Fot.  Anna Fedenko z Laboratorium Biologii Strukturalnej Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, pierwsza autorka artykułu, źródło: IIMCB

Badania międzynarodowego zespołu koncentrowały się na ciężkiej i stosunkowo mało poznanej postaci białaczki, znanej jako AML z kariotypem złożonym (z ang. complex karyotype AML, CK-AML). Mimo iż CK-AML nie występuje często, jest bardzo groźnym schorzeniem – skuteczne leczenie praktycznie nie istnieje i wielu pacjentów nie przeżywa dłużej niż rok. Projekt badawczy nad CK-AML polegał na połączeniu danych genetycznych z modelowaniem matematycznym, co pozwoliło na wyjaśnienie molekularnych mechanizmów uszkodzeń genu TP53 odpowiadających za ciężki przebieg choroby.

TP53 – gen na straży zdrowia

TP53 jest genem kodującym białko p53, często określane jako „strażnik genomu”. Zatrzymuje ono podział uszkodzonych komórek i uruchamia naprawę DNA lub apoptozę – zaprogramowaną śmierć komórek, która eliminuje komórki z niebezpiecznymi mutacjami. Gdy TP53 ulega uszkodzeniu, mechanizm ten zostaje osłabiony, co pozwala nieprawidłowym komórkom dzielić się w sposób niekontrolowany i zwiększa ryzyko rozwoju nowotworu. Zaburzenia genu TP53 występują w wielu typach nowotworów, w tym raku piersi, płuca i jelita grubego, a także białaczkach. Utrata prawidłowej funkcji p53 sprzyja niestabilności chromosomalnej, ułatwiając powstawanie tzw. złożonych kariotypów (zawierających wiele uszkodzonych chromosomów) obserwowanych w najbardziej agresywnych formach AML. Z tego powodu CK-AML z mutacją TP53 uznawana jest za odrębny biologicznie podtyp choroby posiadający własny, przyspieszony tryb rozwoju.

Ciekawość naukowa napędzana potrzebami pacjentów

Dla pierwszej autorki pracy, Anny Fedenko z Laboratorium Biologii Strukturalnej IIMCB, projekt wpisuje się w naukowe zainteresowanie mechanizmami molekularnymi złożonych nowotworów. Gdy prof. Matthias Bochtler, kierownik Laboratorium Biologii Strukturalnej i autor korespondencyjny publikacji, zaproponował badanie oparte na sekwencjonowaniu mutacji TP53 w kontekście CK-AML, decyzja badaczki o dołączeniu do projektu była natychmiastowa. – Wiedziałam, że chcę wziąć udział w tym badaniu i doprowadzić je do końca, ponieważ interesuję się medycyną precyzyjną i jej ogromnym potencjałem w przekładaniu odkryć naukowych na bezpośrednie korzyści dla pacjentów – mówi Anna Fedenko.

Strategia łącząca sekwencjonowanie i modelowanie

Praca nad rzadką chorobą wiązała się z ograniczeniami wynikającymi z niewielkiej grupy pacjentów, jednak zastosowana strategia analityczna pozwoliła zespołowi pozyskać znacznie więcej informacji niż początkowo oczekiwano. Próbki szpiku kostnego pobrane od chorych analizowano metodą sekwencjonowania nowej generacji (NGS) w oparciu o infrastrukturę badawczą IN-MOL-CELL Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie oraz GCF Centrum Nowych Technologii, co umożliwiło jednoczesne wykrycie mutacji punktowych oraz aberracji chromosomalnych w ramach jednej analizy. Dane połączono z prostym modelowaniem matematycznym, które pozwoliło oszacować odsetek komórek niosących określone mutacje TP53 oraz zmiany liczby kopii tego genu (z ang. copy-number alterations). Porównując częstości wariantów alleli (VAF) ze zmiennością liczby kopii (CNV), badacze określili kolejność, w której następowały poszczególne zdarzenia genetyczne. Jest to proces, który trudno bezpośrednio zaobserwować u pacjentów.

Białaczka z mutacją TP53 jako odrębna jednostka chorobowa

Kluczowym momentem badań było połączenie wielowarstwowej analizy w spójny obraz. – Dostrzeżenie, że wszystkie elementy układają się w całość i rodzą wiele nowych pytań było jednym z najbardziej satysfakcjonujących etapów tej pracy – wspomina Anna Fedenko. Badania wpisały się w przekonanie, że ostra białaczka szpikowa charakteryzująca się mutacją TP53 i złożonym kariotypem stanowi odrębny podtyp AML, o unikalnej patofizjologii i charakterystycznej kolejności zaburzeń genetycznych. Odrębna klasyfikacja CK-AML może poprawić diagnostykę oraz sposób leczenia AML, a także usprawnić ocenę rokowania i zagrożeń dla dotkniętych nią pacjentów. Ponadto pogłębiona analiza sekwencji zdarzeń prowadzących do całkowitej inaktywacji TP53 może pomóc w opracowaniu nowych terapii ukierunkowanych na mechanizmy przywracania funkcji tego niezwykle ważnego genu.

Fot. Gen TP53, kluczowy strażnik ludzkiego genomu, wymaga dwóch zdrowych kopii, aby prawidłowo funkcjonować. W przypadku ostrej białaczki szpikowej ze złożonym kariotypem CK-AML często dochodzi do utraty obu kopii (alleli) genu TP53, co powoduje poważne uszkodzenie genomu. Badanie IIMCB pokazuje częsty przebieg tego uszkodzenia. Najpierw dochodzi do mutacji jednej kopii genu TP53, co osłabia jego zdolność do ochrony DNA. Następnie mutacja sprzyja usunięciu drugiej, nadal zdrowej kopii genu TP53. W tym momencie komórka nie ma już sprawnego genu TP53. Bez TP53 genom staje się niestabilny. W rezultacie pojawia się wiele dodatkowych zmian w DNA, takich jak brakujące fragmenty chromosomów, dodatkowe kopie lub nieprawidłowe pękanie i ponowne łączenie chromosomów. Te liczne zmiany razem powodują chaos genomowy, który nazywamy złożonym kariotypem. Źródło: IIMCB

Potencjalne korzyści z badań:

* hematologia, onkologia kliniczna, genetyka nowotworów – lepsze zrozumienie znaczenia prognostycznego mutacji TP53 oraz częstości ich występowania w szpiku kostnym i krwi,

* diagnostyka – krok w kierunku opracowania testów genetycznych oraz narzędzi bioinformatycznych rekonstruujących sekwencję zaburzeń genetycznych w ewolucji nowotworu,

* bioinformatyka – zastosowanie modelu prognozującego kolejność zdarzeń molekularnych w rozwoju białaczki,

* farmakologia – w szczególności dla zespołów opracowujących terapie celowane przeciwko mutacjom TP53 występującym w najcięższych nowotworach.

Potrzeba dalszych badań

Naukowcy z IIMCB podkreślają, że uzyskane przez nich wyniki nie stanowią przełomu w leczeniu ostrej białaczki szpikowej. Zmiany w protokołach diagnostyki i leczenia białaczek wymagają pogłębionych, długoterminowych badań, które pozwolą na potwierdzenie ewolucji CK-AML, jak również badań klinicznych, które ocenią potencjalne skutki terapeutyczne. – Być może, jeśli nauczymy się ponownie „włączać” TP53, pewnego dnia uda się zapobiec śmiertelnym chorobom lub zatrzymać ich przebieg, jednak wymaga to znacznie głębszych badań. Dla mnie ta praca jest kroplą w wielkim morzu odkryć i tego, co dopiero czeka na odkrycie, lecz nie byłoby morza bez tych małych kropli – pojedynczych skrawków wiedzy, które się na nie składają. Ten skumulowany wzrost jest istotą badań podstawowych – podsumowuje pierwsza autorka badania.