Ziekten zoals kanker en neurodegeneratieve aandoeningen beginnen vaak met genetische fouten, maar die kennis omzetten in effectieve behandelingen is historisch gezien alsof je een auto probeert te repareren terwijl je 300 verschillende defecte onderdelen hebt geïdentificeerd, die allemaal andere dingen doen. Een nieuwe studie gepubliceerd in *Nature* introduceert een mogelijke oplossing: een platform genaamd PerturbFate, dat systematisch kan volgen hoe ziekte-gerelateerde genetische veranderingen cellen veranderen en kan identificeren waar die veranderingen uiteindelijk samenkomen.
"We richten ons hier op kankerresistentie tegen geneesmiddelen, maar het artikel begint eigenlijk bij een bredere vraag: als je eenmaal weet dat een ziekte geassocieerd is met honderden genen, hoe ontwerp je dan één therapie om die aan te pakken?" zegt Junyue Cao, hoofd van het Laboratorium voor Single-Cell Genomics en Populatiedynamica. "We vroegen ons af of al deze verschillende genen mogelijk worden gemedieerd door een gedeelde stroomafwaartse signalering die we kunnen ontdekken en in plaats daarvan kunnen targeten."
Vooruitgang in genetische sequencing heeft wetenschappers in staat gesteld om grote aantallen ziekte-gerelateerde mutaties te identificeren, maar deze vooruitgang creëerde een grote nieuwe uitdaging: de betrokken genen vervullen vaak heel verschillende functies in cellen, waaronder het controleren van genactiviteit en het beheren van celsignaleringsroutes. Vanwege deze complexiteit is het ontwerpen van behandelingen die veel mutaties tegelijk aanpakken moeilijk geweest. Cao vermoedde dat deze ogenschijnlijk niet-gerelateerde mutaties eigenlijk niet onafhankelijk handelen - ze zouden kunnen samenkomen in gedeelde stroomafwaartse programma's die uiteindelijk bepalen hoe cellen zich gedragen. Als dat waar was, zouden wetenschappers niet elke mutatie afzonderlijk hoeven aan te pakken; ze zouden zich kunnen richten op gemeenschappelijke regulerende knooppunten die het ziekteproces controleren.
Om dat te testen had het team een systeem nodig dat in staat was om veel genetische verstoringen tegelijkertijd te vergelijken terwijl het in detail volgde hoe elke verstoring een cel hervormde. Bestaande technologieën konden slechts een deel van het beeld vastleggen, vaak door één laag van cellulaire activiteit tegelijk te meten of te missen hoe genactiviteit dynamisch verandert in de tijd. Promovendus Zihan Xu ontwikkelde PerturbFate om die beperkingen te overwinnen, waardoor onderzoekers in realtime kunnen observeren hoe verschillende genetische verstoringen cellen veranderen door gelijktijdig DNA-toegankelijkheid en RNA-productie te volgen. Omdat deze metingen binnen dezelfde enkele cel worden verzameld, kan het systeem de gennetwerken onthullen die celgedrag controleren en identificeren waar verschillende mutaties dezelfde stroomafwaartse effecten produceren.
Om het platform te testen, richtten de onderzoekers zich op melanoom, waar veel verschillende mutaties resistentie tegen behandeling kunnen veroorzaken. Het team selecteerde 143 genen die eerder in verband werden gebracht met resistentie tegen het melanoommedicijn Vemurafenib en schakelde ze systematisch uit in melanoomcellen. PerturbFate volgde vervolgens hoe elke verstoring het cellulaire gedrag in de loop van de tijd veranderde. Door nieuw geproduceerd RNA te labelen, konden de onderzoekers verse genactiviteit scheiden van oudere moleculaire signalen. Single-cell profilering stelde hen ook in staat om te volgen welke genen actief waren, welke regio's van DNA toegankelijk werden en hoe die veranderingen evolueerden.
Na het onderzoeken van meer dan 300.000 cellen, ontdekten de onderzoekers dat veel verschillende mutaties melanoomcellen consequent in dezelfde geneesmiddelresistente toestand duwden. Toen het team de gedeelde regulerende controlepunten die die toestand aansturen targette, nam de geneesmiddelresistentie aanzienlijk af, wat een veelbelovende strategie suggereert voor combinatietherapieën. De studie onthulde ook een belangrijk detail met betrekking tot het Mediator Complex, een cellulaire structuur die helpt bij het reguleren van genactiviteit. Onderzoekers ontdekten dat het verstoren van verschillende delen van ditzelfde complex geneesmiddelresistentie kon veroorzaken via volledig verschillende biologische routes, maar die routes kwamen nog steeds samen op hetzelfde melanoomoverlevingssignaal dat bekend staat als VEGFC. Toen onderzoekers VEGFC blokkeerden, konden de resistente melanoomcellen niet meer groeien.
"We leggen niet alleen genexpressie vast, maar ook RNA-dynamica en chromatine-toestand," zegt Cao. "T