がんや神経変性疾患などの病気は、しばしば遺伝的なミスから始まるが、その知識を効果的な治療に変えることは、これまで300個の異なる故障部品を特定した車を修理しようとするようなものだった。しかも、それぞれが異なる動作をする。『Nature』に掲載された新しい研究は、PerturbFateと呼ばれるプラットフォームを導入し、疾患関連の遺伝的変化がどのように細胞を変えるかを系統的に追跡し、それらの変化が最終的にどこで収束するかを特定する。

「ここではがんの薬剤耐性に焦点を当てていますが、この論文は実際にはより広い疑問から始まっています。病気が何百もの遺伝子と関連していることがわかったとき、どのようにして一つの治療法を設計して標的にするのか？」と、単一細胞ゲノミクス・集団動態研究室の責任者であるJunyue Cao氏は言う。「我々は、これらすべての異なる遺伝子が、発見して標的にできる共有の下流シグナル伝達によって媒介されているのではないかと考えました。」

遺伝子配列決定の進歩により、科学者は疾患に関連する多数の変異を特定できるようになったが、この進歩は新たな大きな課題を生み出した。関与する遺伝子は、細胞内で遺伝子活性の制御や細胞シグナル伝達経路の管理など、非常に異なる仕事をすることが多い。この複雑さのため、多くの変異を同時に標的とする治療法の設計は困難だった。Cao氏は、これらの一見無関係な変異が実際には独立して作用しているのではなく、細胞の振る舞いを最終的に決定する共有の下流プログラムに合流する可能性があると疑った。もしそれが本当なら、科学者はすべての変異を個別に標的とする必要はなく、疾患プロセスを制御する共通の調節ノードに焦点を当てることができる。

それをテストするために、チームは多くの遺伝的撹乱を同時に比較し、それぞれが細胞をどのように詳細に再形成するかを監視できるシステムを必要とした。既存の技術は、画像の一部しか捉えられず、多くの場合、一度に一つの細胞活性の層を測定するか、遺伝子活性が時間とともに動的に変化する様子を見逃していた。大学院生のZihan Xu氏は、これらの制限を克服するためにPerturbFateを開発し、研究者がDNAのアクセシビリティとRNA産生を同時に追跡することで、異なる遺伝的撹乱が細胞をリアルタイムでどのように変化させるかを観察できるようにした。これらの測定は同じ単一細胞内で収集されるため、システムは細胞の振る舞いを制御する遺伝子ネットワークを明らかにし、異なる変異が同じ下流効果を生み出す場所を特定できる。

プラットフォームをテストするために、研究者らは黒色腫に注目した。そこでは多くの異なる変異が治療に対する耐性を生み出す可能性がある。チームは、黒色腫治療薬ベムラフェニブに対する耐性に以前関連付けられていた143の遺伝子を選択し、黒色腫細胞で系統的にそれらを無効にした。PerturbFateは、各撹乱が時間の経過とともに細胞の振る舞いをどのように変えるかを監視した。新しく産生されたRNAを標識することで、研究者は新鮮な遺伝子活性を古い分子シグナルから分離できた。単一細胞プロファイリングにより、どの遺伝子が活性化しているか、DNAのどの領域がアクセス可能になったか、そしてそれらの変化がどのように進化したかを追跡することも可能になった。

30万以上の細胞を調べた後、研究者らは、多くの異なる変異が一貫して黒色腫細胞を同じ薬剤耐性状態に押しやることを発見した。チームがその状態を駆動する共有の調節制御点を標的にすると、薬剤耐性は大幅に低下し、併用療法の有望な戦略を示唆した。この研究はまた、遺伝子活性の調節を助ける細胞構造であるメディエーター複合体に関する重要な詳細を明らかにした。研究者らは、この同じ複合体の異なる部分を撹乱すると、まったく異なる生物学的経路を通じて薬剤耐性を引き起こす可能性があるが、それらの経路は依然として同じ黒色腫生存シグナルであるVEGFCに収束することを発見した。研究者らがVEGFCをブロックすると、耐性黒色腫細胞はもはや増殖できなくなった。

「我々は遺伝子発現だけでなく、RNA動態やクロマチン状態も捉えています」とCao氏は言う。「タ