Болезни, такие как рак и нейродегенеративные расстройства, часто начинаются с генетических ошибок, но превращение этих знаний в эффективные методы лечения исторически было похоже на попытку починить машину, когда вы определили 300 разных неисправных деталей, каждая из которых делает что-то своё. Новое исследование, опубликованное в *Nature*, предлагает потенциальное решение: платформа под названием PerturbFate, которая может систематически отслеживать, как связанные с болезнью генетические изменения изменяют клетки, и определять, где эти изменения в конечном итоге сходятся.

«Мы сосредоточились здесь на лекарственной устойчивости рака, но статья на самом деле начинается с более широкого вопроса: когда вы знаете, что болезнь связана с сотнями генов, как разработать одну терапию для её лечения?» — говорит Джуньюэ Цао, руководитель Лаборатории одноклеточной геномики и динамики популяций. «Мы задались вопросом, не могут ли все эти разные гены опосредоваться какими-то общими нижестоящими сигналами, которые мы можем обнаружить и нацелить вместо этого».

Достижения в области генетического секвенирования позволили учёным выявить большое количество связанных с болезнями мутаций, но этот прогресс создал новую серьёзную проблему: задействованные гены часто выполняют очень разные задачи внутри клеток, включая контроль активности генов и управление сигнальными путями клеток. Из-за этой сложности разработка методов лечения, воздействующих на множество мутаций одновременно, была затруднена. Цао подозревал, что эти, казалось бы, несвязанные мутации на самом деле могут действовать не независимо — они могут вливаться в общие нижестоящие программы, которые в конечном итоге определяют поведение клеток. Если бы это было так, учёным не нужно было бы воздействовать на каждую мутацию отдельно; они могли бы сосредоточиться на общих регуляторных узлах, контролирующих болезненный процесс.

Чтобы проверить это, команде нужна была система, способная одновременно сравнивать множество генетических нарушений, отслеживая, как каждое из них детально перестраивает клетку. Существующие технологии могли уловить лишь часть картины, часто измеряя один уровень клеточной активности за раз или упуская, как активность генов динамически меняется со временем. Аспирант Зихан Сюй разработал PerturbFate, чтобы преодолеть эти ограничения, позволяя исследователям наблюдать, как различные генетические нарушения изменяют клетки в реальном времени, одновременно отслеживая доступность ДНК и производство РНК. Поскольку эти измерения проводятся в одной и той же отдельной клетке, система может выявить генные сети, контролирующие поведение клеток, и определить, где различные мутации приводят к одинаковым нижестоящим эффектам.

Чтобы протестировать платформу, исследователи обратились к меланоме, где множество различных мутаций могут вызывать устойчивость к лечению. Команда отобрала 143 гена, ранее связанных с устойчивостью к препарату меланомы Вемурафенибу, и систематически отключила их в клетках меланомы. Затем PerturbFate отслеживал, как каждое нарушение изменяло поведение клеток с течением времени. Помечая недавно произведённую РНК, исследователи могли отделить свежую активность генов от более старых молекулярных сигналов. Профилирование отдельных клеток также позволило им отслеживать, какие гены активны, какие участки ДНК становятся доступными и как эти изменения развиваются.

После изучения более 300 000 клеток исследователи обнаружили, что многие различные мутации последовательно подталкивали клетки меланомы к одному и тому же состоянию лекарственной устойчивости. Когда команда нацелилась на общие регуляторные контрольные точки, управляющие этим состоянием, лекарственная устойчивость значительно снизилась, что указывает на многообещающую стратегию комбинированной терапии. Исследование также выявило важную деталь, касающуюся Медиаторного комплекса — клеточной структуры, помогающей регулировать активность генов. Исследователи обнаружили, что нарушение разных частей этого же комплекса может вызывать лекарственную устойчивость через совершенно разные биологические пути, но эти пути всё равно сходились на одном и том же сигнале выживания меланомы, известном как VEGFC. Когда исследователи заблокировали VEGFC, устойчивые клетки меланомы больше не могли расти.

«Мы фиксируем не только экспрессию генов, но также динамику РНК и состояние хроматина», — говорит Цао.