Колоректальный рак является третьим по распространенности раком в мире и, по оценкам, вызывает около 700 000 смертей ежегодно. Метастазы из-за позднего обнаружения — одна из основных причин смертности от этого заболевания; поэтому чувствительный и ранний индикатор может стать важным инструментом для врачей и пациентов.Документ с описанием новой техники обнаружения в настоящее время опубликован в журнале Chemistry. Биология и будет опубликована 23 июля в печатном выпуске журнала.
Авторами статьи являются аспирант Калифорнийского технологического института Ариэль Ферст (доктор философии ’15) и ее советник, Жаклин К. Бартон, профессор химии в Мемориале Артура и Мариан Ханиш.«В настоящее время средний размер биопсии, необходимый для колоректальной биопсии, составляет около 300 миллиграммов», — говорит Ферст. «С нашей экспериментальной установкой нам требуется всего около 500 микрограммов ткани, которые можно было бы взять с помощью шприцевой биопсии по сравнению с пункционной биопсией. Так что это будет гораздо менее инвазивно». Один микрограмм — это одна тысячная миллиграмма.
Исследователи сосредоточили внимание на активности белка DNMT1 как возможного индикатора раковой трансформации. DNMT1 — это метилтрансфераза, фермент, отвечающий за метилирование ДНК — добавление метильной группы к одному из оснований ДНК. Этот важный и нормальный процесс представляет собой метод генетического редактирования, который в первую очередь отключает гены, но также недавно был идентифицирован как ранний индикатор рака, особенно развития опухолей, если процесс идет не так.Когда все работает хорошо, DNMT1 поддерживает нормальный паттерн метилирования, установленный на эмбриональных стадиях, копируя этот паттерн с родительской цепи ДНК на дочернюю цепь.
Но иногда DNMT1 выходит из строя, и метилирование становится чрезмерным, вызывая так называемое гиперметилирование. Гиперметилирование может привести к подавлению генов, которые обычно выполняют полезные функции, например подавляют рост опухолей или экспрессируют белки, которые восстанавливают поврежденную ДНК, что, в свою очередь, может привести к раку.Основываясь на предыдущей работе в группе Бартона, Ферст и Бартон разработали электрохимическую платформу для измерения активности DNMT1 в неочищенных образцах ткани — тех, которые содержат весь материал ткани, а не только ДНК или РНК, например.
По сути, конструкция этой платформы основана на концепции ДНК-опосредованного переноса заряда — идее о том, что ДНК может вести себя как провод, позволяя электронам проходить через него, и что проводимость этого провода ДНК чрезвычайно чувствительна к ошибкам в сама ДНК. Бартон получила Национальную медаль науки 2010 года за свою работу по созданию этой области исследований и продемонстрировала, что ее можно использовать не только для определения местоположения мутаций ДНК, но и для обнаружения присутствия белков, таких как DNMT1, которые связываются с ДНК.
В настоящем исследовании Ферст и Бартон начали с двух массивов золотых электродов — один поверх другого — встроенных в тефлоновые блоки и разделенных тонкой прокладкой, образующей лунку для раствора. Они прикрепили нити ДНК к нижним электродам, а затем добавили разрушенное содержимое образца ткани в лунку с раствором. После предоставления времени любому DNMT1 в образце ткани для метилирования ДНК, они добавили рестрикционный фермент, который разорвал ДНК, если метилирование не произошло, то есть если DNMT1 был неактивен. Когда они подавали ток на нижние электроды, образцы с активностью DNMT1 пропускали ток через верхние электроды, где активность могла быть измерена.
«Отсутствие метилирования означает сокращение, а это означает, что сигнал отключается», — объясняет Ферст. «Если DNMT1 активен, сигнал остается включенным. Поэтому мы называем это анализом включения сигнала для активности метилирования. Но помимо включения или выключения, он также позволяет нам измерить количество активности».
Этот анализ активности DNMT1 был впервые разработан в группе Бартона Натали Мурен (доктор философии ’13).Используя новую установку, исследователи измерили активность DNMT1 в 10 парах образцов тканей человека, каждый из которых состоит из образца колоректальной опухоли и прилегающей здоровой ткани от одного и того же пациента. Когда они сравнивали образцы в каждой паре, они неизменно обнаружили значительно более высокую активность DNMT1, гиперметилирование в опухолевой ткани. Примечательно, что они обнаружили небольшую корреляцию между количеством DNMT1 в образцах и наличием рака — корреляция была с активностью.
«Анализ обеспечивает надежную и чувствительную меру гиперметилирования», — говорит Бартон, также заведующий отделом химии и химической инженерии. «Похоже, гиперметилирование является хорошим индикатором туморогенеза, поэтому этот метод может обеспечить полезный путь к раннему выявлению рака, когда задействовано гиперметилирование».Заглядывая в будущее, группа Бартона надеется использовать тот же общий подход при разработке тестов для других ДНК-связывающих белков и, возможно, с использованием чувствительности своих электрохимических устройств для измерения активности белков в отдельных клетках. Такая платформа могла бы даже открыть возможность недорогих портативных тестов, которые можно было бы использовать в домашних условиях для выявления колоректального рака на самых ранних, наиболее поддающихся лечению стадиях.
Работа, описанная в статье «Электрохимия ДНК показывает гиперактивность метилтрансферазы DNMT1 в колоректальных опухолях», была поддержана Национальными институтами здравоохранения.