Plus de gènes impliqués dans le cancer que prévu.

A new study led by Cedars-Sinai investigators dramatically illustrates the complexity of cancer by identifying more than 2,000 genetic mutations in tissue samples of esophageal tumors. The findings reveal that even different areas of individual tumors have various genetic patterns.

The study results, published in the journal Nature Genetics, help explain why it is so difficult to battle cancer by targeting a specific genetic defect. A surgeon who performs a single biopsy on a patient's tumor can decode only part of the tumor and its genetic variations. Additionally, cancer cells constantly change their makeup.

"A tumor is not a single disease," said Dechen Lin, PhD, assistant professor and research scientist in the Division of Hematology and Oncology in the Cedars-Sinai Department of Medicine. "It's many diseases within the same person and over time. There are millions of cells in a tumor, and a significant proportion of them are different from each other." Lin was the project coordinator for the multicenter study.

The cancer that the team studied, esophageal squamous cell carcinoma, is especially difficult to treat. The disease attacks the esophagus, the hollow tube that connects the throat to the stomach. The five-year survival rate for patients with esophageal cancer is about 20 percent, according to the American Cancer Society.

To create their catalog of mutations, the study's investigators called on high-powered computers to compile genetic data on 51 tumor samples taken from 13 patients. Through complex algorithms, they analyzed both the genes and the processes, known as epigenetics, that turned the genes' activities on and off within the cancer cells.

Using these techniques, the investigators identified 2,178 genetic variations in the sampled tumors. Dozens of the variations involved genes known to be associated with enabling the development of cancer. The most striking finding was that many important mutations were detected only in some areas of a tumor, highlighting the complexity of the cancer cells. This finding also demonstrated the potential for inaccurate interpretation of a cancer's genetic makeup using the single-biopsy method, which is the standard approach in the clinic.

Besides cataloging these genetic variations, the study's investigators reconstructed a "biography" of the tumors, showing when some of these variations first appeared in the life cycle of the disease.

"This study is on the leading edge of looking within a tumor for heterogeneity, or variations, across patients and within the same patient. It also is one of the very first studies to look at epigenetic changes from different areas within a single tumor in a global way," said Benjamin Berman, PhD, the study's co-senior author, an associate professor of Biomedical Sciences and co-director of the Cedars-Sinai Center for Bioinformatics and Functional Genomics.

To meet the challenge of integrating this diverse data, Huy Dinh, PhD, a project scientist in Berman's laboratory and one of the study's co-lead authors, developed innovative computational methods.

Looking ahead, the investigators plan to apply their analytic techniques to other cancers and explore the significance of the genetic and epigenetic changes that they have so far identified. They view their work as fundamental to developing effective, individualized therapies to combat the drug resistance that many cancer patients face during the course of their disease.

"Evidence suggests that tumor heterogeneity is one of the major causes of drug resistance and treatment failure in cancer," said H. Phillip Koeffler, MD, professor of Medicine and the Mark Goodson Chair in Oncology Research at Cedars-Sinai. "In light of this situation, deciphering the genomic diversity and evolution of tumors can provide a basis for identifying new targets and designing personalized medicine strategies." Koeffler was the other co-senior author of the study.

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Une nouvelle étude menée par les chercheurs Cedars-Sinai illustre de façon spectaculaire la complexité du cancer en identifiant plus de 2000 mutations génétiques dans des échantillons de tissus de tumeurs œsophagiennes. Les résultats révèlent que même différentes zones de tumeurs individuelles ont divers modèles génétiques.

Les résultats de l'étude, publiés dans la revue Nature Genetics, expliquent pourquoi il est si difficile de lutter contre le cancer en ciblant un défaut génétique spécifique. Un chirurgien qui effectue une seule biopsie sur la tumeur d'un patient peut décoder seulement une partie de la tumeur et ses variations génétiques. En outre, les cellules cancéreuses changent constamment leur maquillage.

«Une tumeur n'est pas une maladie unique», a déclaré Dechen Lin, Ph.D., professeur adjoint et chercheur scientifique à la Division d'hématologie et d'oncologie du département de médecine Cedars-Sinai. "Il y a beaucoup de maladies dans la même personne et au fil du temps. Il y a des millions de cellules dans une tumeur, et une proportion importante d'entre elles sont différentes les unes des autres." Lin était le coordinateur du projet pour l'étude multicentrique.

Le cancer que l'équipe a étudié, le carcinome épidermoïde œsophagien, est particulièrement difficile à traiter. La maladie attaque l'œsophage, le tube creux qui relie la gorge à l'estomac. Le taux de survie de cinq ans pour les patients atteints de cancer de l'œsophage est d'environ 20 pour cent, selon l'American Cancer Society.

Pour créer leur catalogue de mutations, les chercheurs de l'étude ont fait appel à des ordinateurs puissants pour compiler des données génétiques sur 51 échantillons de tumeurs prélevés chez 13 patients. Grâce à des algorithmes complexes, ils ont analysé à la fois les gènes et les processus, connus sous le nom d'épigénétique, qui ont activé les activités des gènes entre les cellules cancéreuses.

En utilisant ces techniques, les chercheurs ont identifié 2.178 variations génétiques dans les tumeurs échantillonnées. Des dizaines de variations impliquent des gènes connus pour être associés à la possibilité de développer le cancer. La découverte la plus frappante a été que de nombreuses mutations importantes ont été détectées que dans certaines zones d'une tumeur, mettant en évidence la complexité des cellules cancéreuses. Cette constatation a également démontré le potentiel d'interprétation inexacte de la composition génétique d'un cancer en utilisant la méthode de biopsie unique, qui est l'approche standard dans la clinique.

En plus de cataloguer ces variations génétiques, les chercheurs de l'étude ont reconstruit une «biographie» des tumeurs, montrant quand certaines de ces variations sont apparues dans le cycle de vie de la maladie.

«Cette étude est au premier plan de la recherche au sein d'une tumeur pour l'hétérogénéité, ou des variations, à travers les patients et au sein du même patient.Il est également l'une des premières études à examiner les changements épigénétiques de différentes zones au sein d'une seule tumeur dans un A déclaré Benjamin Berman, PhD, co-auteur principal de l'étude, professeur agrégé de sciences biomédicales et co-directeur du Centre Cedars-Sinai de bioinformatique et de génomique fonctionnelle.

Pour relever le défi de l'intégration de ces données diverses, Huy Dinh, Ph.D., chercheur scientifique au laboratoire de Berman et l'un des auteurs de l'étude, a développé des méthodes informatiques innovantes.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'appliquer leurs techniques analytiques à d'autres cancers et d'explorer l'importance des changements génétiques et épigénétiques qu'ils ont identifiés jusqu'à présent. Ils considèrent leur travail comme fondamental pour développer des thérapies efficaces et individualisées pour combattre la résistance aux médicaments avec laquelle beaucoup de patients atteints de cancer sont confrontés au cours de leur maladie.

«Les preuves suggèrent que l'hétérogénéité de la tumeur est l'une des principales causes de résistance aux médicaments et d'échec thérapeutique dans le cancer», a déclaré H. Phillip Koeffler, MD, professeur de médecine et Mark Goodson chaire de recherche en oncologie à Cedars-Sinai. "À la lumière de cette situation, déchiffrer la diversité génomique et l'évolution des tumeurs peut fournir une base pour l'identification de nouvelles cibles et la conception de stratégies de médecine personnalisée." Koeffler était l'autre co-auteur principal de l'étude.

For the first time, CRISPR-Cas9 gene-editing technology has been employed in a whole organism model to systematically target every gene in the genome. A team of scientists at the Broad Institute and MIT's David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research have pioneered the use of this technology to "knock out," or turn off, all genes across the genome systematically in an animal model of cancer, revealing genes involved in tumor evolution and metastasis and paving the way for similar studies in other cell types and diseases. The work appears online March 5 in Cell.

"Genome-scale guide RNA libraries are a powerful screening system, and we're excited to start applying it to study gene function in animal models," said co-senior author Feng Zhang, core member of the Broad Institute of MIT and Harvard, investigator at the McGovern Institute for Brain Research at MIT, and assistant professor in the MIT Departments of Brain and Cognitive Sciences and Biological Engineering. "This study represents a first step toward using Cas9 to identify important genes in cancer and other complex diseases in vivo."

"Tumor evolution is an extremely complex set of processes, or hallmarks, controlled by networks of genes," said co-senior author Phillip Sharp, Institute Professor at the Massachusetts Institute of Technology, board member at the Broad Institute, and member of the Koch Institute. "The in vivo application of gene-editing is a powerful platform for functional genomic discovery, offering a novel means to investigate each step in tumor evolution and identify the genes that regulate these hallmarks."

CRISPR-Cas9 gene-editing technology enables scientists to investigate the role of genes and genetic mutations in human biology and disease. The system can remove the function of genes at the DNA level, versus other genetic perturbations like RNA interference that "knock down" genes at the RNA level. Broad Institute scientists previously performed genome-wide screens using CRISPR-Cas9 technology in cellular models, but that approach does not capture the complex processes at play in a whole organism. For example, for cancer to metastasize, malignant cells must leave the primary tumor, enter blood vessels to travel to a distant site in the body, leave the blood vessels, and thrive in a new environment. Zhang and Sharp teamed up to search for genes involved in metastasis by applying CRISPR-Cas9 technology in a whole animal model.

In the new study, cells from a mouse model of non-small cell lung cancer (NSCLC) were treated with the Broad's pooled library of CRISPR guide RNAs targeting every gene in the mouse genome, known as the "mouse genome-scale CRISPR knockout library A" (mGeCKOa), along with the Cas9 DNA-cutting enzyme. The system introduces mutations into specific genes, disrupting their sequence and preventing the production of proteins from those genes. The approach ensured that in each cell, only a single gene was knocked out, and that all genes in the mouse genome were targeted by the heterogeneous population of cells in culture. The researchers then transplanted the cells into a mouse and found that cells treated with the knockout library formed highly metastatic tumors.

Using next-generation sequencing, the scientists were able to identify which genes were knocked out in the primary tumors and in the metastases, indicating that the genes are likely tumor suppressors that normally inhibit tumor growth but, when knocked out, promote it.

The results highlighted some well-known tumor suppressor genes in human cancer, including Pten, Cdkn2a, and Nf2, but included some genes not previously linked to cancer. Unexpectedly, the screen also implicated several microRNAs -- small RNA segments that are functional in the cell.

More experimental work remains to fully explore the genes and microRNAs uncovered in the screen. Metastatic tumors are rarely biopsied in the clinic, making samples for research scarce, but future inclusion of metastases in cancer sequencing studies will yield more insight on hits from this study.

Researchers can take the same in vivo approach described in the Cell paper to examine the effects of gene over-expression, to screen circulating tumor cells or other cell lines, and to explore other cancer phenotypes, such as cancer stem cells, host-environment interactions, and angiogenesis.

"Our work provides a proof-of-principle in vivo knockout screen for identification of genes regulating different routes and steps of tumor evolution," said Sidi Chen, co-first author and a postdoctoral fellow working in the Sharp lab.

The study also employed an efficient multi-level screening strategy, in which a smaller, more focused pool of guide RNAs is used to validate top gene hits. "After doing an unbiased, genome-wide screen, we designed a subpool library to quickly test many more targets than would otherwise be possible by targeting single genes in individual mice," said Neville Sanjana, co-first author and a postdoctoral fellow in the Zhang lab. "The subpool also lets us see how these different genetic mutations compete within the same tumor."

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Pour la première fois, la technologie du gène Cas9 CRISPR a été employée dans un modèle de l'organisme entier pour cibler systématiquement chaque gène dans le génome. Une équipe de scientifiques de l'Institut Broad et David H. Institut Koch du MIT ont lancé l'utilisation de cette technologie pour «knock outer», ou désactiver, systématiquement tous les gènes du cancer à travers le génome  dans un modèle animal, révélant les gènes impliqués dans l'évolution de la tumeur et des métastases et ouvrant la voie à des études similaires dans d'autres types cellulaires et de maladies. Le travail apparaît en ligne le 5 Mars dans "La Cellule".

"La bibliothèques d'ARN de guidage à l'échelle du génome est un système de dépistage puissant, et nous sommes ravis de commencer à l'appliquer pour étudier la fonction des gènes dans des modèles animaux," a déclaré le co-auteur principal Feng Zhang, membre de base du Broad Institute du MIT et de Harvard, chercheur à l'Institut de recherche sur le cerveau pour McGovern au MIT, et professeur adjoint aux départements MIT de Brain and Cognitive Sciences et Ingénierie biologique. «Cette étude représente une première étape vers l'utilisation de Cas9 pour identifier les gènes importants dans le cancer et d'autres maladies complexes in vivo."

«L'évolution de la tumeur est un ensemble extrêmement complexe de processus, ou de poinçons, contrôlés par des réseaux de gènes", a déclaré co-auteur principal Phillip Sharp, professeur Institut à l'Institut de Technologie du Massachusetts, membre du conseil de l'Institut Broad, et membre du Koch Institut. "L'application in vivo de l'édition de gènes est une puissante plate-forme de découverte génomique fonctionnelle, offrant un nouveau moyen d'enquêter sur chaque étape dans l'évolution de la tumeur et d'identifier les gènes qui régulent ces caractéristiques."

La technologie CRISPR-Cas9 permet aux scientifiques d'étudier le rôle des gènes et des mutations génétiques dans la biologie humaine et la maladie. Le système peut supprimer la fonction des gènes au niveau de l'ADN, par rapport aux autres perturbateurs génétiques comme l'ARN D'interférence qui les suppriment au niveau de l'ARN. Des scientifiques ont réalisé précédemment des tests à l'échelle du génome en utilisant la technologie CRISPR-Cas9 dans des modèles cellulaires, mais cette approche ne tient pas compte des processus complexes en jeu dans un organisme entier. Par exemple, pour le cancer de métastases, les cellules malignes doivent quitter la tumeur primaire, entrez dans les vaisseaux sanguins et se rendre à un site distant dans le corps, quitter les vaisseaux sanguins, et de prospérer dans un nouvel environnement. Zhang et Sharp se sont associés à la recherche de gènes impliqués dans la métastase en appliquant la technologie CRISPR-Cas9 dans un modèle animal entier.

Dans la nouvelle étude, les cellules à partir d'un modèle murin de cancer non à petites cellules du poumon (NSCLC) ont été traités avec la bibliothèque de guidage CRISPR ARN ciblant chaque gène dans le génome de la souris, connu sous le nom "l'échelle du génome bibliothèque CRISPR de souris knockout A "(mGeCKOa). Le système introduit des mutations dans des gènes spécifiques, ce qui perturbe leur séquence et arrête la production de protéines à partir de ces gènes. L'approche fait en sorte que dans chaque cellule, un seul gène a été éliminé, et que tous les gènes dans le génome de la souris ont été ciblés par la population hétérogène de cellules en culture. Les chercheurs ont ensuite transplanté les cellules dans une souris et ont découvert que les cellules traitées avec la bibliothèque de knock-out ont formé des tumeurs hautement métastatiques.

En utilisant le séquençage de seconde génération, les scientifiques ont pu identifier les gènes qui ont été assommé dans les tumeurs primaires et dans les métastases, ce qui indique que les gènes sont susceptibles d'être les suppresseurs de tumeurs qui inhibent normalement la croissance de la tumeur, mais quand assommé, la promeuve.

Les résultats ont mis en évidence certains gènes suppresseurs de tumeurs des bien connus dans le cancer humain, y compris Pten, CDKN2A et Nf2, mais inclus certains gènes pas déjà liés au cancer. De façon inattendue, l'écran aussi impliqué plusieurs microARN - de petits segments d'ARN qui sont fonctionnels dans la cellule.

Le travail plus expérimental reste à explorer pleinement les gènes et les microARN découverts dans le test. Les tumeurs métastatiques sont rarement l'objet d'une biopsie en clinique, faire des échantillons pour la recherche reste rare, mais l'inclusion future de métastases dans les études de séquençage du cancer donneront une meilleure idée de cette étude.

Les chercheurs peuvent prendre la même approche in vivo décrit dans le document pour la cellule et examiner les effets des gènes sur-exprimés, pour dépister les cellules tumorales circulantes ou d'autres lignées cellulaires, et d'explorer d'autres phénotypes cancéreuses, comme les cellules souches du cancer, les interactions entre  hôte et environnement et l'angiogenèse.

«Notre travail fournit une preuve de principe dans le test de Knock out  in vivo pour l'identification de gènes régulant différents itinéraires et étapes de l'évolution de la tumeur", a déclaré Sidi Chen, co-premier auteur et un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de travail Sharp.

L'étude a également employé une stratégie de dépistage multi-niveaux efficace, dans lequel une petite partie, plus ciblée des ARN de guidage est utilisé pour valider le repérage de gènes. "Après avoir fait un test impartiale, à l'échelle du génome, nous avons conçu une bibliothèque de sous-groupe pour tester rapidement beaucoup plus de cibles que ce ne serait possible en ciblant des gènes uniques chez la souris individuelles", a déclaré Neville Sanjana, co-premier auteur et un stagiaire postdoctoral dans le Zhang laboratoire. "Le sous-groupe nous permet aussi de voir comment ces différentes mutations génétiques concurrence au sein de la même tumeur."

Les gènes impliqués dans certains cancers varient beaucoup selon les patients

WASHINGTON (AFP) — Les caractéristiques génétiques des tumeurs responsables des cancers du sein et du côlon varient fortement d'un patient à l'autre, ce qui pourrait nécessiter une adaptation des traitements à chaque individu, selon une étude publiée jeudi dans la revue Science.

Après avoir analysé plus de 18.000 gènes, des chercheurs de l'université Johns Hopkins de Baltimore (Maryland, est) en ont identifié 300 directement liés au cancer colorectal ou au cancer du sein, dont seuls quelques-uns présentaient des mutations génétiques fréquemment observées.

La plupart des mutations génétiques observées apparaît au contraire de manière peu fréquente et varie considérablement d'un individu à un autre.

Les généticiens travaillant dans la recherche sur le cancer ont longtemps pensé qu'ils découvriraient un petit nombre de gènes responsables des différentes formes de cette maladie, mais il semblerait que les choses soient beaucoup plus complexes et que des groupes de gènes, plutôt que des gènes isolés, soient en cause.

"Cela rend le traitement de ces cancers plus compliqué", estime Victor Velculescu, professeur d'oncologie au Kimmel Cancer Center de l'université Johns Hopkins.

"Cela signifie que nous allons devoir tailler des traitements sur mesure pour les individus, afin de cibler les caractéristiques génétiques spécifiques de leurs cancers. Cela laisse penser qu'à l'avenir, le traitement du cancer sera personnalisé", explique-t-il jugeant que "les médicaments que nous utilisons actuellement sont trop grossiers".