Эволюция интеллекта человека сделала его доминирующим видом на планете. Не в аспекте численности популяции, но скорее в аспекте глобального влияния на развитие окружающей среды, ее обитателей и собственного вида. Однако наличие развитого мозга еще не означает умение справляться с любимы сложностями. Потому на протяжение тысячелетий некоторые, казалось бы, менее интеллектуально развитые животные стали нашими спутниками, помощниками и друзьями. Одними из них являются коты. Будучи отличными охотниками, они помогали нам бороться с вредителями. Развитие науки и технологий позволило людям создать альтернативу котам, что позволило им переквалифицироваться из практично полезных партнеров в домашних любимцев, которых грех не баловать вкусняшками и бесконечным потоком новых игрушек. К сожалению, коты, как и многие другие животные, подвержены онкологическим заболеваниям. Проблема также и в том, что изучению кошачьей онкологии мало кто уделял должное внимание. Потому ученые из Гуэлфского университета (Гуэлф, Онтарио, Канада) провели больше генетическое исследование океанологических заболеваний у кошек. Как ни странно, результаты данного труда имеют большое значение не только для котов, но и для человека. Какие именно аспекты изучались, и что было выявлено? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Новообразования являются основной причиной заболеваемости и смертности среди домашних животных, в частности кошек и собак, а их опухоли демонстрируют выраженное клинико-патологическое сходство с опухолями человека. Важно отметить, что изучение опухолей у домашних животных дает ряд существенных преимуществ по сравнению с использованием моделей на грызунах: домашние животные живут в тех же условиях окружающей среды, что и их владельцы, и у них развиваются схожие сопутствующие заболевания неонкологической природы, такие как сахарный диабет и сердечно-сосудистые патологии. Кроме того, что особенно важно, опухоли у них возникают спонтанно в естественной, генетически и фенотипически гетерогенной популяции. Таким образом, сравнительные исследования с участием разных видов играют ключевую роль в развитии прецизионной медицины, способствуя повышению выживаемости как людей, так и их питомцев. Это согласуется с концепцией «Единая медицина» (One Medicine), предполагающей двусторонний обмен данными и знаниями между медициной и ветеринарией на благо здоровья как людей, так и животных.
За последнее десятилетие объем исследований, посвященных молекулярной характеристике опухолей у собак, вырос в геометрической прогрессии, а в поиск молекулярных биомаркеров были вложены значительные средства. Кроме того, имеются предварительные данные о том, что молекулярный анализ опухолей с использованием таргетных панелей для высокопроизводительного секвенирования (NGS от next-generation sequencing) может способствовать оптимизации ведения онкологических пациентов-собак, предоставляя информацию о прогнозе и/или возможных вариантах терапии. При этом ожидается, что этот процесс пойдет по тому же пути, по которому развивалась онкология человека благодаря внедрению методов геномики. В то же время исследований методом NGS, посвященных новообразованиям у кошек, опубликовано крайне мало. Все они характеризуются небольшим размером выборки и охватывают лишь отдельные типы опухолей. Таким образом, изучение онкогенома кошек могло бы способствовать разработке диагностических и прогностических биомаркеров и таргетных методов лечения, а также выявлению препаратов, пригодных для перепрофилирования в ветеринарной практике. В конечном счете это может улучшить качество ведения онкологических пациентов-кошек, а в контексте сравнительной онкологии — принести пользу и пациентам-людям.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые провели таргетное секвенирование 493 пар образцов «опухоль — нормальная ткань» кошек, представляющих 13 типов новообразований. При этом ученые оценили мутационный статус кошачьих ортологов примерно 1000 генов, ассоциированных с раком у человека, и сопоставили полученные результаты с данными по человеку. Это исследование позволяет лучше понять особенности онкогенома домашней кошки. Кроме того, ученые выявили значительное сходство с онкогеномом человека и обнаружили ряд мутаций, которые могут служить мишенями для терапевтического воздействия.
Результаты исследования
Характеристика выборки для исследования общевидового (пан-онкологического) мутационного ландшафта опухолей у кошек
Ученые отобрали типы опухолей, соответствующие принятым в медицине человека широким гистопатологическим классификациям и охватывающие как доброкачественные, так и высокоагрессивные злокачественные новообразования, а также как распространенные, так и редкие их виды. Включение в исследование редких опухолей было намеренным: если межвидовое сравнение выявит значительное генетическое сходство с хорошо изученными аналогами у человека, это может открыть новые возможности для терапии заболевших кошек.
Исследуемая группа включала первичные опухоли 13 гистологически определенных типов: базальноклеточная карцинома (BCC, n=40 случаев), холангиокарцинома (CCA; внутрипеченочная, n=30), колоректальная аденокарцинома (CRC, n=34), кожная тучноклеточная опухоль (cMCT, n=41), кожная плоскоклеточная карцинома (cSCC, n=62), глиома (GLIO, n=7), аденокарцинома легкого (LUCA, n=57), лимфома (LYM, n=51), карцинома молочной железы (MAM, n=47), менингиома (MEN, n=28), остеосаркома (OSA, n=25), плоскоклеточная карцинома ротовой полости (oSCC, n=42) и аденокарцинома поджелудочной железы (PANC, n=29) (1A). Некоторые когорты могли быть разделены по фенотипу или локализации, в частности LYM (Т- или В-клеточные), MAM (ER+ или ER-) и OSA (локализация в конечностях или осевом скелете).
Изображение №1
В исследуемой выборке преобладали самки (56% против 42%; 1A), что было обусловлено, прежде всего, тем, что когорта MAM состояла исключительно из самок. Опухоли чаще встречались у кошек старшего возраста (медиана возраста — 11 лет, диапазон: 0.7–21 год; 1A), что согласуется с данными онкологических реестров, указывающих средний возраст выявления опухолей в интервале 8–11 лет (в зависимости от страны). Самой распространенной породой была беспородная короткошерстная кошка (DSH — общее обозначение беспородных кошек с короткой шерстью; 73.1%); за ней следовали беспородные длинношерстные кошки (DLH; 10.4%), сиамские кошки (2.2%) и мейн-куны (1.8%), а категория «Прочие» включала 24 различные породы (от 1 до 10 кошек каждой породы; 1A).
Соматический мутационный ландшафт различных типов рака
Для исследования генов, связанных с раком, которые могут быть изменены в опухолях кошек, ученые составили список из 1039 генов человека, связанных с раком, и идентифицировали их кошачьи ортологи. В конечном итоге в целевую панель было включено 978 кошачьих генов. Образцы тканей были получены из исходных диагностических блоков, фиксированных формалином и заключенных в парафин (FFPE от formalin-fixed, paraffin-embedded), диагноз был независимо подтвержден сертифицированным ветеринарным патологоанатомом, который затем отобрал опухолевые и нормальные участки для отбора проб. Геномная ДНК, выделенная из 493 пар опухолевая-нормальная ткань, была гибридизирована с целевой панелью, а полученная ДНК впоследствии была проанализирована методом NGS. Чтобы получить общее представление о соматическом мутационном ландшафте кошек, ученые сначала определили соматические мутации в каждой опухоли, включая соматические однонуклеотидные варианты (SNV от single nucleotide variant), многонуклеотидные варианты и вставки/делеции, относительно эталонной сборки FelCat9. Ученые также предоставили местоположение вариантов относительно эталонной сборки Fca126.
Мутационная нагрузка варьировалась в зависимости от типа опухоли, составляя в среднем (медиана) от ~0.5 до ~20 мутаций на мегабазу (1B). Анализ мутационных сигнатур выявил наличие сигнатуры SBS7 (по классификации COSMIC) в 34 из 62 (52%) образцов кожной плоскоклеточной карциномы (cSCC). Предполагаемой причиной возникновения сигнатуры SBS7 является воздействие ультрафиолетового излучения. Данная сигнатура преимущественно встречается при ассоциированных с УФ-излучением видах рака кожи у человека.
В ходе исследования ученые выявили 31 ген-драйвер (1C). Пять генов — TP53, CTNNB1, PTEN, TRAF3 и FBXW7 — выступали в роли драйверов при различных типах опухолей, тогда как большинство других были специфичны для конкретного типа новообразований (например, KIT для cMCT, а PIK3CA — для MAM). Чтобы оценить полноту данного подхода, основанного на таргетном секвенировании для идентификации генов-драйверов, ученые провели полноэкзомное секвенирование (WES от whole-exome sequencing) свежих образцов MAM у кошек (n=18) и обнаружили гены-драйверы FBXW7 и PIK3CA, что согласуется с результатами таргетного секвенирования когорты MAM. В общей когорте новообразований различных типов ген TP53 характеризовался наибольшей частотой мутаций (1D). Также было выявлено 14 «горячих точек» мутаций в 10 генах. Наиболее часто встречающейся мутацией была PIK3CA p.H1047R, обнаруженная в 19 из 493 (4%) опухолей, причем чаще всего она наблюдалась при MAM (30% случаев в данной подгруппе). Для исключения вероятности того, что выявленные повторяющиеся мутации являются артефактами, соматические мутации в «горячих точках» (в когортах MAM и cMCT) были независимо подтверждены методом капиллярного секвенирования.
Изображение №2
Поскольку соматические изменения числа копий (CNA от copy number alterations) являются движущим фактором развития многих типов опухолей у человека, было важно охарактеризовать ландшафт CNA в опухолях кошек. В среднем наибольшее количество CNA наблюдалось в MAM (средняя доля измененного генома: 16.94%; диапазон: 0.00–66.72%), а наименьшее — в CRC (среднее значение: 0.59%; диапазон: 0.00–9.88%) (2A). Были выявлены повторяющиеся случаи увеличения или уменьшения числа копий целых хромосом: так, в одиннадцати типах опухолей наблюдалось увеличение числа копий хромосом F1 или F2, а в девяти — потеря хромосомы X. При анализе как обширных (от ≥10 Мб до целой хромосомы), так и фокальных (<10 Мб) CNA во всех типах опухолей кошек было установлено, что увеличение числа копий стабильно наблюдается в хромосомах A3, B4, F1 и F2. Наиболее часто затрагиваемым увеличением числа копий геномным локусом был ген MYC (20% всех опухолей). Этот эффект был особенно выражен при Т-клеточной лимфоме (57% случаев). Потеря числа копий в начальном участке хромосомы D2 наблюдалась во всех типах опухолей, за исключением CRC. Наиболее часто затрагиваемыми потерей числа копий генами были PTEN, FAS (~20% всех опухолей) и CDKN2A (15% всех опухолей). При одновременном анализе CNA и соматических мутаций в каждом образце была выявлена обратная зависимость, особенно характерная для опухолей с высокой степенью геномных изменений (2B): такие опухоли демонстрировали либо многочисленные CNA, либо большое количество мутаций, но редко и то, и другое одновременно, что согласуется с концепцией «гиперболы ракового генома», описанной для опухолей человека. Образцы с наибольшим количеством повторяющихся мутаций преобладали в когорте cSCC, тогда как образцы с наибольшим числом CNA относились к различным типам опухолей.
Далее ученые проанализировали ландшафт соматических мутаций у кошек с учетом типа опухоли, чтобы определить генетический профиль каждого типа новообразований, что может помочь прояснить особенности их биологического поведения.
Наличие папилломавируса в cSCC и BCC
Некоторые виды злокачественных новообразований у кошек связаны с вирусной инфекцией. В частности, хорошо изучен онкогенный потенциал вируса лейкоза кошек (FeLV от feline leukemia virus), вируса иммунодефицита кошек (FIV от feline immunodeficiency virus) и папилломавируса (PV от papillomavirus). В связи с этим, для проверки гипотезы о возможной вирусной этиологии опухолей в рамках данного исследования ученые проанализировали риды, полученные в ходе секвенирования (за исключением целевых последовательностей), на предмет наличия ДНК вирусов (при этом риды, относящиеся к FIV или FeLV, отсеивались). Данный подход позволил выявить убедительные свидетельства присутствия папилломавирусов двух различных родов — Dyothetapapillomavirus (DyoPV) и Taupapillomavirus (TauPV) — в образцах cSCC и BCC, тогда как последовательности TauPV были обнаружены лишь в одном образце oSCC.
Варианты, определяющие наследственную предрасположенность
Секвенирование парных образцов нормальной ткани для каждой опухоли позволило выявить предполагаемые патогенные герминальные варианты, которые могли обусловить предрасположенность этих кошек к развитию рака. Ученые рассматривали варианты, приводящие к потере функции, а также известные гены, связанные с предрасположенностью к раку у человека. В результате такого подхода были выявлены варианты в 14 генах. Из 493 кошек, включенных в исследование, у 20 был обнаружен как минимум один предполагаемый герминальный вариант, предрасполагающий к раку. При этом лишь у одной кошки было выявлено более одного такого варианта. Медиана возраста на момент постановки диагноза у этих 20 кошек составила 11 ± 3.7 года. Этот показатель не имел статистически значимых отличий от аналогичного показателя у кошек, не имевших ни одного из указанных вариантов. CHEK2 оказался единственным геном, в котором повторяющиеся варианты были обнаружены более чем в двух образцах. Один из вариантов гена CHEK2 (c.546C>A; p.Y182*), выявленный у 4 кошек, локализовался в участке, ортологичном участку генома человека, который в базе данных ClinVar аннотирован как патогенный аллель. Аналогичным образом, другие ортологичные варианты в генах CHEK2 и BRIP1 (по одному случаю для каждого гена) также отмечены в базе данных ClinVar как патогенные.
Межвидовое сравнение с мутациями, выявленными при раке у человека
Изображение №3
Сначала ученые сравнили частоту мутаций в генах-драйверах кошек с данными по опухолям аналогичных типов у человека. Рассматривались только те гены, которые были проанализированы в обоих наборах данных (3A). В ряде случаев наблюдалось сходство частоты мутаций в определенных типах опухолей у обоих видов (например, для гена PIK3CA при MAM, а также для TP53 при OSA, oSCC и MAM). И наоборот, в некоторых случаях частота мутаций существенно различалась (например, для генов APC при CRC, CTNNB1 при PANC и FBXW7 при MAM).
Далее ученые сравнили частоту и локализацию мутаций в пяти ключевых генах-драйверах, выявленных в данном исследовании, с аналогичными показателями при раке у человека, выполнив «гуманизацию» кошачьих мутаций. Общие для обоих видов рекуррентные мутации были обнаружены в генах TP53 (преимущественно в ДНК-связывающем домене), FBXW7 (в WD40-повторах) и CTNNB1 (в N-концевой области, аминокислоты 32–37 — участке, критически важном для стабилизации белка) (3B). Однако, если мутация p.H1047R/L в каталитическом домене гена PIK3CA встречалась с высокой частотой у обоих видов, то мутация p.E545K во вспомогательном домене наблюдалась при раке у человека значительно чаще, чем при опухолях у кошек. Кроме того, мутация p.D816V в гене KIT была выявлена только при раке у человека. По мере секвенирования других типов опухолей у кошек могут быть обнаружены дополнительные общие рекуррентные мутации.
Возможность практического применения мутаций генов-драйверов у кошек
Далее ученые попытались использовать полученный ими каталог мутаций генов-драйверов у кошек на благо кошек, используя базы данных, касающиеся доступности и возможности применения лекарственных препаратов у человека. Хотя эти знания отсутствуют для белков кошек, потенциальные методы лечения могут быть выявлены для белков с высокой степенью гомологии с человеческим аналогом. Это рассуждение подтверждается данными, полученными от собак с опухолями, имеющими специфические геномные изменения, которые демонстрируют улучшение результатов лечения при применении препаратов, нацеленных на человека, а также данными о биологической активности одобренного для собак ингибитора тирозин-киназы (TKI от tyrosine kinase inhibitor) тоцераниба у кошек с МСТ с мутациями KIT.
Изображение №4
Сначала ученые провели поиск по базе данных, содержащей прогнозы «лекарственной мишенепригодности» (druggability) белков, и обнаружили, что 6 из 31 (19%) драйверных генов кодируют белки, для которых уже существуют одобренные лекарственные препараты (категория «Tclin»); при этом мутации в данных драйверных генах были выявлены в 102 из 493 (21%) опухолей (4A). Затем ученые обратились к базе данных валидированных мишеней для реализации синтетической летальности (SL от synthetic lethal) при раке и установили, что 5 из 31 драйверного гена имеют SL-партнеров, поддающихся терапевтическому воздействию. Мутации в этих генах присутствовали в 181 из 493 (37%) опухолей (4B).
Наконец, ученые выполнили поиск по базе данных OncoKB, содержащей информацию о терапевтически значимых (actionable) мутациях, используя «гуманизированные» варианты мутаций, выявленных у кошек, в соответствующих драйверных генах (учитывались только однонуклеотидные варианты). Было установлено, что в 67 из 493 (14%) опухолей присутствовала онкогенная или вероятно онкогенная мутация хотя бы в одном из драйверных генов, имеющих терапевтическое значение (а именно: PIK3CA, MAP2K1, KIT, FBXW7, FGFR2, PTEN и NF1; 4C). В качестве дополнительного подтверждения концепции ученые использовали полученные от пациентов трехмерные опухолевые органоиды (тумороиды) карциномы молочной железы (MAM) кошек, чтобы выяснить, создают ли мутации в гене FBXW7 генотип-специфическую уязвимость. После проведения полноэкзомного секвенирования органоидов были отобраны шесть клеточных линий: три с диким типом гена FBXW7 и три с мутантным вариантом FBXW7. Линии с мутацией FBXW7 демонстрировали значительно более высокую чувствительность к алкалоидам барвинка — винкристину и винорелбину (4D), что согласуется с результатами предыдущего исследования in vitro на клетках человека линии HAP1. Полученные данные указывают на целесообразность дальнейшего изучения этого вопроса на более крупных выборках.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели масштабное исследование онкологии у кошек. В ходе исследования они провели генетический анализ опухолей почти 500 домашних кошек из пяти стран, изучив их в масштабе, которого ранее не удавалось достичь. Полученные результаты могут способствовать улучшению лечения онкологических заболеваний у кошек, а также помочь лучше понять механизмы развития некоторых видов рака у человека и других животных.
Рак является одной из основных причин заболеваний и смерти у кошек, однако до сих пор ученым было известно значительно меньше о генетических изменениях, лежащих в основе опухолей у этих животных, чем об аналогичных изменениях при раке у человека или собак.
Многие виды рака связаны с изменениями определенных генов, которые в норме регулируют рост и деление клеток, восстановление повреждений или их гибель. При нарушении работы таких генов клетки могут начать бесконтрольно размножаться. Гены, непосредственно способствующие росту опухоли, называют генами-драйверами рака. Исследование показало, что многие гены-драйверы, участвующие в развитии рака у кошек, также встречаются при онкологических заболеваниях у человека и собак.
Одно из наиболее выраженных сходств было обнаружено при агрессивных опухолях молочной железы. Наиболее распространенным геном-драйвером в исследованных опухолях молочной железы кошек оказался FBXW7. Мутация в этом гене присутствовала более чем в 50% изученных опухолей. В норме FBXW7 участвует в регуляции белков, контролирующих рост и деление клеток. При повреждении этого гена некоторые из таких белков, стимулирующих рост, могут накапливаться, что потенциально способствует выживанию и распространению раковых клеток. У человека мутации FBXW7 при раке молочной железы связаны с менее благоприятным прогнозом. Таким образом, наблюдаемое у кошек изменение имеет сходство с генетическими особенностями соответствующего заболевания у человека. Ученые также обнаружили сходства между раком у кошек и человека при опухолях крови, костей, легких, кожи, желудочно-кишечного тракта и центральной нервной системы.
Выявленные сходства могут иметь особое значение, поскольку домашние кошки часто живут в тех же условиях, что и люди. Кошки могут подвергаться воздействию тех же факторов окружающей среды, что и их владельцы, включая бытовые химические вещества, загрязнители воздуха, табачный дым и другие потенциально влияющие на риск развития рака воздействия. Поэтому изучение естественно возникающих опухолей у домашних животных может помочь исследовать взаимодействие генетических факторов с окружающей средой. По мнению ученых, полученные данные могут помочь лучше понять причины развития рака у кошек и человека, влияние окружающей среды на риск заболевания, а также найти новые подходы к профилактике и лечению опухолей.
Ученые также обнаружили, что некоторые химиотерапевтические препараты действовали эффективнее на опухоли молочной железы кошек, в которых присутствовала мутация FBXW7. Однако этот результат был получен только при исследовании образцов тканей. Поэтому пока нельзя утверждать, что аналогичный подход будет эффективен у живых кошек или людей. Тем не менее результаты указывают на потенциальную возможность использования генетических характеристик опухоли для подбора более эффективного лечения. Такой подход называют прецизионной онкологией. В отличие от стандартного лечения, при котором опухоли одного общего типа могут лечиться одинаково, прецизионная онкология учитывает молекулярные и генетические особенности конкретной опухоли при выборе терапии.
Методы лечения рака, разработанные для человека, могут также изучаться и применяться при лечении кошек с естественно возникающими опухолями. В свою очередь, результаты исследований и клинических испытаний методов лечения рака у кошек могут дать сведения, которые впоследствии будут использоваться в исследованиях заболеваний человека. Ученые рассчитывают, что созданная генетическая база данных в перспективе поможет сделать лечение онкологических заболеваний у кошек более персонализированным.
Как отмечают авторы исследования, проведенная работа создает основу для следующего этапа исследований рака у кошек. Теперь можно переходить к развитию прецизионной ветеринарной онкологии, постепенно сокращая отставание от диагностических и терапевтических возможностей, уже доступных при лечении рака у собак, а в дальнейшем потенциально и у человека.
Немного рекламы
Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор: Dmytro_Kikot
