mówi dr Milenkovic. „Potrzebujemy większych badań, aby zweryfikować te biomarkery w różnych populacjach i typach nowotworów”.
Jednym z najważniejszych pytań, które należy jeszcze zbadać, jest przede wszystkim to, dlaczego modyfikacje zmieniają się w przypadku raka. Jeśli modyfikacje rRNA pomagają komórkom wytwarzać białka, które promują niekontrolowany wzrost i przeżycie, badacze mogliby zidentyfikować mechanizmy odpowiedzialne za dodawanie lub usuwanie modyfikacji, co potencjalnie prowadziłoby do nowych sposobów odwracania szkodliwych zmian.
„Powoli, ale skutecznie odkrywamy tę złożoność” – mówi dr Novoa. „To tylko kwestia czasu, zanim zaczniemy rozumieć język komórki” – podsumowuje.
Odniesienie: „Epittranskryptomiczne odciski palców rRNA ujawniają sygnatury pochodzenia tkanki i specyficzne dla nowotworu” autorstwa Ivana Milenkovica, Soni Cruciani, Laia Llovera, Morghan C. Lucas, Rebeca Medina, Cornelius Pauli, Daniel Heid, Thomas Muley, Marc A. Schneider, Laura V. Klotz, Michael Allgäuer, Ruben Lattuca, Denis LJ Lafontaine, Carsten Müller-Tidow i Eva Maria Novoa, 10 grudnia 2024 r., Komórka Molekularna.
DOI: 10.1016/j.molcel.2024.11.014
