CZYM JEST GENOM? NOWOTWÓR JAKO CHOROBA GENOMU
2022-11-14
Dr n. med. Paula Dobosz z Zakładu Genetyki i Genomiki Centralnego Szpitala Klinicznego MSWiA w Warszawie, redaktor naczelna czasopisma „Genetyka" przedstawia definicję genomu, a także mówi o praktycznym wykorzystaniu poznania ludzkiego genomu, o tym jak rozwój genetyki wpłynął na współczesną onkologię, o możliwościach, jakie daje badanie profilowania guza u pacjenta i o korzyściach dla systemu ochrony zdrowia w Polsce, jakie niesie wprowadzenie nowoczesnej diagnostyki genetycznej.
Czym jest genom?
Genom to całe DNA, które znajduje się w naszych komórkach, albo znajduje się, np. w jednym pojedynczym wirusie. Genomem jest wszystko to, co jesteśmy w stanie znaleźć w pojedynczej komórce naszego ciała. Jest to całe nasze DNA bez podziału na geny, na osobne elementy regulatorowe, na inne części.
Chcąc przedstawić metaforycznie genom, można posłużyć się obrazem sosny. Jeśli wyobrazimy sobie pojedynczą igłę tej sosny jako jeden jej gen, to cała sosna, wszystkie jej igły, pień, gałęzie, korzenie łącznie będą genomem sosny. Rozwijając dalej tę metaforę, można powiedzieć, że każdy kto był w lesie, widział tam wiele sosen podobnych do siebie, równie pięknych, ale różnych. Dokładnie tak samo wyglądają nasze genomy, czyli tak samo, jak nie znajdziemy w lesie dwóch identycznych sosen, tak samo nie będzie dwóch takich samych ludzkich genomów. Te różnice są piękne, ale bywają również problematyczne, ponieważ z tych różnic wynikają także choroby, z którymi borykamy się na co dzień.
Historia odkrycia ludzkiego genomu
Za największe odkrycie XXI wieku w medycynie, uznano opisanie ludzkiego genomu. Było to ogromne, gigantyczne odkrycie, zwłaszcza jeśli przypomnimy sobie, jakimi możliwościami technologicznymi dysponowaliśmy kilka dekad temu. Obecnie uważa się, że w publikacji z pierwszego okresu badań brakło sekwencji nawet 15% ludzkiego genomu. Były to takie regiony naszego genomu, które są trudne do sekwencjonowania, choćby dlatego, że mają bardzo dużo powtórzeń tego samego nukleotydu (literki) C albo G, więc powstawały przerwy, zapisywane przez urządzenia w losowy sposób.
Następna wersja ludzkiego genomu, którą używaliśmy przez wiele lat jako genom referencyjny człowieka, powstała w 2013 roku. Wtedy też opisano 92% ludzkiego genomu. W kwietniu bieżącego roku ukazała się kolejna wersja genomu człowieka, która jest obecnie obowiązująca, co nie znaczy, że jest to wersja kompletna, ponieważ cały czas brakuje około 0,03%.
Najnowsze doniesienia genomików wskazują także, że przebadana już sekwencja ludzkiego genomu wciąż może zawierać błędy, co wynika z niedoskonałości wcześniejszych metod sekwencjonowania. Skoro obecnie dysponujemy lepszymi metodami sekwencjonowania, a przede wszystkim ogromną mocą obliczeniową superkomputerów, które są w badaniach genomicznych niezbędne, uznano, że sekwencjonowanie ludzkiego genomu powinno być przeprowadzone jeszcze raz. Taka weryfikacja jest właśnie prowadzona.
Co dowiedzieliśmy się z analiz genomu człowieka i neandertalczyka?
Poznanie ludzkiego genomu, a także poznanie genomu naszych człekokształtnych praprzodków, przekłada się na wiedzę, która ma zastosowanie we współczesnej medycynie.
W 2010 r. zsekwencjonowano po raz pierwszy genom neandertalczyka. Była to - podobnie jak w przypadku ludzkiego genomu - prawie pełna sekwencja. Było to także wielkie naukowe osiągnięcie, ponieważ archaiczne DNA jest bardzo pofragmentowane. Jest to materiał, który przetrwał tysiące lat i był wystawiony na działanie czynników atmosferycznych, co sprawiło, że jest to poszatkowany genom. Potrzebne były superkomputery, rozwój technologii IT, aby połączyć te wszystkie fragmenty w jedną całość. Dokonał tego zespól tegorocznego noblisty, szwedzkiego naukowca doktora Svante Pääbo.
Co udało się dzięki temu odkryciu dowiedzieć? M.in. dowiedzieliśmy się, że nasi przodkowie na pewnym etapie swojego rozwoju skrzyżowali się z neandertalczykami i ślady tych krzyżówek mamy do dzisiaj w swoich genomach; jest to mniej więcej około 1 do 4% naszego genomu. Udało się też ustalić, że były to dwie osobne linie istot człekokształtnych, które koegzystowały obok siebie przez pewien czas na terenie Eurazji. Nie było to takie jasne przed tym odkryciem. Dzięki analizom gnomów neandertalczyków i człowieka rozumnego, udało się ostatecznie potwierdzić, że są to dwie osobne linie istot człekokształtnych.
Z analizy genomu neandertalczyka dowiedzieliśmy się też, że duża część genów odpowiedzialnych za rozwój naszego układu immunologicznego, za ochronę przed ciężkim przebiegiem pewnych chorób, to właśnie spuścizna po neandertalczykach. To rodzaj bonusu, jaki otrzymaliśmy od natury dzięki temu, że nasi przodkowie krzyżowali się z neandertalczykami. Przykładem tego są pewne wersje genów OAS1, OAS2 i OAS3, które mają wpływ na ochronę przed ciężkim przebiegiem choroby COVID 19. Warto zauważyć, że nie dowiedzielibyśmy się o tych genach i ich funkcji tak wiele, gdyby nie pandemia koronawirusa i wiele prowadzonych wtedy badań.
Praktyczne wykorzystanie poznania ludzkiego genomu
Onkologia jest tą częścią medycyny, która zyskuje najwięcej na rozwoju genomiki. Na drugim miejscu są choroby rzadkie, z których pewna część to także choroby onkologiczne.
W chorobach rzadkich często istnieją podejrzenia, że ich objawy mają podłoże genetyczne. Do niedawna trudno było znaleźć te konkretne miejsca, te konkretne punkty, które się popsuły. Dopiero rozwój genomiki, rozwój nowoczesnych narzędzi bioinformatycznych, które analizują genomy pacjentów pozwolił takie informacje wydobyć. Na początku tego roku w Anglii obliczono, że dzięki temu, co obecnie już wiemy, dzięki zastosowaniu analizy całego genomu, w chorobach rzadkich jesteśmy w stanie zdiagnozować o 30% więcej pacjentów z dotychczas niezdiagnozowanymi chorobami.
Podobnie jest w onkologii, gdzie wiedza z zakresu genetyki jest wykorzystywana nie tylko w diagnostyce, ale jest niezbędna w zastosowaniu konkretnych terapii celowanych. Okazało się, że sekwencjonowanie całego genomu guza i dopasowanie leczenia do pacjenta, czyli to co nazywamy medycyną spersonalizowaną, podnosi nam szanse wyleczenia lub skutecznego leczenia danego nowotworu aż o 34 %. Jest to wielki postęp w rozwoju onkologii, który dokonał się za sprawą genetyki.
Dziś wiemy, że nie tylko lokalizacja guza, lecz również obecność mutacji genowych sprawia, że wdrożenie konkretnego leku może być bardziej skuteczne, dlatego nowoczesne leczenie nowotworów opiera się na terapiach celowanych i immunoterapiach. W przypadku rozpoznania choroby wraz z uwzględnieniem profilu molekularnego nowotworu istnieje możliwość kwalifikacji pacjenta do leczenia celowanego lub immunoterapii, które charakteryzują się wyższą skutecznością oraz lepszymi profilami bezpieczeństwa od klasycznej chemioterapii.
Podejście onkoagnostyczne
W związku z rozwojem genomiki zmieniła się też definicja nowotworu, który jeszcze w drugiej połowie XX wieku był definiowany jako guz niewiadomego pochodzenia, nie znaliśmy przyczyny jego powstania. W tej chwili nowotwór definiujemy jako chorobę genomu.
Także dotychczasowa klasyfikacja nowotworów oparta o typologię narządową, czyli np. rak piersi, rak płuca czy rak nerki, zmierza w kierunku klasyfikacji opartej na powiązaniu choroby nowotworowej z występowaniem określonych mutacji w genach. Wyróżniamy np. nowotwory BRCA-zależne, które występują w piersi, jajnikach, gruczole krokowym czy trzustce. Także w guzach mózgu taka klasyfikacja genetyczna jest szeroko stosowana.
Obecnie coraz częściej stosuje się podejście onkoagnostyczne. Polega ono na tym, że nie interesuje nas tkanka narządowego pochodzenia nowotworu, ale to, co dane komórki mają w swoim środku, w swoim genomie i to, jakie tam zaszły zmiany, mutacje. To podejście bierze się stąd, że bardzo często różne nowotwory, o diametralnie różnym pochodzeniu, jeśli chodzi o tkankę czy narząd, mają dokładnie te same mutacje. Np. jeśli chodzi geny BRCA1 czy BRCA2, albo BRAF, jest tak, że mamy leki, które celują dokładnie w te zmiany.
Podejście onkoagnostyczne jest czymś nowym w onkologii, ale jest już stosowane, jest to już naszą teraźniejszością. Możemy i powinniśmy już teraz tak leczyć pacjentów. Nie we wszystkich placówkach jest praktykowane takie podejście, ale nie wynika to ze złej woli lekarzy specjalistów, to raczej system bardzo wolno reaguje na zmiany. Nasza wiedza jest już o wiele dalej w porównaniu z tym, co mamy w zapisach czy regulacjach. Ale i te zmiany są też kwestią najbliżej przyszłości.
Czy zawsze potrzebne jest profilowanie całego genomu guza?
Nie zawsze potrzebne jest badanie całego genomu guza, ponieważ jest to gigantyczne zadanie, w które zaangażowany jest cały sztab ludzi, m.in. genetycy, diagności i bioinformatycy. Do jego wykonania potrzebne są duże nakłady pracy, finansów i czasu. Poza tym nie zawsze konieczne jest przebadanie całego genomu guza, żeby dowiedzieć się wszystkiego, co jest potrzebne od strony klinicznej, aby podjąć odpowiednią decyzję co do leczenia pacjenta. Czasami wystarczy wykonać sekwencjonowanie niewielkiego fragmentu, żeby dowiedzieć się, co zadziało się w jednym, dwóch czy kliku genach i to już wskaże, jaką terapię powinno się zastosować.
Jakim innym celom może służyć profilowanie genomu guza?
Profilowanie genomu guza służy nie tylko celom diagnostycznym czy terapeutycznym. Wykonując sekwencjonowanie całego genomu można wyczytać z wyniku tego badania znacznie więcej informacji medycznych o osobie, której genom badamy. Są to informacje nie tylko na temat chorób, które już istnieją u tej osoby.
Często dzieje się to podczas projektów naukowych badania genomów. Analizując całościowo genom uczestnika badania naukowcy starają się przy tej okazji i za zgodą tej osoby dowiedzieć o mutacjach predysponujących ją do zachorowania na określone choroby w przyszłości, np. choroby kariologiczne czy neurologiczne. O potencjalnym zachorowaniu na te choroby nie wiemy, kiedy jesteśmy młodzi, ale w gnomie mamy zapsiane wyższe ryzyko zachorowania na nie w przyszłości.
Przygotowanie takiej prognostyki nie zawsze jest proste, ponieważ nie wszystkie choroby są uwarunkowane jednogenowo i często jest to nałożenie, suma kilku wariatów, albo bardzo wielu wariantów genów. Jednak mimo tych trudności, wykonując sekwencjonowanie całego genomu, badacze starają się również uzyskać informacje prognostyczne i przekazć je uczestnikowi, kiedy je znajdą. Na szczęście to jest rzadkość. W projekcie badania 1000 genomów polskich było kilkunastu pacjentów, którzy przy okazji tego badania uzyskali ciekawe informacje na temat tego, co znajduje się w ich ciele i jakie mogą dalej podjąć kroki, aby zapobiec wystąpieniu potencjalne śmiertelnych chorób w przyszłości.
Często jest tak, że informacje prognostyczne nie są istotne dla samego pacjenta, poneważ jest on jedynie nosicielem jakiegoś szkodliwego wariantu genu lub jest już osobą dorosłą, która nie zachorowała do tej pory na tę chorobę. Ważne jest to, kiedy pacjent planuje mieć potomstwo. W takim przypadku informacje z całego genomu, będą istotne również dla planowania rodziny, dla przyszłości tej osoby i jej potomstwa. W przypadku profilowania całego genomu u pacjentów onkologicznych, takie informacje można też dostarczyć.
Odpowiedź na leki a badanie genomu
Dostarczając wyniki badania genomu guza, wyniki dotyczące terapii celowanych można uszykać istotną informację związaną ze skutecznością leczenia danym lekiem. Są to niewątpliwe plusy dotyczące wykonywania badania całego genomu w porównaniu z badaniem wybranych genów.
Jesteśmy w stanie z genomu człowieka, z genomu guza nowotworowego pacjenta otrzymać informacje na temat podatności tego guza na pewne, konkretne metody leczenia. Jest bardzo istotne, ponieważ w procesie leczenia, zyskujmy czas i oszczędność środków. Jest to bardzo ważna informacja i wartość we współczesnym świecie. Mając taką wiedzę nie podaje się pacjentowi leków, o których wiadamo, że na nie odpowie.
Specyfika badań genomowych i genetycznych
W przypadku genetyki, w przypadku zaawansowanych badań genetycznych trzeba podkreślać na każdym kroku, że te badania nie są rutynową procedurą i mają specyfikę. Nie ma możliwości uzyskania tak szybko wyniku, jak w przypadku zwykłego testu laboratoryjnego, np. bdania morfologii krwi obwodowej.
Wykonując badanie genomu, badanie genetyczne do każdego pacjenta, do każdej próbki podchodzi się indywidualnie. Potrzebny jest do tego zespół specjalistów i odpowiednia sekwencja działań. W laboratorium dzieje się 10-15% badania genetycznego. Pozostała część tego procesu to obróbka bioinformatyczna, którą wykonują specjaliści od IT, przy pomocy superkomputerów.
Przebadanie materiału genetycznego to jedna rzecz, a jego analiza i wnioski to kolejne zadanie. Tak jak mówimy o leczeniu personalizowanym możemy mówić o diagnostyce personalizowanej, bardzo precyzyjnie prowadzonej pod kątem określonej osoby.
Aktualna sytucja badań genomu i badań genetycznych w Polsce
Wykonywanie: badań profilu guza, paneli badań genetycznych związanych z określonym nowotworem czy wielogenowych badań genetycznych jest obecnie niezbędne w diagnozowaniu i leczeniu pacjentów. Takie badania są potrzebne nie tylko pacjentom pediatrycznym, co zakłada Fundusz Medyczny, ale i dorosłym pacjentom onkologicznym.
Na poziomie doświadczalnym dysponujemy sprzętem, mamy specjalistów możemy prowadzić badania kliniczne. Jednak to nie jest powszechna praktyka wykonywania badań genetycznych, tak jak w innych krajach. Anglia, która pod względem genomiki jest światowym liderem mogłaby być dla nas wzorem. Anglicy jako pierwsi zdecydowali się wprowadzić genomikę do praktyki klinicznej. Nie bali się wykonać tego odważnego ruchu i dać lekarzom możliwość decyzji, czy dla danego pacjenta potrzebne jest wykonanie podstawowego badania sekwencjonowania jednego genu, czy też może wykonanie panelu genetycznego, czy też może od razu badania całego genomu.
Wielka Brytania zdecydowanie przoduje w obszarze badań genomu; kiedy my zajmujemy się ledwo 1000 polskich genomów, Brytyjczycy mają przebadane ponad 100 tys. genomów. T Wielka Brytania jest tym krajem, od którego powinniśmy się uczyć. Co zresztą się dzieje, choć zbyt wolno, jak na potrzeby naszych pacjentów.