$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Selekcja linii komórkowych: Charakterystyka stanu genetycznego i niestabilności genomu
Niewątpliwie najważniejszym czynnikiem w pomyślnym odkryciu klinicznie istotnych mechanizmów oporności jest wstępna selekcja linii komórkowych. Należy wziąć pod uwagę dwa czynniki. Po pierwsze, należy dążyć do wybrania linii (linii) komórkowych tej samej linii/podtypu, które posiadają cechy genetyczne definiujące chorobę (np. BRAFV600E w czerniaku). Przesłuchanie publicznie dostępnych danych transkryptomicznych i mutacyjnych zarówno dla linii komórkowych30-32 , jak i guzów pierwotnych/przerzutowych dla różnych wskazań33,34 ułatwi proces selekcji. Chociaż identyfikacja linii komórkowych z klinicznie istotnymi zmianami genetycznymi jest idealna, w niektórych przypadkach może to nie być możliwe ze względu na brak dostępnych linii komórkowych lub wykonalne ze względu na takie czynniki, jak trudność i długość procesu przesiewowego.
W odniesieniu do wyżej wymienionego punktu, drugim czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas selekcji linii komórkowych, jest łatwość lub wykonalność badań przesiewowych oporności przy użyciu pożądanej linii. Na przykład czynniki takie jak proliferacja i tempo mutacji wewnętrznych mogą mieć ogromny wpływ na szybkość odkrywania. W tym celu można wykorzystać linie komórkowe o szybszej kinetyce wzrostu i niedoborze mechanizmów DNA MMR w nadziei, że pojawienie się spontanicznej oporności może zostaćprzyspieszone. Na podstawie bazy danych COSMIC stwierdzono, że istnieje kilka kandydujących linii komórkowych z niedoborem jednego z dwóch często zmutowanych genów MMR, MSH2 lub MLH1 (tabele 2 i 3). Alternatywnie, jeśli nie istnieją interesujące linie komórkowe z defektami MMR, w celu zwiększenia niestabilności genomu można zastosować ostre leczenie fizycznymi lub reaktywnymi z DNA mutagenami chemicznymi, takimi jak czynnik alkilujący N-etylo-N-nitrozomocznik (ENU). Chociaż oba podejścia mogą znacznie skrócić czas uzyskania odpornych klonów i sekwencjonowania uzupełniającego, należy przeprowadzić rygorystyczne testy funkcjonalne na genach kandydujących, ponieważ istnieje prawdopodobieństwo pojawienia się większej liczby niefunkcjonalnych mutacji pasażerskich. SNV mogą być uporządkowane według rangi, aby zmaksymalizować szanse na zidentyfikowanie funkcjonalnie istotnych mutacji. Po pierwsze, wybór tych mutacji, które są nawracające w niezależnych klonach, zwiększy prawdopodobieństwo, że te mutacje są czynnikami napędzającymi oporność. W przypadku, gdy nawracające mutacje nie zostaną zidentyfikowane, skupienie się na SNV, które pasują do mechanizmu działania leku (na przykład celu leku lub znanego efektora dalszego celu leku) może być znaczące. Ostatecznie złotym standardem jest zawsze eksperymentalna ocena aktywności nadającej oporność potencjalnych SNV poprzez ektopową ekspresję cDNA w wrażliwych na leki komórkach rodzicielskich.
Sekwencjonowanie DNA i RNA
Po wygenerowaniu odpornych klonów można sekwencjonować DNA i/lub RNA w zależności od potrzeb. Sekwencjonowanie DNA, zarówno egzomu, jak i całego genomu, umożliwi identyfikację wariantów germinalnych i somatycznych, takich jak SNP, indele i warianty liczby kopii. Podczas gdy bardziej kosztowne sekwencjonowanie egzomu koncentruje się na generowaniu odczytów ze znanych regionów kodujących, sekwencjonowanie całego genomu wygeneruje dane sekwencjonowania dla całego genomu, co może ułatwić identyfikację mutacji w elementach niekodujących, takich jak wzmacniacze lub miRNA36. Ponieważ jednak dane dotyczące ekspresji genów nie są mierzone podczas sekwencjonowania DNA, trudno jest przewidzieć, która mutacja (mutacje) może być funkcjonalnym czynnikiem. Pod tym względem sekwencjonowanie RNA, choć bardziej kosztowne, oferuje tę zaletę. Fakt, że wywoływanie mutacji jest wykonywane tylko na ekspresjowanych gatunkach RNA, zwiększa prawdopodobieństwo, że mutacja będąca przedmiotem zainteresowania może być funkcjonalnym motorem napędowym. Oprócz umożliwienia bardziej ukierunkowanego badania mutacji w celu przeprowadzenia dalszych testów funkcjonalnych, sekwencjonowanie RNA oferuje również dodatkową zaletę w postaci możliwości identyfikacji zmian ekspresji genów, alternatywnego splicingu i nowych chimerycznych gatunków RNA, w tym fuzji genów, które mogą również służyć jako silne czynniki napędzające oporność.
Rurociąg bioinformatyczny
Przykładowe polecenia służą do celów ilustracyjnych, ale bardziej szczegółowa dokumentacja i samouczki są dostępne w Broad Institute16 i należy je dokładnie przeczytać przed rozpoczęciem analizy NGS. Poniższe polecenia są przeznaczone dla środowiska powłoki systemu UNIX w systemie, w którym wszystkie narzędzia i dane referencyjne zostały wstępnie zainstalowane. Polecenia te zakładają również, że pliki FASTQ zawierające odczyty sekwencji sparowanych końców z dwóch próbek, o nazwach "parental" i "resistant", zostały odebrane od dostawcy i umieszczone w katalogu "data". W większości przypadków polecenia te powinny być dostosowane lub zoptymalizowane pod kątem konkretnej aplikacji za pomocą dodatkowych argumentów wiersza poleceń (np. dodanie "-t 8" do polecenia bwa umożliwia wielowątkową operację na 8 rdzeniach procesora). Grupy odczytu (które przypisują wyrównania do próbek biologicznych) muszą być często dodawane do plików BAM, nawet jeśli w każdym pliku BAM jest tylko jedna próbka, aby zachować zgodność z wymaganiami dotyczącymi formatu pliku dla niektórych narzędzi. Odczytywanie parametrów grupy RGID, RGSM, RGPL, RGPU i RGLB może być dowolnymi ciągami opisującymi nazwę próbki, platformę sekwencjonowania i strategię biblioteki.
Testy in vitro i in vivo
Chociaż potwierdzono, że kilka mechanizmów oporności zidentyfikowanych w drodze selekcji in vitro jest istotnych klinicznie, istnieje możliwość, że mechanizmy te mogą nie służyć jako istotne lub dominujące mechanizmy oporności klinicznej. Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy może być zasadnicza rola mikrośrodowiska w napędzaniu oporności na terapię, składnika, który jest pozbawiony w omówionym do tej pory protokole/konfiguracji eksperymentalnej. Rzeczywiście, kilka badań wykazało, że środki przeciwnowotworowe, które są zdolne do zabijania komórek nowotworowych, stają się nieskuteczne, gdy komórki nowotworowe są hodowane w obecności komórek zrębu, co sugeruje wrodzone mechanizmy oporności nadawane przez zrąb37,38. Aby zidentyfikować takie mechanizmy nabytej oporności wywołane przez zrąb, można rozważyć przeprowadzenie testów kohodowli in vitro lub in vivo oporności nowotworowej. Ponieważ pierwszy test jest dość złożony, wiele osób uciekło się do generowania lekoopornych ksenoprzeszczepów nowotworowych, aby zająć się potencjalną rolą zrębu w napędzaniu oporności. Takie badania ujawniły zarówno identyczne5 , jak i unikalne39 mechanizmy oporności w odniesieniu do selekcji in vitro , co sugeruje, że zrąb może rzeczywiście odgrywać rolę w tym ostatnim. Należy jednak pamiętać o tym, ile czasu może zająć wytworzenie takich opornych guzów oraz na złożoność dalszej analizy genomowej - złożoność wynikająca z wewnątrznowotworowej heterogeniczności molekularnej i komórkowej.
Identyfikacja celu
Oprócz odkrywania mechanizmów oporności na leki, to oparte na NGS podejście do profilowania genomowego może być również stosowane do identyfikacji celów komórkowych sond chemicznych. Historycznie rzecz biorąc, wiele bezstronnych metod stosowano w celu identyfikacji komórkowych mechanizmów działania i celów chemikaliów o niskiej masie cząsteczkowej o aktywności biologicznej, w tym oczyszczania powinowactwa w połączeniu z proteomiką ilościową, metodami genomu drożdży, badaniami przesiewowymi RNAi i podejściami do wnioskowania obliczeniowego40. Jako rozszerzenie wyjaśnienia mechanizmów oporności na leki za pomocą profilowania genomicznego lub transkryptomicznego populacji komórek fenotypowo opornych na NGS, identyfikacja unikalnych nawracających wariantów pojedynczego nukleotydu (SNV) lub zmian ekspresji, które umożliwiają oporność, może zapewnić wgląd w funkcjonalne cele komórkowe związków. Opiera się to na założeniu, że podzbiór obserwowanych mechanizmów oporności może obejmować nawracające mutacje w genach, które kodują bezpośrednie cele białkowe małej cząsteczki. Ostatnio kilka doniesień potwierdziło użyteczność tego podejścia, w szczególności poprzez połączenie z innymi podejściami, w tym profilowaniem wrażliwości linii komórek nowotworowych na dużą skalę, w celu ujawnienia celów komórkowych sond małocząsteczkowych9,10.