Атлас ракового генома

Атлас ракового генома (англ. The Cancer Genome Atlas, TCGA) или АРГ — проект, целью которого является систематизация данных о генетических мутациях, приводящих к возникновению рака. Систематизация проводится с помощью секвенирования и методов биоинформатики. Данный проект — совместная работа Национального Института Рака и Института Исследований Генома Человека, США.

Чтобы полноценно исследовать каждый вариант ракового заболевания, соответствующий образец проходил широкомасштабное исследование с применением методов секвенирования и биоинформатики: количественный анализ экспрессии генов и числа вариаций копий генов, генотипирование однонуклеотидных полиморфизмов, полногеномный анализ паттернов метилирования ДНК, секвенирование экзонов. Полученные данные находятся в открытом доступе, любой исследователь может с ними ознакомиться и использовать в своих работах.

Проект АРГ показал, что активное и масштабное сотрудничество исследователей из разных институтов может быть плодотворным, а данные, полученные в результате работы, могут использоваться учёными по всему миру.

История

АРГ стартовал в 2005 году как пробный проект, рассчитанный на 3 года. На финансирование стартовой версии АРГ было выделено почти 100 миллионов долларов. На начальном этапе учёные провели характеристику мультиформной глиобластомы, рака легкого и рака яичников, так как эти заболевания являются причинами многих смертей в США каждый год.

Первый этап работы был пройден успешно, поэтому была поставлена цель охарактеризовать 20-25 типов рака к 2014 году. Систематизация генетических мутаций обеспечивалась двумя типами центров: стадия секвенирования — центрами описания геномов, а биоинформатический анализ данных — центрами по анализу геномных данных.

В сентябре 2013 года проектом АРГ было собрано достаточно образцов опухолевых тканей для характеристики более 30-ти типов рака. К 2017 году было детально изучено 33 вида злокачественных опухолей, включая 10 редких типов.

АРГ подходит к своему завершению в 2017 году, однако, все данные, полученные АРГ, останутся в свободном доступе. Пример успеха данного проекта доказывает целесообразность совместной работы нескольких организаций при работе в сфере раковой геномики и поможет в будущих исследованиях в данной области.

Принципы и этапы работы

Получение и обработка тканей

У пациентов с диагностированным раком с их разрешения берут часть раковой и нормальной ткани (как правило, кровь). Ткани и жидкости, используемые для анализа, называются образцом или биоматериалом.

Образцы тканей пациентов, которые будут использоваться для геномных исследований, должны пройти строгий контроль качества, чтобы их генетический материал (ДНК и РНК) мог быть использован в сложном генетическом анализе с применением технологий секвенирования нового поколения. Проверкой, обработкой и подготовкой тканей к дальнейшим анализам, а также непосредственно выделением ДНК и РНК занимаются лаборатории по анализу образцов при АРГ (Biospecimen Core Resources). Вся информация о пациентах является конфиденциальной. К образцам предъявляются строгие критерии качества, например, содержание раковых клеток в биоматериале должно быть не менее 60 %. Ранее этот критерий был равен 80 %, но его удалось понизить с началом использования секвенирования нового поколения.

Исследования и открытия

Для каждого типа рака анализируются опухолевые и нормальные ткани сотен пациентов. Большое количество образцов нужно для статистической значимости определения полного геномного профиля соответствующего заболевания. Составление геномного профиля необходимо для выявления тех изменений, которые приводят к развитию опухоли. В данной работе задействованы центры описания геномов, центры высокопроизводительного секвенирования, а также центры по анализу геномных данных. Первые анализируют множество генетических изменений (например, такие, как число вариаций копий генов), которые потенциально вовлечены в развитии опухоли, а также изменения в уровнях экспрессии генов в раковых тканях по сравнению с нормальными клетками организма, которые выступают в качестве контроля. Затем центры высокопроизводительного секвенирования определяют изменения в ДНК, ассоциированные с определенным типом рака. Достигается это с помощью секвенирования экзомов, 10 % тканей проходит полногеномное секвенирование с целью выявления изменений, не затрагивающих экзоны, но потенциально влияющих на раковую трансформацию. В результате получается огромное количество информации, которое обрабатывают центры по анализу геномных данных. Эти же центры предоставляют различные инструменты для визуализации и анализа данных в АРГ, чтобы содействовать их более широкому использованию среди учёных по всему миру.

Обмен данными

Вся информация, полученная в ходе работы исследователей, хранилась координирующим центром АРГ (англ. TCGA Data Coordinating Center) и поступала в открытые базы данных. Исследователи искали, скачивали и анализировали данные АРГ с помощью соответствующего портала (TCGA Data Portal), в котором содержались геномные профили соответствующих типов рака. В связи с окончанием контракта АРГ с Координирующим центром (DCC), 15 июля 2016 года портал данных АРГ был закрыт. Сейчас данные по проекту АРГ находятся в свободном доступе на портале Genomics Data Commons.

Члены сообщества исследователей АРГ

• Лаборатория по анализу образцов (Biospecimen Core Resource, BCR)  — занимается классификацией, обработкой, проверкой образцов на качество, хранением всей важной медицинской информации о пациенте.
• Центры определения генов (Genome Characterization Centers, GCCs)  — используют современные технологии для анализа геномных изменений, вовлеченных в развитие опухоли (например, хромосомные перестройки). Центры определения генов обеспечивают сообщество исследователей рака информацией об изменениях уровня экспрессии генов, количества микроРНК, присутствии однонуклеотидных полиморфизмов и изменении количества копий генов в клетках опухоли по сравнению со здоровыми клетками.
• Центры высокопроизводительного секвенирования (Genome Sequencing Centers, GSCs) — занимаются непосредственным определением изменений в последовательностях ДНК, которые ассоциированы с определенным типом рака. Для каждого случая заболевания раком производят секвенирование ДНК клеток опухоли и клеток здоровой ткани.
• Центры анализа протеома (Proteome Characterization Centers, PCCs) — занимаются установлением и анализом общего белкового состава образцов АРГ.
• Координирующий центр АРГ (Data Coordinating Center, DCC) — собирает, хранит и распространяет всю информацию, получаемую в ходе работы остальных центров, входящих в состав АРГ, а также делает эту информацию доступной на портале данных АРГ и перенаправляет информацию в центр раковой геномики.
• Центр раковой геномики (Cancer Genomics Hub, CGHub) — в этой базе данных хранятся последовательности раковых геномов и выравнивания последовательностей ДНК из опухолевых и нормальных тканей.
• Центры анализа геномных данных (Genome Data Analysis Centers, GDACs) — предоставляют возможность для использования данных АРГ, занимаются обработкой информации, поступающей с центров секвенирования и описания геномов.
• Группы АРГ, занимающиеся анализом данных (TCGA Analysis Working Groups, AWGs) — состоят из экспертов в разных областях науки и медицины (онкология, медицинская патология, биоинформатика, системная биология). Совместная работа данных групп учёных направлена на анализ различных типов рака на основе данных, полученных АРГ и на публикации результатов.

Примеры некоторых исследований АРГ

Глиобластома

В 2008 году команда исследователей АРГ сообщила о некоторых результатах в изучении опухоли мозга, глиобластомы; они открыли новые генетические мутации в ДНК, которые можно использовать для диагностики и лечения. Учёные достигли такого результата благодаря масштабному исследованию геномов, выделенных из опухолевых тканей 206 пациентов с диагностированной глиобластомой. Данные включают в себя информацию о точечных мутациях, хромосомных перестройках (например, вариации числа копий генов), уровнях экспрессии генов, об эпигеномике. Сотрудники АРГ отсеквенировали 601 ген из образцов опухолевых тканей и сравнили эти результаты с контрольными образцами. Им удалось выявить значимые и статистически достоверные мутации, которые отличают клетки глиобластомы от нормальных, и которые ранее не были охарактеризованы. Исследователи смогли определить четыре подтипа глиобластомы, которые отличаются друг от друга по своим геномным характеристикам, уровню выживаемости, возрасту пациентов и их реакции на лечение. Данные подтипы были названы проневральной, невральной, классической и мезенхимальной глиобластомой. Ранжирование пациентов важно для развития индивидуальной терапии, что может привести к повышению эффективности медицинского вмешательства.

Рак яичников

Рак яичников занимает пятое место среди причин женской смертности в США. Из-за нехватки эффективных методов лечения женщины с таким диагнозом имеют довольно негативные прогнозы: только 31 % всех пациенток живёт дольше пяти лет с момента диагностирования заболевания. Ввиду крайней актуальности исследований в области данного вида рака, учёные АРГ решили охарактеризовать его одним из первых и предложить потенциальные новые мишени для терапии. Исследователям удалось найти сотни генов в опухолевых тканях, которые были делетированы, либо дуплицированы. Среди этих генов есть 68 дуплицированных, для продуктов которых уже известны соответствующие ингибиторы. Это открытие дает стартовую точку в поиске новых лекарств для терапии рака яичников. Исследователи выяснили, что в зависимости от того, какие гены чрезмерно экспрессируются в опухолевых клетках яичника, можно предсказать продолжительность жизни пациента. Были определены 108 и 85 генов, которые ассоциированы с хорошей и плохой выживаемостью соответственно. Люди, у которых повышена экспрессия соответствующих 108 генов, живут на 23 % дольше, чем те, у кого чрезмерно экспрессируются другие 85 генов. По сравнению с раком яичника, глиобластома имеет принципиально другой геномный паттерн: она больше характеризуется генетическими мутациями, как правило, в одних и тех же генах, а вариация числа копий генов, в отличие от рака яичника, представлена куда в меньшей степени. Это позволяет сделать предположение, что разные типы рака отличаются между собой именно характером изменений в ДНК. Если эта теория верна, то можно планировать изучения отдельных геномных профилей для каждого ракового заболевания.

Финансирование

Тестовую версию проекта АРГ на три года профинансировали Национальный Институт Рака (NCI) и Институт Исследований Генома Человека (NHGRI), предоставив по 50 миллионов долларов. После этого NCI направлял по 25 миллионов долларов в год на поддержание второй фазы АРГ на протяжении пяти лет, а NHGRI — по 25 миллионов долларов в год на протяжении двух лет. В 2009 году был заключен акт (American Recovery and Reinvestment Act, ARRA), обеспечивающий АРГ дополнительное финансирование в сумме 175 миллионов долларов. После подписания этого документа началась вторая фаза существования АРГ. Совет директоров NCI предоставил ещё 25 миллионов долларов в первый год после ARRA, направленных на анализ последовательностей, и ещё 25 миллионов долларов во второй год второй фазы АРГ. В общей сложности, на секвенирование образцов было выделено 150 миллионов долларов, а также 70 миллионов было направлено на сбор образцов, контроль их качества и выделение ДНК и РНК.

Результаты работы АРГ

АРГ включает в себя образцы от более чем 11 000 пациентов для 33 типов рака, и на сегодняшний день это самая большая коллекция опухолей. Данные образцы анализируются на наличие ключевых геномных и молекулярных особенностей. Сбор образцов АРГ закончился в 2013 году и по состоянию на апрель 2017 года ученые АРГ уже окончательно закончили секвенирование экзомов для всех типов опухолей и полногеномное секвенирование для более чем 1000 образцов раковых тканей. Более чем 2700 научных статей ссылаются на работы АРГ, доказывая огромную роль данного проекта в развитии представлений о раковых заболеваниях. Все данные АРГ доступны и могут быть использованы для публикаций без ограничений.