Các nhà nghiên cứu ung thư đã hợp tác với các chuyên gia trong các lĩnh vực như hóa học và sinh học cấu trúc để nghiên cứu một dấu hiệu đặc trưng của bệnh ung thư ở trẻ em: protein tổng hợp.

Còn được gọi là oncoprotein tổng hợp, những phân tử bất thường này được tạo thành từ các phần hợp nhất của hai protein. Mặc dù các oncoprotein tổng hợp có thể thúc đẩy sự phát triển của nhiều bệnh ung thư ở trẻ em, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn biết rất ít về sinh học của hầu hết các bệnh này.

Để tìm hiểu thêm, NCI đã ra mắt Hiệp hội Ung thư kết hợp trong ung thư ở trẻ em (FusOnC2). Nhóm này bao gồm các nhà nghiên cứu có chuyên môn trong các lĩnh vực như sinh học ung thư, proteomics, gen, sinh học tính toán và dược lý.

Keren Witkin, Tiến sĩ, thuộc Khoa Sinh học Ung thư của NCI, người điều phối nhóm cho biết: “Mục tiêu của tập đoàn là tập hợp các chuyên gia có kỹ năng và quan điểm khác nhau để suy nghĩ về protein tổng hợp theo những cách mới.

“Điều khác biệt về Hiệp hội FusOnC2,” Tiến sĩ Witkin tiếp tục, “là chúng tôi đang thực sự cố gắng thúc đẩy phương pháp khoa học nhóm. Chúng tôi muốn các nhà sinh học phân tử làm việc với các nhà hóa dược và các nhà sinh học máy tính.”

Các nhà nghiên cứu tham gia vào hiệp hội—là một phần của sáng kiến Cancer Moonshot℠ nhằm đẩy nhanh tiến độ trong nghiên cứu ung thư—đang điều tra các loại ung thư khác nhau do protein tổng hợp gây ra ở trẻ em và thanh niên. Trọng tâm của họ là những bệnh ung thư khó chữa.

Ví dụ, một số nhà nghiên cứu đang nghiên cứu sarcoma hoạt dịch và sarcoma cơ vân, phát triển trong mô mềm và u màng não thất, một loại ung thư não.

Tiến sĩ Witkin cho biết: “Những gì các nhà điều tra học được có thể hướng dẫn nghiên cứu trong tương lai về phương pháp điều trị cho bệnh nhân mắc bệnh ung thư do protein tổng hợp gây ra. “Liên minh bao gồm một số bác sĩ ung thư lâm sàng và hai người ủng hộ bệnh nhân. Chúng tôi đang làm điều này để tìm ra phương pháp chữa trị cho bệnh nhân.”

Những thách thức trong việc nhắm mục tiêu Protein tổng hợp

Các protein dung hợp xảy ra trong các tế bào trong đó một đoạn của một nhiễm sắc thể bị đứt ra và gắn vào một nhiễm sắc thể khác. Khi các đoạn DNA từ các nhiễm sắc thể khác nhau hợp nhất, kết quả có thể là một gen hoàn toàn mới—một gen hợp nhất.

Không phải tất cả các gen hợp nhất đều dẫn đến ung thư. Nhưng trong một số tế bào, một gen dung hợp tạo ra các protein dung hợp có thể làm thay đổi hoạt động của các gen khác. Trong một số trường hợp, hoạt động của gen bị thay đổi khiến các tế bào đó phát triển không kiểm soát và hình thành khối u.

Kimberly Stegmaier, MD, thuộc Viện Ung thư Dana-Farber, người đứng đầu một trong các nhóm nghiên cứu cho biết: “Sự phá vỡ nhiễm sắc thể dẫn đến các oncoprotein tổng hợp rất phổ biến ở bệnh ung thư ở trẻ em.

“Chúng tôi có thể xác định chúng trong nhiều bệnh bạch cầu, khối u rắn và ung thư não ở trẻ em,” cô ấy nói thêm, “và chúng thường là một sự kiện khởi đầu quan trọng trong bệnh ung thư.”

Về lý thuyết, Tiến sĩ Witkin cho biết, “các oncoprotein tổng hợp là những mục tiêu thuốc tuyệt vời, bởi vì chúng điều khiển căn bệnh và chỉ hiện diện trong các tế bào ung thư.” Các loại thuốc nhắm vào các tế bào khối u trong khi loại bỏ các tế bào khỏe mạnh có thể làm giảm nguy cơ tác dụng phụ.

“Nhưng trên thực tế,” Tiến sĩ Witkin tiếp tục, “rất khó để tìm ra các loại thuốc chỉ nhắm vào các oncoprotein tổng hợp.”

Một số loại thuốc có hiệu quả chống lại các oncoprotein dung hợp đã được phát triển, chẳng hạn như imatinib (Gleevec), ngăn chặn hoạt động của protein dung hợp BCR-ABL. Protein tổng hợp này thúc đẩy gần như tất cả các trường hợp mắc bệnh bạch cầu dòng tủy mãn tính cũng như một số loại bệnh bạch cầu khác.

Một phần của protein tổng hợp BCR-ABL là kinase, một loại enzym và các loại thuốc nhắm đến protein tổng hợp kinase thường hoạt động tốt. Tiến sĩ Stegmaier lưu ý rằng một số bệnh nhân đã có phản ứng mạnh mẽ và lâu dài với những loại thuốc này.

Tuy nhiên, nhiều oncoprotein tổng hợp ở trẻ em liên quan đến các yếu tố phiên mã, là các protein kiểm soát hoạt động của gen bằng cách liên kết với DNA. Những nỗ lực nhằm vào các oncoprotein này phần lớn không thành công. Không giống như kinase, các yếu tố phiên mã có xu hướng không có “túi” nơi thuốc có thể xâm nhập, giống như chìa khóa đi vào ổ khóa.

Tiến sĩ Stegmaier cho biết: “Đối với lĩnh vực ung thư ở trẻ em, điều quan trọng nhất là tìm ra cách nhắm mục tiêu trực tiếp vào sự hợp nhất liên quan đến các yếu tố phiên mã.

Tiến sĩ Witkin đồng ý. “Nếu chúng ta có thể tìm ra cách nhắm mục tiêu các yếu tố phiên mã trong oncoprotein tổng hợp, thì đó sẽ là một bước đột phá to lớn.”

Hai chiến lược nghiên cứu chính

Ngay từ đầu, tập đoàn đã nhấn mạnh sự hợp tác. Ví dụ, năm ngoái, các nhà điều tra đã gặp nhau để trao đổi ý kiến và xem xét các bước tiếp theo trong nghiên cứu.

Cigall Kadoch, Ph.D., cũng của Dana-Farber cho biết: “Mục tiêu của tập đoàn là tập hợp những người có thể là chuyên gia về một oncoprotein dung hợp riêng lẻ và khuyến khích họ cùng nhau suy nghĩ về bệnh ung thư do dung hợp ở trẻ em. Viện Ung thư, và một nhà điều tra chính khác.

Tiến sĩ Kadoch tiếp tục nghiên cứu có thể tiết lộ những hiểu biết sinh học có liên quan đến nhiều bệnh.

Tiến sĩ Witkin đã mô tả hai chiến lược nghiên cứu chính để phát triển các liệu pháp mới cho những bệnh ung thư này. Cô ấy nói: “Một là nhắm trực tiếp vào các oncoprotein tổng hợp. “Đây là cách tiếp cận đơn giản nhất và mọi người đã thử nó mà không thành công lắm.”

Chiến lược khác là nhắm mục tiêu các protein tương tác với protein dung hợp hoặc đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và sống sót của các tế bào ung thư có protein dung hợp.

Tiến sĩ Witkin giải thích: “Nếu một oncoprotein không thể được nhắm mục tiêu trực tiếp, có lẽ chúng ta có thể nhắm mục tiêu một bước khác trong lộ trình liên quan đến việc thúc đẩy ung thư. “Bằng cách phát triển sự hiểu biết tốt hơn về những thay đổi phân tử liên quan đến oncoprotein, chúng tôi có thể khai thác thông tin này để phát triển các liệu pháp.”

Làm suy thoái Fusion Oncoprotein

Tiến sĩ Stegmaier và các đồng nghiệp của cô đang áp dụng những phương pháp này đối với Ewing sarcoma, một loại khối u rắn hình thành trong xương hoặc mô mềm. Ung thư xảy ra thường xuyên nhất ở thanh thiếu niên và thanh niên.

Đối với nhiều bệnh nhân, sự kết hợp gen dẫn đến protein tổng hợp EWS-FLI1 là sự kiện quan trọng khởi phát bệnh. Cũng như các bệnh ung thư ở trẻ em do phản ứng tổng hợp khác, các tế bào Ewing sarcoma thường có một vài đột biến gen khác ngoài bản thân phản ứng tổng hợp.

Các phương pháp điều trị Ewing sarcoma không lan rộng trong cơ thể đã được cải thiện trong những năm gần đây, nhưng không có tiến bộ tương tự đối với bệnh nhân mắc bệnh di căn. Tiến sĩ Stegmaier nói: “Chúng tôi thực sự cần những liệu pháp tốt hơn.

Cô tiếp tục: “Ewing sarcoma không đáp ứng cao với các loại liệu pháp nhắm mục tiêu đã có tác dụng với các bệnh ung thư khác và nói chung, liệu pháp miễn dịch đã không có tác dụng. “Vì vậy, các nhà nghiên cứu luôn quay trở lại với sự hợp nhất.”

Một cách tiếp cận mà cô ấy và các đồng nghiệp đang khám phá là cố gắng làm suy giảm oncoprotein dung hợp, về cơ bản là loại bỏ nó khỏi tế bào. Tiến sĩ Stegmaier lưu ý rằng cách tiếp cận này đã có hiệu quả đối với một bệnh ung thư do protein tổng hợp khác có tên là bệnh bạch cầu tiền tủy bào cấp tính (APL) và đã làm tăng đáng kể khả năng sống sót lâu dài của bệnh nhân. Một sự kết hợp của các liệu pháp đã góp phần cải thiện kết quả. Các lựa chọn điều trị cho bệnh nhân mắc APL bao gồm các liệu pháp như axit retinoic all-trans và asen trioxide, dẫn đến sự xuống cấp của phản ứng tổng hợp APL, cũng như hóa trị.

Tiến sĩ Stegmaier giải thích: “Ví dụ về APL chứng minh rằng nếu bạn có thể tìm ra cách loại bỏ sự hợp nhất một cách hiệu quả, thì bạn có thể chữa khỏi căn bệnh này. “APL là một ví dụ điển hình về việc tìm ra cách nhắm mục tiêu hợp nhất một cách hiệu quả đã thành công rực rỡ như thế nào.”

Tiến sĩ Stegmaier tiếp tục: “Ý tưởng về sự thoái hóa này rất mạnh mẽ, bởi vì làm cho protein tổng hợp biến mất hoàn toàn có thể hiệu quả hơn là chỉ ức chế hoạt động của nó. “Mọi người rất hào hứng với khái niệm này và đó là một trong những ý tưởng chính trong các dự án của chúng tôi.”

Tuy nhiên, cô ấy tiếp tục, “chúng tôi đang cố gắng thực hiện một cách tiếp cận đa hướng—bao gồm cả việc đánh giá các phức hợp mà EWS-FLI1 hình thành—bởi vì chúng tôi biết rằng bất kỳ chiến lược nào cũng sẽ có những thách thức của nó.”

Làm thế nào một protein tổng hợp chiếm đoạt một phức hợp protein

Phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Kadoch tập trung vào việc điều chỉnh gen và cấu trúc vật lý của DNA trong quá trình phát triển của con người và bệnh ung thư. Nhóm FusOnC2 của cô ấy đang điều tra sarcoma hoạt dịch, một loại sarcoma mô mềm hiếm gặp chủ yếu ảnh hưởng đến thanh thiếu niên và thanh niên.

Tất cả các trường hợp sarcoma hoạt dịch đều được điều khiển bởi một oncoprotein dung hợp gọi là SS18-SSX. Trong các nghiên cứu trước đây, Tiến sĩ Kadoch và các đồng nghiệp của cô đã chứng minh rằng oncoprotein dung hợp gây ra sự kích hoạt hoặc biểu hiện của một số gen nhất định không được biểu hiện bình thường trong các tế bào mà không có sự dung hợp.

Oncoprotein dung hợp thực hiện điều này bằng cách “chiếm quyền điều khiển” một tập hợp hoặc phức hợp protein trong nhân tế bào—được gọi là phức hợp BAF—có chức năng bật và tắt gen. Tiến sĩ Kadoch cho biết: “Protein tổng hợp lấy các phức hợp BAF ra khỏi các gen mà nó thường được kích hoạt và đưa nó đến các gen không nên được kích hoạt.

Cô ấy lưu ý rằng một số gen được kích hoạt không đúng cách có liên quan đến việc duy trì các con đường tế bào gốc giúp hỗ trợ sự phát triển của các tế bào sarcoma hoạt dịch. “Về cơ bản, oncoprotein dung hợp thiết lập một chương trình biểu hiện gen hoàn toàn mới trong tế bào bằng cách đưa các phức hợp BAF đến sai vị trí vào sai thời điểm.”

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã biết rằng phức hợp BAF kích hoạt gen bằng cách thay đổi cấu trúc của DNA, cơ chế mà protein dung hợp SS18-SSX phá vỡ quá trình này vẫn chưa được hiểu rõ. Mục tiêu của nhóm FusOnC2 là tiết lộ các cơ chế phân tử chịu trách nhiệm.

Tiến sĩ Kadoch cho biết: “Nếu chúng ta biết các cơ chế, thì chúng ta có thể lấy thông tin đó và khám phá các cách để ngăn chặn những thay đổi đối với biểu hiện gen.

Protein tổng hợp và bệnh bạch cầu

Một thành viên khác của tập đoàn, Charles Mullighan, MD, của Bệnh viện Nghiên cứu Trẻ em St. Jude, đang điều tra một họ protein tổng hợp liên quan đến NUP98. Có tới 10% trường hợp mắc bệnh bạch cầu dòng tủy cấp tính (AML) ở trẻ em có các protein dung hợp liên quan đến NUP98 và bệnh nhân mắc các bệnh ung thư này có tiên lượng xấu. Không có phương pháp điều trị hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu đang xây dựng một bộ sưu tập các công cụ nghiên cứu bổ sung, bao gồm các mô hình chuột gần giống với cách AML phát triển ở người, để nghiên cứu cách các protein tổng hợp NUP98 góp phần gây ung thư.

Tiến sĩ Mullighan nói: “Chúng tôi muốn thực sự mở rộng dự án này chứ không chỉ sử dụng các phương pháp tiếp cận thông thường. Nhóm của ông sẽ sử dụng các công cụ chỉnh sửa bộ gen CRISPR để tìm kiếm các phân tử cần thiết cho sự tồn tại của các tế bào ung thư bạch cầu bằng protein tổng hợp NUP98 và có thể đại diện cho các mục tiêu tiềm năng. Họ cũng sẽ khám phá các chiến lược để phân hủy trực tiếp các protein dung hợp NUP98.

Ngoài ra, các nhà điều tra sẽ phân tích vai trò của các protein tổng hợp NUP98 trong một quá trình được gọi là phân tách pha lỏng-lỏng, đây là cách mà các tế bào tổ chức các protein nhất định mà không bao bọc chúng trong màng.

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng sự hình thành của các cụm protein không có màng này có thể là một cách khác để các tế bào điều chỉnh sự biểu hiện của gen.

Tiến sĩ Mullighan lưu ý rằng có bằng chứng từ các nghiên cứu hình ảnh rằng một số protein tổng hợp NUP98 góp phần vào sự hình thành bất thường của các cụm protein. Ông nói: “Chúng tôi biết có những phần chính của protein tổng hợp NUP98 đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình phân tách pha.

Nhóm của ông, bao gồm Richard W. Kriwacki, Ph.D., một nhà sinh vật học cấu trúc tại St. Jude, người nghiên cứu về sự phân tách pha, sẽ hỏi liệu có cần phân tách pha để thúc đẩy những thay đổi trong biểu hiện gen có thể quan trọng trong việc thúc đẩy bệnh bạch cầu hay không.

Tiến sĩ Witkin cho biết: “Việc tách pha đã trở thành một phần quan trọng trong lĩnh vực oncoprotein tổng hợp và nó vẫn chưa được hiểu rõ. “Nhưng dường như có sự nhất trí giữa các nhà nghiên cứu rằng sự phân tách pha dường như thúc đẩy hoạt động gen ở mức độ cao.”

Cô ấy nói thêm: “Chúng tôi nghĩ rằng sự phân tách pha có thể liên quan đến việc bật các gen liên quan đến sự phát triển của phôi thai mà đáng lẽ phải tắt đi sau khi một đứa trẻ được sinh ra. “Đây là một chủ đề phổ biến của bệnh ung thư ở trẻ em.”

Cơ hội mới để điều tra các protein tổng hợp

FusOnC2 Consortium nhằm mục đích xây dựng dựa trên những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu. Tiến sĩ Stegmaier cho biết: “Nhiều người trong chúng tôi đã trở nên khá phấn khích trong vài năm qua vì những ý tưởng mới trong hóa học và các lĩnh vực khác. “Mỗi dự án của chúng tôi đã được kích hoạt bởi những cải tiến trong công nghệ.”

Ví dụ, những cải tiến trong công nghệ phân tích protein, bao gồm phép đo khối phổ và kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-EM), đã nâng cao khả năng của cộng đồng nghiên cứu trong việc xác định và nghiên cứu các phức hợp protein đóng vai trò trong bệnh ung thư ở trẻ em, bà lưu ý.

Đồng thời, các nghiên cứu về bộ gen đã tiết lộ phạm vi biến đổi gen trong bệnh ung thư ở trẻ em, Tiến sĩ Mullighan lưu ý.

Ông nói: “Sinh học của các oncoprotein tổng hợp ở trẻ em trong các khối u đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. “Nhưng bây giờ, lần đầu tiên, chúng tôi có thể điều tra những căn bệnh này một cách có hệ thống bằng cách sử dụng rất nhiều thông tin về bộ gen cộng với các công cụ thí nghiệm mới và phương pháp điều trị mới.”