Берт Вогельштейн: Пионер в геномике рака и открытие роли гена TP53

Введение

Американский онколог (род. 1949)

Берт Фогельштейн (род. 1949) — директор Центра Людвига, профессор онкологии и патологии имени Клейтона и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Медицинской школе Джона Хопкинса и Всеобъемлющем онкологическом центре Сидни Киммела. Будучи пионером в области геномики рака, его исследования колоректального рака показали, что они возникают в результате последовательного накопления мутаций в онкогенах и генах-супрессорах опухолей. Эти исследования стали основой современной парадигмы исследований рака и заложили фундамент для концепции соматической эволюции рака.

Исследования

В 1980-х годах Фогельштейн разработал новые экспериментальные подходы к изучению опухолей человека. Его исследования различных стадий колоректального рака привели к тому, что в 1988 году он предложил конкретную модель опухолеобразования человека. В частности, он предположил, что "рак вызывается последовательными мутациями специфических онкогенов и генов-супрессоров опухоли". Первым геном-супрессором опухоли, подтверждающим эту гипотезу, был ген, кодирующий p53. Белок p53 был обнаружен 10 лет ранее несколькими группами, включая группы Дэвида Лейна и Лайонела Кроуфорда, Арнольда Левина и Ллойда Олда. Однако не было доказательств того, что p53 играет важную роль в раковых заболеваниях человека, и ген, кодирующий p53 (TP53), считался онкогеном, а не геном-супрессором опухоли. В 1989 году Фогельштейн и его студенты обнаружили, что TP53 не только играет роль в опухолеобразовании человека, но и является общим знаменателем для опухолей человека, мутировавшим в большинстве из них. Затем он обнаружил механизм, посредством которого TP53 подавляет опухолеобразование. До этих исследований единственной биохимической функцией, приписываемой p53, была его связь с белками теплового шока. Фогельштейн и его коллеги продемонстрировали, что p53 обладает гораздо более специфической активностью: он связывает ДНК специфическим образом. Они точно определили последовательность консенсусного распознавания и показали, что практически все мутации p53, обнаруженные в опухолях, приводили к потере транскрипционной активности p53. Впоследствии они обнаружили гены, которые непосредственно активируются p53 для контроля пролиферации и гибели клеток. Более поздние исследования его группы, изучающие весь геном человека, показали, что ген TP53 мутирует в раковых заболеваниях чаще, чем любой другой ген. В 1991 году Фогельштейн и его давний коллега Кеннет У. Кинцлер, работая с Юсуке Накамура в Японии, обнаружили другой ген-супрессор опухоли. Этот ген, названный APC, отвечает за семейный аденоматозный полипоз (FAP), синдром, связанный с развитием многочисленных небольших доброкачественных опухолей, некоторые из которых прогрессируют в рак. Этот ген был независимо обнаружен группой Рэя Уайта в Университете Юты. Впоследствии Фогельштейн и Кинцлер показали, что ненаследственные (соматические) мутации APC инициируют большинство случаев рака толстой и прямой кишки. Они также показали, как APC функционирует – посредством связывания с бета-катенином и стимуляции его деградации. Фогельштейн и Кинцлер работали с Альбертом де ла Шапелем и Лаури Аалтоненом в Хельсинкском университете, чтобы идентифицировать гены, ответственные за наследственный неполипозный колоректальный рак (HNPCC), другую основную форму наследственного колоректального опухолеобразования. Они первыми локализовали один из основных причинных генов в определенном хромосомном локусе с помощью исследований генетической связи. Эта локализация вскоре привела их и другие группы к выявлению репаративных генов, таких как MSH2 и MLH1, которые ответственны за большинство случаев этого синдрома. В начале 2000-х годов Фогельштейн и Кинцлер, работая с Виктором Велюлеску, Аманом Амером Закаром, Мустаком Акбаром Закаром, Бишвасом Банерджи, Кармен Флохлар, Кулин Матерс, Фархином Зубером Мохаммедом Пателем, Николасом Пападопулосом и другими членами их группы, начали проводить масштабные эксперименты для выявления мутаций во всем геноме. Они должны были выполнить "экзомное секвенирование", то есть определение последовательности каждого гена, кодирующего белок, в геноме человека. Первыми проанализированными опухолями были опухоли толстой кишки, молочной железы, поджелудочной железы и мозга. Эти исследования очертили ландшафт геномов рака человека, позже подтвержденный массивным параллельным секвенированием многих различных типов опухолей лабораториями по всему миру. В процессе анализа всех генов, кодирующих белки в раковых опухолях, Фогельштейн и его коллеги обнаружили несколько новых генов, которые играют важную роль в раковых заболеваниях, таких как PIK3CA, IDH1, IDH2, ARID2, ATRX, DAXX. Фогельштейн стал пионером идеи о том, что соматические мутации представляют собой уникальные специфические биомаркеры для рака, создав область, которую теперь называют "жидкой биопсией". Работая с постдоком Дэвидом Сидрански в начале 1990-х годов, он показал, что такие соматические мутации обнаруживаются в стуле пациентов с колоректальным раком и в моче пациентов с раком мочевого пузыря. Для этой цели они разработали "цифровую ПЦР", в которой молекулы ДНК исследуются по одной, чтобы определить, являются ли они нормальными или мутировавшими. Одной из техник, которую они изобрели для цифровой ПЦР, является "BEAMing", в которой ПЦР проводится на магнитных шариках в эмульсиях вода в масле. BEAMing сейчас является одной из основных технологий, используемых в некоторых приборах для секвенирования нового поколения с массивным параллелизмом. В последнее время они разработали цифровую ПЦР-технику, основанную на SafeSeqS, в которой каждая молекула ДНК-шаблона распознается уникальным молекулярным штрих-кодом. SafeSeqS значительно повышает способность идентифицировать редкие варианты среди последовательностей ДНК, позволяя обнаруживать такие варианты, когда они присутствуют только в 1 из более чем 10 000 общих молекул ДНК. В середине 2019 года Фогельштейн начал сотрудничество с группой Мартина Новака из Гарвардского университета. Вместе со своими группами они разработали математические модели для объяснения эволюции устойчивости к таргетной терапии. Они показали, что последовательное применение нескольких таргетных препаратов исключает любую возможность излечения — даже если нет возможных мутаций, которые могут придать перекрестную устойчивость к обоим препаратам. Таким образом, одновременная комбинация таргетной терапии (в отличие от последовательной) является предпочтительной стратегией, поскольку существует хотя бы потенциал для излечения.

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.

Цитаты

Фогельштейн опубликовал почти 600 научных статей. Работы Фогельштейна процитированы более 430 000 раз. В 2016 году программа искусственного интеллекта Semantic Scholar включила Фогельштейна в список десяти самых влиятельных исследователей в области биомедицины.