Sjukdomar som cancer och neurodegenerativa tillstånd börjar ofta med genetiska misstag, men att omvandla den kunskapen till effektiva behandlingar har historiskt sett varit som att försöka laga en bil när du identifierat 300 olika felaktiga delar, som alla gör olika saker. En ny studie publicerad i *Nature* introducerar en potentiell lösning: en plattform som kallas PerturbFate, som systematiskt kan spåra hur sjukdomsrelaterade genetiska förändringar förändrar celler och identifiera var dessa förändringar slutligen konvergerar.

"Vi fokuserar här på cancerläkemedelsresistens, men artikeln utgår egentligen från en bredare fråga: när du väl vet att en sjukdom är associerad med hundratals gener, hur designar du en enda terapi för att rikta in dig på den?" säger Junyue Cao, chef för Laboratory of Single-Cell Genomics and Population Dynamics. "Vi undrade om alla dessa olika gener kan förmedlas av någon gemensam nedströms signalering som vi kan upptäcka och istället rikta in oss på."

Framsteg inom genetisk sekvensering har gjort det möjligt för forskare att identifiera ett stort antal sjukdomskopplade mutationer, men denna utveckling skapade en stor ny utmaning: generna som är inblandade utför ofta mycket olika jobb inuti celler, inklusive att kontrollera genaktivitet och hantera cellsignalvägar. På grund av denna komplexitet har det varit svårt att designa behandlingar som adresserar många mutationer samtidigt. Cao misstänkte att dessa till synes orelaterade mutationer kanske inte faktiskt agerar oberoende – de kan kanaliseras in i gemensamma nedströms program som i slutändan bestämmer hur celler beter sig. Om det vore sant skulle forskare inte behöva rikta in sig på varje mutation separat; de skulle kunna fokusera på gemensamma regulatoriska noder som styr sjukdomsprocessen.

För att testa detta behövde teamet ett system som kunde jämföra många genetiska störningar samtidigt medan de övervakade hur var och en omformade en cell i detalj. Befintlig teknik kunde bara fånga en del av bilden, ofta mäta ett lager av cellulär aktivitet åt gången eller missa hur genaktiviteten förändras dynamiskt över tid. Doktoranden Zihan Xu utvecklade PerturbFate för att övervinna dessa begränsningar, vilket gör det möjligt för forskare att observera hur olika genetiska störningar förändrar celler i realtid genom att samtidigt spåra DNA-tillgänglighet och RNA-produktion. Eftersom dessa mätningar samlas in inom samma enskilda cell, kan systemet avslöja gennätverken som styr cellbeteende och identifiera var distinkta mutationer producerar samma nedströmseffekter.

För att testa plattformen vände sig forskarna till melanom, där många olika mutationer kan producera resistens mot behandling. Teamet valde ut 143 gener som tidigare associerats med resistens mot melanomläkemedlet Vemurafenib och inaktiverade dem systematiskt i melanomceller. PerturbFate övervakade sedan hur varje störning förändrade cellbeteende över tid. Genom att märka nysyntetiserat RNA kunde forskarna separera färsk genaktivitet från äldre molekylära signaler. Enkelcellsprofilering gjorde det också möjligt för dem att spåra vilka gener som var aktiva, vilka regioner av DNA som blev tillgängliga och hur dessa förändringar utvecklades.

Efter att ha undersökt mer än 300 000 celler fann forskarna att många olika mutationer konsekvent tryckte melanomceller in i samma läkemedelsresistenta tillstånd. När teamet riktade in sig på de gemensamma regulatoriska kontrollpunkterna som driver detta tillstånd, minskade läkemedelsresistensen avsevärt, vilket tyder på en lovande strategi för kombinationsterapier. Studien avslöjade också en viktig detalj som involverar Mediatorkomplexet, en cellulär struktur som hjälper till att reglera genaktivitet. Forskarna fann att störa olika delar av samma komplex kunde utlösa läkemedelsresistens genom helt olika biologiska vägar, men dessa vägar konvergerade fortfarande på samma melanomöverlevnadssignal känd som VEGFC. När forskarna blockerade VEGFC kunde de resistenta melanomcellerna inte längre växa.

"Vi fångar inte bara genuttryck, utan också RNA-dynamik och kromatintillstånd," säger Cao.