암이나 신경퇴행성 질환 같은 질병은 종종 유전적 실수에서 시작되지만, 그 지식을 효과적인 치료법으로 전환하는 것은 역사적으로 300개의 서로 다른 결함 부품을 모두 다른 일을 하는 차를 고치려는 것과 같았습니다. *Nature*에 발표된 새로운 연구는 잠재적인 해결책을 소개합니다: PerturbFate라는 플랫폼으로, 질병 관련 유전적 변화가 세포를 어떻게 변화시키는지 체계적으로 추적하고 그 변화가 궁극적으로 어디서 수렴하는지 식별할 수 있습니다.

"우리는 여기서 암 약물 내성에 초점을 맞추지만, 이 논문은 실제로 더 넓은 질문에서 시작합니다: 질병이 수백 개의 유전자와 관련되어 있다는 것을 알게 되면, 어떻게 하나의 치료법으로 그것을 표적할 수 있을까?"라고 단일세포 유전체학 및 인구역학 연구소장인 Junyue Cao는 말합니다. "우리는 이 모든 다른 유전자들이 우리가 발견하고 표적할 수 있는 공유된 하류 신호전달에 의해 매개될 수 있는지 궁금했습니다."

유전자 시퀀싱의 발전으로 과학자들은 많은 수의 질병 관련 돌연변이를 식별할 수 있었지만, 이 진전은 새로운 주요 과제를 만들었습니다: 관련 유전자들은 종종 세포 내에서 매우 다른 작업을 수행하며, 유전자 활동 제어와 세포 신호전달 경로 관리를 포함합니다. 이러한 복잡성 때문에 많은 돌연변이를 동시에 다루는 치료법을 설계하는 것은 어려웠습니다. Cao는 이렇게 보이는 관련 없는 돌연변이들이 실제로 독립적으로 작용하지 않을 수 있다고 의심했습니다. 그들은 궁극적으로 세포가 어떻게 행동하는지 결정하는 공유된 하류 프로그램으로 모일 수 있습니다. 만약 그것이 사실이라면, 과학자들은 각 돌연변이를 개별적으로 표적할 필요 없이 질병 과정을 제어하는 공통 조절 노드에 집중할 수 있습니다.

이를 테스트하기 위해 팀은 많은 유전적 교란을 동시에 비교하면서 각각이 세포를 어떻게 재형성하는지 자세히 모니터링할 수 있는 시스템이 필요했습니다. 기존 기술은 그림의 일부만 포착할 수 있었으며, 종종 한 번에 한 층의 세포 활동을 측정하거나 유전자 활동이 시간에 따라 어떻게 동적으로 변하는지 놓쳤습니다. 대학원생 Zihan Xu는 이러한 한계를 극복하기 위해 PerturbFate를 개발하여 연구자들이 DNA 접근성과 RNA 생산을 동시에 추적함으로써 다양한 유전적 교란이 세포를 실시간으로 어떻게 변화시키는지 관찰할 수 있게 했습니다. 이러한 측정이 동일한 단일 세포 내에서 수집되기 때문에 시스템은 세포 행동을 제어하는 유전자 네트워크를 밝혀내고 서로 다른 돌연변이가 동일한 하류 효과를 생성하는 위치를 식별할 수 있습니다.

플랫폼을 테스트하기 위해 연구자들은 흑색종으로 전환했는데, 여기서 많은 다양한 돌연변이가 치료에 대한 내성을 생성할 수 있습니다. 팀은 이전에 흑색종 약물 Vemurafenib에 대한 내성과 관련된 143개의 유전자를 선택하고 흑색종 세포에서 체계적으로 비활성화했습니다. PerturbFate는 각 교란이 시간에 따라 세포 행동을 어떻게 변화시키는지 모니터링했습니다. 새로 생성된 RNA를 표지함으로써 연구자들은 새로운 유전자 활동을 오래된 분자 신호와 분리할 수 있었습니다. 단일세포 프로파일링을 통해 어떤 유전자가 활성화되었는지, DNA의 어떤 영역이 접근 가능해졌는지, 그리고 이러한 변화가 어떻게 진화했는지 추적할 수 있었습니다.

30만 개 이상의 세포를 조사한 후, 연구자들은 많은 다른 돌연변이가 일관되게 흑색종 세포를 동일한 약물 내성 상태로 밀어넣는다는 것을 발견했습니다. 팀이 그 상태를 주도하는 공유 조절 제어 지점을 표적했을 때, 약물 내성이 크게 감소하여 병용 요법에 대한 유망한 전략을 시사했습니다. 이 연구는 또한 유전자 활동을 조절하는 데 도움을 주는 세포 구조인 Mediator Complex와 관련된 중요한 세부 사항을 밝혀냈습니다. 연구자들은 이 동일한 복합체의 다른 부분을 교란시키면 완전히 다른 생물학적 경로를 통해 약물 내성을 유발할 수 있지만, 그 경로는 여전히 VEGFC로 알려진 동일한 흑색종 생존 신호에 수렴한다는 것을 발견했습니다. 연구자들이 VEGFC를 차단했을 때, 내성 흑색종 세포는 더 이상 성장할 수 없었습니다.

"우리는 유전자 발현뿐만 아니라 RNA 역학과 염색질 상태도 포착하고 있습니다,"라고 Cao는 말합니다.