Er alle kræftceller ens?

Tag to kræftceller, og sammenlign deres genomer. Overraskende nok kan de være ret forskellige.

Denne genetiske variation er et af kendetegnene ved kræft og en af grundene til, at det er så svært at behandle sygdommen.

Hvis en tumor består af celler med mange forskellige genomer, vil en enkelt type medicin muligvis ikke slå dem alle ihjel. Men indsigt i den genetiske variation kan gøre os i stand til at udvikle målrettede behandlinger.

Som en del af vores forskning har vi fastgjort en enkelt kræftcelle på en plastikchip, udvundet dens DNA og produceret et grovkornet billede af dens DNA-sekvens.

Vores resultater er publiceret i tidsskriftet ‘Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America’ (PNAS).

Optisk kortlægning af DNA fra en enkelt celle

Vi anvendte en teknik kaldet optisk kortlægning, som giver information om genomet i stor målestok.

Det fungerer som et verdenskort med skove, søer og bjerge, men uden de finere detaljer som veje, huse og små byer.

Ved at sammenligne optiske kort fra en enkelt celle med et referencekort for den gennemsnitlige menneskecelle, kan vi udpege forskellene mellem dem.

Denne information kan hjælpe med til at afdække genomisk heterogenitet – altså, hvor store genetiske forskelle, der er - indeni en tumor.

Det kan endda indikere, hvordan celler har udviklet sig til tumorer.

Optisk kortlægning af DNA ud fra en enkelt celle består af fire trin:

1. Først opsamler vi en celle og udvinder lange fragmenter af dens DNA.
2. Så farver vi DNA-fragmenterne med et fluorescerende farvestof.
3. Derefter opvarmer vi DNA-molekylerne. Farven klæber bedre nogle steder end andre, alt afhængigt af DNA-sekvensen. Dette efterlader et stregkodelignende mønster på molekylerne.
4. Til sidst strækker vi molekylerne og tager billeder af dem under et mikroskop for at aflæse ‘stregkoderne’.

Vi udviklede en billig plastikchip, som var i stand til at integrere alle fire trin. Trinnene er vist i figuren herunder.

‘Stregkoden’ fungerer som et fingeraftryk: Den identificerer, hvilken del af referencegenomet som et DNA-molekyle er tæt beslægtet med. Og den kan endda afsløre forskelle mellem det DNA-molekyle, som er afbilledet, og referencegenomet.

DNA-sekventering versus optisk kortlægning

Så hvorfor anvende optisk kortlægning og ikke bare den sædvanlige DNA-sekventering, som du måske allerede er fortrolig med?

De sædvanlige DNA-sekventeringsmetoder har den fordel, at de kan identificere alle basepar i et DNA-molekyle. Med tilstrækkeligt mange celler kan man sekventere hele det menneskelige genom – omkring seks millioner basepar – i løbet af få dage.

Men det er udfordrende at sekventere blot en enkelt kopi af det menneskelige genom. Og det er alt, hvad vi har, når vi begynder med en enkelt celle.

En af udfordringerne består i, at de sædvanlige DNA-sekventeringsmetoder kræver adskillige kopier af genomet. Eftersom der kun er en kopi af genomet i hver celle, så er første skridt at kopiere genomet flere gange.

Det kaldes DNA-amplificering og gøres ved at følge kendte kemiske protokoller. Men kopieringsfejl sker jævnligt, og det kan forvrænge resultaterne.

En anden udfordring består i, at hver kopi af DNA-molekylet bliver skåret tilfældigt op i mindre stykker, som bare er få hundrede basepar lange. Disse stykker bliver derefter sekventeret. Resultatet, de såkaldte ‘læse-sekvenser’, bliver så samlet til et helt genom ved at parre delvist overlappende læsesekvenser.

Dertil kommer, at det er meget svært at opdage strukturelle variationer, som for eksempel gentagne mønstre eller indsatte/manglende sekvenser, som er længere end læsesekvenserne, det vil sige få hundrede basepar.

Men det er netop denne form for strukturel information, som kan vise sig at være nyttig i udvælgelsen af kræftbehandlinger.

Der er, i det mindste i teorien, en mere oplagt og effektiv måde at aflæse DNA-sekvensen.

Genomet er kodet på 48 DNA-molekyler, der består af fibre som er to nanometer tykke og op til otte centimeter lange. Så hvorfor ikke bare aflæse DNA-sekvensen fra den ene ende til den anden?

Optisk kortlægning leverer et 'fingeraftryk'

Optisk kortlægning gør næsten dette: Den leverer et skitseagtigt ‘fingeraftryk’ af den bagvedliggende DNA-sekvens af DNA-molekyler, som er op til en million basepar lange. Det vil sige meget længere end de korte læsesekvenser, man får ved DNA-sekventering.

Og optisk kortlægning undgår også de amplificeringstrin, som er nødvendige for DNA-sekventering.

De lange fragmenter gør det muligt at opspore strukturelle variationer der er fra få tusind og op til flere hundredetusind basepar lange. Kortere strukturelle variationer kan findes med DNA-sekventering.

De to metoder (sekventering og kortlægning) er altså komplementære. Og det samme DNA-molekyle kan, i princippet, både blive optisk kortlagt og derefter sekventeret.

Mod en mere effektiv og individualiseret kræftbehandling

Evnen til at sekventere genomet på enkeltcelle-niveau kan føre til en mere effektiv og individualiseret kræftbehandling.

Men, som vi forklarede ovenfor, sekventering af DNA fra en enkelt celle er stadig krævende, når man anvender eksisterende sekventerings-teknikker.

Vi har for første gang demonstreret, at optisk kortlægning kan opspore storskala genetiske variationer i et DNA-molekyle, som er taget fra en enkelt celle. Og vi gør det uden de amplificeringstrin, som DNA-sekventeringsmetoder kræver.

Hele processen blev udført på et engangs-’laboratorium-på-en-chip’, hvor vi startede med en enkelt celle og sluttende med anvendelige, genomiske data.

Dette er et vigtigt teknologisk aspekt af vores arbejde, eftersom plastikchippen reducerer brugen af dyre kemikalier og minimerer risikoen for forurening af prøven.

For at gøre det helt klart, så er vores arbejde stadig i forskningsfasen. Vores løsning er endnu ikke klar til brug på hospitalerne, og udfordringen er nu at kunne analysere flere DNA-molekyler ad gangen. Målet er at kortlægge al DNA fra en enkelt celle.

Denne artikel er oversat af Lisbeth Lassen. Læs denne artikel på engelsk på søstersite ScienceNordic.