Pomimo znacznych postępów w leczeniu raka, oporność komórek nowotworowych na chemioterapię, zarówno wrodzona, jak i nabyta po długotrwałym narażeniu na lek, jest główną przyczyną niepowodzenia leczenia w szerokim zakresie białaczek i guzów litych1.
W celu nakreślenia mechanizmów leżących u podstaw oporności na leki, modele linii komórkowych in vitro są opracowywane poprzez stopniową selekcję komórek nowotworowych odpornych na chemioterapeutyki. Procedura ta naśladuje reżimy stosowane w warunkach klinicznych, a tym samym umożliwia dogłębne badanie odpowiednich mechanizmów oporności. Oporne komórki, które przeżyły leczenie, są następnie odróżniane od wrażliwych komórek rodzicielskich za pomocą testów żywotności komórek/cytotoksyczności2. Wykazano, że profile oporności komórek pierwotnych na leki in vitro są istotnie związane z odpowiedzią kliniczną na chemioterapię3.
Wysokoprzepustowe testy cytotoksyczności stanowią wygodną metodę określania wrażliwości leków in vitro. W tym przypadku żywotność komórek ocenia się na przykład za pomocą bromku 3-[4,5-dimetylotiazol-2-ylo]-2,5-difenylotetrazolowego - test MTT4, który opiera się na metabolicznej konwersji niektórych substratów (tj. soli tetrazoliowych) w kolorowe produkty, odzwierciedlając w ten sposób aktywność mitochondrialną komórek. Alternatywnie, zawartość białka komórkowego można określić ilościowo za pomocą testu sulforodaminy B (SRB)5. W tym przypadku liczba żywotnych komórek jest proporcjonalna do gęstości optycznej (OD) mierzonej przy odpowiedniej długości fali w spektrofotometrze, bez potrzeby stosowania rozległych i czasochłonnych procedur zliczania komórek. Zahamowanie wzrostu wywołane przez określony lek chemioterapeutyczny można obliczyć na podstawie OD studzienek, w których komórki potraktowano czynnikiem testowym, i porównać z OD nieleczonych komórek kontrolnych. Krzywą dawka-odpowiedź uzyskuje się przez wykreślenie stężeń leku w funkcji procentowej liczby żywotnych komórek w stosunku do komórek kontrolnych. Wreszcie, wrażliwość na lek można podać jako stężenie, które powoduje zahamowanie wzrostu komórek w 50% w porównaniu z komórkami nieleczonymi (IC50).
Mechanizmy leżące u podstaw oporności na leki obejmują wiele różnych nieprawidłowości, takich jak zmiany wpływające na ekspresję genów determinantów aktywności leku i metabolizmu komórkowego. Te zmiany molekularne, w tym mutacje, aberracje na poziomie transkrypcyjnym i potranskrypcyjnym, a także zaburzona regulacja epigenetyczna często wpływają na geny zaangażowane w metabolizm leków lub apoptozę6.
Alternatywny splicing pre-mRNA i jego zawiła regulacja zyskały ostatnio duże zainteresowanie jako nowy podmiot, który może decydować o lekooporności komórek rakowych7. Do 95% ludzkich genów jest naprzemiennie splecionych w normalnych komórkach za pomocą tego ściśle regulowanego procesu, który wytwarza wiele różnych izoform białek z tego samego genu. Alternatywny splicing jest często rozregulowany w raku, a niektóre nowotwory charakteryzują się zmienionym splicing rosnącej liczby genów zaangażowanych w metabolizm leków (tj. kinazy deoksycytydyny, syntetazy folilopoliglutaminianu lub białek oporności wielolekowej)6,8. Niestety, brakuje kompleksowej analizy profili splicingu komórek lekoopornych. Dlatego konieczne jest opracowanie metod o wysokiej przepustowości dla alternatywnej analizy spawów. Może to pomóc w opracowaniu skuteczniejszych podejść terapeutycznych.
W ciągu ostatniej dekady, szybki rozwój technologii sekwencjonowania nowej generacji (NGS) wzbogacił badania biomedyczne o nowe spojrzenie na molekularne mechanizmy rządzące regulacją ekspresji genomu i ich rolę w różnych procesach biologicznych9. Sekwencjonowanie RNA (sekwencjonowanie RNA) jest potężnym podzastosowaniem NGS w dziedzinie transkryptomiki. Umożliwia profilowanie całego genomu (zarówno jakościowo, jak i ilościowo) wzorców ekspresji tysięcy genów jednocześnie i dobrze nadaje się do charakteryzowania nowych kodujących mRNA, a także długich niekodujących RNA, miRNA, siRNA i innych małych klas RNA (np. snRNA i piRNA)10,11.
RNA-Seq ma wiele zalet w porównaniu z poprzednimi technologiami charakteryzacji transkryptomu (np. sekwencjonowanie Sangera i mikromacierze ekspresji). Nie jest oparty na istniejącej adnotacji genomu, ma rozdzielczość na poziomie pojedynczego nukleotydu i ma szerszy zakres dynamiki do szacowania poziomu ekspresji. Krótko mówiąc, podstawowy eksperymentalny przepływ pracy w eksperymentach sekwencyjnych RNA składa się z selekcji i fragmentacji transkryptu poliadenylowanego (mRNA), a następnie konwersji do cDNA, budowy biblioteki i wreszcie masowo równoległego sekwencjonowania głębokiego12,13. Ze względu na gwałtowny spadek kosztów sekwencjonowania w ciągu ostatnich kilku lat, sekwencjonowanie RNA stopniowo zastępuje inne technologie i podejmowane są znaczne wysiłki w celu ulepszenia protokołów przygotowania bibliotek. Na przykład, obecnie możliwe jest zachowanie informacji o nici transkryptów mRNA poprzez znakowanie drugiej nici cDNA trifosforanem deoksyurydyny (dUTP) i, przed amplifikacją PCR, trawienie oznaczonej nici glikosilazą uracylo-DNA (UDG). Proces ten zwiększa dokładność adnotacji genów i szacowania poziomów ekspresji14,15.
Analiza i interpretacja danych sekwencyjnych RNA wymaga skomplikowanych i potężnych pakietów oprogramowania obliczeniowego oraz przetwarzania w ramach procesów bioinformatycznych16,17. W pierwszej kolejności surowe odczyty poddawane są kontroli jakości poprzez usunięcie artefaktów technicznych i biologicznych oraz odrzucenie (przycięcie) sekwencji, które nie spełniają rygorystycznych wymagań jakościowych. Następnie odczyty dla każdej próbki są mapowane do genomu referencyjnego i indeksowane na poziomie genu, eksonu lub transkryptu, w celu określenia obfitości każdej kategorii. W zależności od zastosowania, udoskonalone dane są następnie obliczane za pomocą modeli statystycznych w celu identyfikacji ekspresji specyficznej dla alleli, alternatywnego splicingu, fuzji genów i polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP)12. Wreszcie, analiza różnicowa na wybranym poziomie (tj. ekspresji genów lub alternatywnego splicingu) może być wykorzystana do porównania próbek uzyskanych w różnych warunkach.
Różnicowa analiza splicingu opisuje różnice w użyciu miejsca spawania między dwiema próbkami. Dostępnych jest coraz więcej pakietów oprogramowania przeznaczonych do tego celu, opartych na różnych modelach statystycznych, wydajnościach i interfejsie użytkownika18. Wśród nich MATS (Multivariate Analysis of Transcript Splicing) jawi się jako ogólnodostępne i precyzyjne narzędzie obliczeniowe oparte na bayesowskiej strukturze statystycznej i przeznaczone do wykrywania różnicowych zdarzeń splicingu na podstawie danych sekwencyjnych RNA z pojedynczym lub sparowanym końcem. Począwszy od wyrównanych plików (.bam), MATS może wykrywać wszystkie główne typy alternatywnych zdarzeń splicingu (pomijanie eksonów, alternatywne miejsce splicingu 3', alternatywne miejsce splicingu 5', wzajemnie wykluczające się eksony i retencja intronów - patrz również rysunek 1).
Po pierwsze, oprogramowanie identyfikuje odczyty, które obsługują określone zdarzenie splicingu, na przykład pomijanie eksonów, i klasyfikuje je na dwa typy. "Inkluzja odczytuje" (dla kanonicznego zdarzenia splicingu) mapę w obrębie badanego eksonu i obejmuje połączenia między tym konkretnym eksonem a dwoma eksonami flankującymi w górę i w dół. "Odczyty z pominięciem" (dla alternatywnego zdarzenia splicingu) obejmują połączenie między dwoma eksonami flankującymi. Następnie funkcja MATS zwraca znormalizowany poziom inkluzji zarówno dla zdarzeń kanonicznych, jak i alternatywnych, a następnie porównuje wartości między próbkami lub warunkami. Ostatecznie oblicza wartość P i współczynnik fałszywych odkryć (FDR) przy założeniu, że różnica w stosunku wariantów genu między dwoma warunkami przekracza dany próg zdefiniowany przez użytkownika dla każdego zdarzenia splicingu19,34.
Po różnicowej analizie splicingu w połączeniu z sekwencją RNA, uzasadniona jest obszerna walidacja eksperymentalna w celu zidentyfikowania prawdziwie pozytywnych kandydatów na geny18. Ilościowa reakcja łańcuchowa polimerazy z odwróconą transkrypcją (qRT-PCR) jest najczęściej stosowaną i optymalną metodą walidacji kandydatów uzyskanych z analizy RNA-Seq20. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie solidnej metodologii badania profili splicingu związanych z lekoopornością w guzach litych i nowotworach hematologicznych. Nasze podejście wykorzystuje profilowanie transkryptomu oparte na sekwencjonowaniu RNA wybranych modeli linii komórkowych nowotworów lekoopornych w połączeniu z uznaną metodą qRT-PCR do walidacji genów kandydujących związanych z opornością na leki.
Modele linii komórkowych ludzkiej białaczki użyte w tym badaniu obejmowały pediatryczną linię komórkową ostrej białaczki limfoblastycznej (T-ALL) z komórek T (CCRF-CEM (CEM-WT), jej dwa subklony odporne na glikokortykosteroidy (GC) CEM-C7H2-R5C3 (CEM-C3) i CEM-C7R5 (CEM-R5)21,22 oraz podlinię CEM/R30dm23 oporną na metotreksat (MTX). Chociaż obecne terapie oparte na GC i MTX przynoszą korzyści kliniczne w około 90% przypadków, pojawienie się oporności na GK nadal stanowi nierozwiązany problem o niejasnym mechanizmie molekularnym. Aby wyizolować subklony odporne na GC, komórki CEM-WT hodowano w 1 μM deksametazonie (Dex) przez 2 do 3 tygodni. Odporna na MTX podlinia CEM/R30dm została opracowana poprzez wielokrotną krótkotrwałą (24 godziny) ekspozycję komórek CEM-WT na 30 μM MTX jako naśladownictwo protokołów klinicznych. Co ciekawe, ta linia komórkowa wykazywała również oporność krzyżową na Dex (niepublikowane wyniki), dla której mechanizm nie jest w pełni poznany.
Model guza litego badany w niniejszym badaniu to gruczolakorak przewodowy trzustki, znany ze swojej niezwykłej oporności na chemioterapię. W tym celu wybraliśmy linię komórkową Panc-1 i jej oporny na gemcytabinę subklon Panc-1R uzyskany w wyniku ciągłej inkubacji z 1 μM leku24. W tym miejscu opisujemy podejście do odkrywania nowych mechanizmów leżących u podstaw oporności na leki in vitro poprzez połączenie trzech protokołów: kolorymetrycznych testów cytotoksyczności w celu oceny wrażliwości leku w komórkach białaczkowych i komórkach rakowych z guzów litych, rurociągu opartego na sekwencjonowaniu RNA w celu identyfikacji nowych wariantów splicingu związanych z wrażliwością/opornością na leki oraz analizy RT-PCR i qRT-PCR w celu walidacji potencjalnych kandydatów.