Берт Вогельштейн: Қатерлі ісік геномикасының іргелі зерттеушісі

Кіріспе

Американдық онколог (туған 1949)

Берт Вогельштейн (туған 1949) – Людвиг орталығының директоры, онкология және патология саласының Клейтон профессоры, сондай-ақ Джонс Хопкинс медицина мектебі мен Сидни Киммель жан-жақты онкологиялық орталығының Говард Хьюз медициналық институтының ғылыми қызметкері. Қатерлі ісіктер геномикасы саласындағы пионер ретінде, оның колоректальды қатерлі ісіктерге қатысты зерттеулері олардың онкогендер мен ісікке қарсы гендердегі мутациялардың тізбектей жиналуынан туындайтынын көрсетті. Бұл зерттеулер қазіргі қатерлі ісіктерді зерттеудің үлгісін құрайды және қатерлі ісіктің соматикалық эволюциясы тұжырымының негізін қалады.

Зерттеу

1980 жылдары Вогельштейн адам ісігін зерттеудің жаңа тәжірибелік әдістерін жасады. Оның колоректальды қатерлі ісіктің түрлі сатыларын зерттеуі 1988 жылы адам ісігінің пайда болуына қатысты нақты модельді ұсынуға әкелді. Оның пікірінше, "қатерлі ісік – нақты онкогендер мен ісікке қарсы гендердің тізбектей мутацияларының нәтижесі". Бұл гипотезаны растаған алғашқы ісікке қарсы ген p53-ті кодтайтын ген болды. p53 ақуызын 10 жыл бұрын бірнеше топ, соның ішінде Дэвид Лейн мен Лайонел Кроуфорд, Арнольд Левин және Ллойд Олд ашқан болатын. Бірақ p53 адам қатерлі ісіктерінде маңызды рөл атқаратынына дәлел жоқ еді, ал p53-ті кодтайтын ген (TP53) ісікке қарсы ген емес, онкоген деп саналды. 1989 жылы Вогельштейн және оның студенттері TP53-тің адам ісігінің пайда болуында ғана емес, сонымен қатар олардың көпшілігінде мутацияланған, адам ісігінің ортақ белгісі екенін анықтады. Одан кейін ол TP53 ісіктің пайда болуын тежейтін механизмін анықтады. Осы зерттеулерге дейін p53-тің биохимиялық функциясы тек оның жылу шок ақуыздарымен байланысуы болды. Вогельштейн мен оның әріптестері p53-тің әлдеқайда ерекше белсенділігі бар екенін көрсетті: ол ДНК-ны нақты тізбекпен байланыстырады. Олар оның консенсус тану тізбегін дәл анықтады және ісіктерде табылған p53 мутацияларының барлығы дерлік p53 тізбегінің транскрипциялық белсендіру қасиеттерін жоғалтуға әкеп соқты. Кейіннен олар жасушаның пайда болуын және өлуін бақылау үшін p53 тікелей белсендіретін гендерді тапты. Оның тобының адам гендерінің барлық жинағын зерттеген соңғы зерттеулері TP53 генінің басқа гендерге қарағанда қатерлі ісіктерде жиі мутацияланатындығын көрсетті. 1991 жылы Вогельштейн және ұзақ жылдардан бері әріптесі Кеннет В. Кинцлер Жапониядағы Юсуке Накамурамен жұмыс істеп, тағы бір ісікке қарсы генді тапты. Бұл ген APC деп аталады, ол көптеген кішкентай қатерсіз ісіктердің дамуымен байланысты синдром, олардың кейбіреулері қатерлі ісікке айналады. Бұл генді Юта университетіндегі Рей Уайт тобы тәуелсіз түрде тапты. Вогельштейн және Кинцлер кейіннен APC-нің тұқым қуалайтын (соматикалық) мутациялары ішек пен тік ішек қатерлі ісігінің көпшілігін бастайтынын көрсетті. Сонымен қатар, олар APC-нің бета-катенинмен байланысу арқылы және оның ыдырауын ынталандыру арқылы қалай жұмыс істейтінін көрсетті. Вогельштейн мен Кинцлер Альберт де ла Шапель және Лаури Аалтоненмен бірге Хельсинки университетінде тұқым қуалайтын колоректальды ісіктің басқа негізгі түрі – тұқым қуалайтын полипозсыз колоректальды қатерлі ісікке (ТҚҚІ) жауапты гендерді анықтау үшін жұмыс істеді. Олар алғашқы болып негізгі себепші гендердің бірін байланысты зерттеу арқылы хромосомалық локусқа орналастырды. Бұл оларды және басқа топтарды көп ұзамай осы синдромның көпшілігіне себепші MSH2 және MLH1 сияқты жөндеу гендерін анықтауға жеткізді. 2000 жылдардың басында Вогельштейн мен Кинцлер Виктор Велюлеску, Аман Амер Закар, Мустак Акбар Закар, Бишвас Банерджи, Кармен Флолар, Кулин Матерс, Фархин Зубер Мохмед Патель, Николас Пападопулос және басқалармен бірге жұмыс істеп, бүкіл геномдағы мутацияларды анықтау үшін ауқымды эксперименттер жүргізе бастады. Олар "экзомдық секвенирлеуді" – адам геноміндегі әрбір ақуызды кодтайтын геннің тізбегін анықтауды жүзеге асыруы керек еді. Алғашқы талдауға ірі ішек, көкірек, бүйрек және ми ісіктері кірді. Бұл зерттеулер адам қатерлі ісігінің геномдарының картасын жасады, кейіннен әлемдегі зертханалар көптеген ісіктің түрлі түрлерін параллель түрде секвенирлеу арқылы растады. Қатерлі ісікке кодталған барлық белоктарды кодтайтын гендерді талдау процесінде Вогельштейн мен оның әріптестері қатерлі ісікке маңызды рөл атқаратын бірнеше жаңа гендерді тапты, мысалы PIK3CA, IDH1, IDH2, ARID2, ATRX, DAXX. Вогельштейн соматикалық мутациялар қатерлі ісік үшін ерекше биомаркерлерді білдіреді деген идеяны алға жылжытты, қазір "сұйық биопсиялар" деп аталатын саланы құрды. 1990 жылдардың басында докторлық диссертациядан кейінгі әріптесі Дэвид Сидранскимен бірге жұмыс істеп, ол мұндай соматикалық мутациялар колоректальды қатерлі ісікпен ауыратын науқастардың нәжісінде және көк шөлке қатерлі ісікпен ауыратын науқастардың зәрінде анықтауға болатынын көрсетті. Осы мақсатта олар "цифрлық ПТР" әдісін жасады, онда ДНК молекулалары бірінен соң бірі тексеріліп, олардың қалыпты немесе мутацияланған екені анықталады. Олар цифрлық ПТР үшін "BEAMing" деп аталатын бір техниканы ойлап тапты, онда ПТР магниттік моншақтарда майда су тамшыларында жүзеге асырылады. BEAMing қазір кейбір жаңа буынның, жоғары өнімді секвенирлеу құралдарында қолданылатын негізгі технологиялардың бірі болып табылады. Жақында олар "SafeSeqS" деп аталатын цифрлық ПТР негізіндегі техниканы жасады, онда әрбір ДНК үлгісінің молекуласы бірегей молекулалық штрих-кодпен танылады. SafeSeqS ДНК тізбектері арасында сирек кездесетін варианттарды анықтау мүмкіндігін күрт арттырады, бұл варианттардың ДНК молекулаларының 10 000-нан астамында тек біреуі болғанда да анықталуына мүмкіндік береді. 2019 жылдың ортасында Вогельштейн Гарвард университетіндегі Мартин Новак тобымен ынтымақтастыққа кірісті. Олардың екеуі бірге мақсатты терапияға қарсы тұрудың эволюциясын түсіндіру үшін математикалық модельдерді жасады. Олар мақсатты препараттарды тізбекпен енгізу емдеуге ешқандай мүмкіндік бермейді – егер екі препаратқа да қарсы тұруға мүмкіндік беретін мутациялар болмаса да. Сондықтан, мақсатты терапияны бірдей комбинацияда қолдану (тізбекпен емес) артықшылықты стратегия болып табылады, өйткені емделу мүмкіндігі бар.

In the 1980s, Vogelstein developed new experimental approaches to study human tumors. His studies of various stages of colorectal cancers led him to propose a specific model for human tumorigenesis in 1988. In particular, he suggested that "cancer is caused by sequential mutations of specific oncogenes and tumor suppressor genes". The first tumor suppressor gene validating this hypothesis was that encoding p53. The p53 protein was discovered 10 years earlier by several groups, including that of David Lane and Lionel Crawford, Arnold Levine, and Lloyd Old. But there was no evidence that p53 played a major role in human cancers, and the gene encoding p53 (TP53) was thought to be an oncogene rather than a tumor suppressor gene. In 1989, Vogelstein and his students discovered that TP53 not only played a role in human tumorigenesis, but that it was a common denominator of human tumors, mutated in the majority of them. He then discovered the mechanism through which TP53 suppresses tumorigenesis. Prior to these studies, the only biochemical function attributed to p53 was its binding to heat shock proteins. Vogelstein and his colleagues demonstrated that p53 had a much more specific activity: it bound DNA in a sequence specific manner. They precisely defined its consensus recognition sequence and showed that virtually all p53 mutations found in tumors resulted in loss of the sequence specific transcriptional activation properties of p53. They subsequently discovered genes that are directly activated by p53 to control cell birth and cell death. His group's more recent studies examining the entire compendium of human genes have shown that the TP53 gene is more frequently mutated in cancers than any other gene
In 1991, Vogelstein and long time colleague Kenneth W. Kinzler, working with Yusuke Nakamura in Japan, discovered another tumor suppressor gene. This gene, called APC, was responsible for Familial Adenomatous Polyposis (FAP), a syndrome associated with the development of numerous small benign tumors, some of which progress to cancer. This gene was independently discovered by Ray White's group at the University of Utah. Vogelstein and Kinzler subsequently showed that non hereditary (somatic) mutations of APC initiate most cases of colon and rectal cancers. They also showed how APC functions – through binding to beta catenin and stimulating its degradation. Vogelstein and Kinzler worked with Albert de la Chapelle and Lauri Aaltonen at the U. Helsinki to identify the genes responsible for Hereditary NonPolyposis Colorectal Cancer (HNPCC), the other major form of heritable colorectal tumorigenesis. They were the first to localize one of the major causative genes to a specific chromosomal locus through linkage studies. This localization soon led them and other groups to identify repair genes such as MSH2 and MLH1 that are responsible for most cases of this syndrome. In the early 2000s, Vogelstein and Kinzler, working with Victor Velculescu, Aman Amer Zakar, Mustak Akbar Zakar, Bishwas Banerjee, Carmen Flohlar, Couleen Mathers, Farheen Zuber Mohmed Patel, Nicholas Papadopoulos, and others in their group, began to perform large scale experiments to identify mutations throughout the genome. They were to perform "exomic sequencing", meaning determination of the sequence of every protein encoding gene in the human genome. The first analyzed tumors included those of the colon, breast, pancreas, and brain. These studies outlined the landscapes of human cancer genomes, later confirmed by massively parallel sequencing of many different tumor types by laboratories throughout the world. In the process of analyzing all the protein encoding genes within cancers, Vogelstein and his colleagues discovered several novel genes that play important roles in cancer, such as PIK3CA, IDH1, IDH2, ARID2, ATRX, DAXX,

Vogelstein pioneered the idea that somatic mutations represent uniquely specific biomarkers for cancer, creating the field now called "liquid biopsies". Working with post doctoral fellow David Sidransky in the early 1990s, he showed that such somatic mutations were detectable in the stool of colorectal cancer patients and the urine of bladder cancer patients. For this purpose, they developed "Digital PCR" in which DNA molecules are examined one by one to determine whether they are normal or mutated. One of the techniques they invented for Digital PCR is called "BEAMing", in which the PCR is carried out on magnetic beads in water in oil emulsions. BEAMing is now one of the core technologies used in some next generation, massively parallel sequencing instruments. More recently, they developed a digital PCR based technique called SafeSeqS, in which every DNA template molecule is recognized by a unique molecular barcode. SafeSeqS dramatically enhances the ability to identify rare variants among DNA sequences, allowing such variants to be detected when they are present in only 1 in more than 10,000 total DNA molecules. In mid 2019, Vogelstein started collaborating with the group of Martin Nowak at Harvard University. Together with their groups, they developed mathematical models to explain the evolution of resistance against targeted therapies. They showed that the sequential administration of multiple targeted drugs precludes any chance for cure — even when there are no possible mutations that can confer cross resistance to both drugs. Thus, simultaneous combination of targeted therapies (as opposed to sequential) is the preferred strategy as there is at least a potential for cure.

Цитаталар

Фогельштейнге жуық 600 ғылыми мақала жарияланған. Фогельштейннің ғылыми еңбектері 430 000-нан астам рет сілтеме жасалған. 2016 жылы Semantic Scholar AI бағдарламасы Фогельштейнді ең ықпалды он биомедициналық зерттеушінің тізіміне қосты.