Usando la tecnología CRISPR, el equipo rastrea el linaje de células cancerosas individuales a medida que proliferan y hacen metástasis en tiempo real
Cada color representa una ubicación diferente en el cuerpo. Un árbol muy colorido muestra un fenotipo altamente metastásico, donde los descendientes de una célula saltaron muchas veces entre diferentes tejidos. Un árbol que es principalmente de un color representa una célula menos metastásica. Crédito: Jeffrey Quinn/Instituto Whitehead
Cuando el cáncer se limita a un punto del cuerpo, los médicos a menudo pueden tratarlo con cirugía u otras terapias. Gran parte de la mortalidad asociada con el cáncer, sin embargo, se debe a su tendencia a hacer metástasis, enviando semillas de sí mismo que pueden echar raíces por todo el cuerpo. El momento exacto de la metástasis es fugaz, perdido en los millones de divisiones que se producen en un tumor. «Por lo general, estos eventos son imposibles de monitorear en tiempo real», dijo Jonathan Weissman, miembro del Instituto Whitehead.
Ahora, los investigadores dirigidos por Weissman, quien también es profesor de biología en el Instituto Tecnológico de Massachusetts e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, han convertido una herramienta CRISPR en una forma de hacer precisamente eso. En un artículo publicado el 21 de enero en Science, el laboratorio de Weissman, en colaboración con Nir Yosef, científico informático de la Universidad de California, Berkeley, y Trever Bivona, biólogo del cáncer de la Universidad de California, San Francisco (UCSF), trata el cáncer células de la forma en que los biólogos evolutivos podrían ver las especies, trazando un árbol genealógico intrincadamente detallado. Al examinar las ramas, pueden rastrear el linaje de la célula para encontrar cuándo una sola célula tumoral se volvió rebelde, extendiendo su progenie al resto del cuerpo.
«Con este método, puede hacer preguntas como: ‘ ¿Con qué frecuencia hace metástasis este tumor? ¿De dónde vienen las metástasis? ¿Adónde van?’”, dijo Weissman. «Al poder seguir la historia del tumor in vivo, se revelan diferencias en la biología del tumor que de otro modo serían invisibles».
Células de papel rayado
Los científicos han rastreado la linajes de células cancerosas en el pasado mediante la comparación de mutaciones compartidas y otras variaciones en sus planos de ADN. Estos métodos, sin embargo, dependen hasta cierto punto de que haya suficientes mutaciones naturales u otros marcadores para mostrar con precisión las relaciones entre las células.
Ahí es donde Weissman y los coautores Jeffrey Quinn, entonces investigador postdoctoral en Weissman’s lab, y Matthew Jones, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Weissman, vieron la oportunidad de usar la tecnología CRISPR específicamente, un método desarrollado por Michelle Chan, miembro del Weissman Lab, para rastrear el desarrollo de embriones y facilitar el rastreo.
En lugar de simplemente esperar que un linaje de cáncer contenía suficientes marcadores específicos de linaje para rastrear, los investigadores decidieron usar el método de Chan para agregar marcadores ellos mismos. «Básicamente, la idea es diseñar una célula que tenga un borrador genómico de ADN, que luego se pueda ‘escribir’ usando CRISPR», dijo Weissman. Esta ‘escritura’ en el genoma se realiza de tal manera que se vuelve heredable, lo que significa que la descendencia de una célula tendría la ‘escritura’ de sus células madre y células abuelas registradas en su genoma.
Para Weissman diseñó células cancerosas humanas con genes adicionales: una para la proteína bacteriana Cas9, las famosas «tijeras moleculares» utilizadas en los métodos de edición del genoma CRISPR, otras para proteínas brillantes para microscopía, y algunas secuencias que servirían como objetivos para la tecnología CRISPR.
Luego implantaron miles de células cancerosas humanas modificadas en ratones, simulando un tumor de pulmón (un modelo desarrollado por el colaborador Bivona). Los ratones con tumores de pulmón humano a menudo presentan metástasis agresivas, por lo que los investigadores razonaron que proporcionarían un buen modelo para rastrear la progresión del cáncer en tiempo real.
A medida que las células comenzaron a dividirse, Cas9 hizo pequeños cortes en estos sitios objetivo. . Cuando la célula reparó los cortes, reparó o eliminó algunos nucleótidos aleatorios, lo que llevó a una secuencia de reparación única llamada indel. Este corte y reparación ocurrieron al azar en casi todas las generaciones, creando un mapa de divisiones celulares que Weissman y el equipo luego pudieron rastrear utilizando modelos informáticos especiales que crearon trabajando con Yosef, un científico informático.
Revelando el invisible
El seguimiento de celdas de esta manera arrojó algunos resultados interesantes. Por un lado, las células tumorales individuales eran muy diferentes entre sí de lo que esperaban los investigadores. Las células que utilizaron los investigadores procedían de una línea celular establecida de cáncer de pulmón humano llamada A549. «Uno pensaría que serían relativamente homogéneos», dijo Weissman. «Pero, de hecho, vimos diferencias dramáticas en la propensión de diferentes tumores a hacer metástasis incluso en el mismo ratón. Algunos tuvieron una cantidad muy pequeña de eventos metastásicos, y otros realmente saltaban rápidamente».
Para encontrar Para averiguar de dónde procedía esta heterogeneidad, el equipo implantó dos clones de la misma célula en diferentes ratones. A medida que las células proliferaban, los investigadores descubrieron que sus descendientes metastatizaban a un ritmo notablemente similar. Este no fue el caso con la descendencia de diferentes células de la misma línea celular; las células originales aparentemente habían desarrollado diferentes potenciales metastásicos a medida que la línea celular se mantuvo durante muchas generaciones.
Los científicos luego se preguntaron qué genes eran responsables de esta variabilidad entre las células cancerosas de la misma línea celular. Así que comenzaron a buscar genes que se expresaran de manera diferente entre tumores no metastásicos, débilmente metastásicos y altamente metastásicos.
Muchos genes se destacaron, algunos de los cuales se sabía previamente que estaban asociados con la metástasis, aunque no estaba claro si estaban impulsando la metástasis o simplemente un efecto secundario de la misma. Uno de ellos, el gen que codifica la proteína Keratin 17, se expresa mucho más fuertemente en los tumores de baja metástasis que en los de alta metástasis. «Cuando derribamos o sobreexpresamos la queratina 17, mostramos que este gen en realidad controlaba la invasividad de los tumores», dijo Weissman.
Ser capaz de identificar los genes asociados con la metástasis de esta manera podría ayudar a los investigadores a responder preguntas sobre cómo evolucionan y se adaptan los tumores. «Es una forma completamente nueva de observar el comportamiento y la evolución de un tumor», dijo Weissman. «Creemos que se puede aplicar a muchos problemas diferentes en la biología del cáncer».
¿De dónde vino, adónde fue?
El método CRISPR de Weissman también permitió a los investigadores rastrear con más detalles a dónde fueron las células metastásicas en el cuerpo y cuándo. Por ejemplo, la progenie de una célula cancerosa implantada experimentó metástasis cinco veces distintas, extendiéndose cada vez desde el pulmón izquierdo a otros tejidos, como el pulmón derecho y el hígado. Otras células dieron un salto a un área diferente y luego hicieron metástasis nuevamente desde allí.
Estos movimientos se pueden mapear claramente en árboles filogenéticos (ver imagen), donde cada color representa una ubicación diferente en el cuerpo. Un árbol muy colorido muestra un fenotipo altamente metastásico, donde los descendientes de una célula saltaron muchas veces entre diferentes tejidos. Un árbol que es principalmente de un color representa una célula menos metastásica.
Mapear la progresión del tumor de esta manera permitió a Weissman y su equipo hacer algunas observaciones interesantes sobre la mecánica de la metástasis. Por ejemplo, algunos clones sembraron de la manera de un libro de texto, viajando desde el pulmón izquierdo, donde comenzaron, a distintas áreas del cuerpo. Otros sembraron de manera más errática, moviéndose primero a otros tejidos antes de hacer metástasis nuevamente desde allí.
Uno de esos tejidos, el tejido linfático mediastínico que se encuentra entre los pulmones, parece ser una especie de centro, dijo el coautor principal. Jeffrey Quinn. «Sirve como una estación de paso que conecta las células cancerosas con toda esta tierra fértil que luego pueden ir y colonizar», dijo.
Terapéuticamente, el descubrimiento de «centros» de metástasis como este podría ser extremadamente útil. «Si enfoca las terapias contra el cáncer en esos lugares, podría ralentizar la metástasis o prevenirla en primer lugar», dijo Weissman.
En el futuro, Weissman espera ir más allá de simplemente observar el «Es como con la mecánica newtoniana: si conoces la velocidad, la posición y todas las fuerzas que actúan sobre una pelota, puedes averiguar a dónde irá la pelota en cualquier momento en el futuro», dijo Weissman. “Esperamos hacer lo mismo con las células. Queremos construir esencialmente una función de lo que impulsa la diferenciación de un tumor, y luego ser capaces de medir dónde están en un momento dado y predecir dónde estarán en el futuro».
Los investigadores son optimistas de que poder rastrear los árboles genealógicos de células individuales en tiempo real también resultará útil en otros entornos.»Creo que desbloqueará una dimensión completamente nueva de lo que pensamos como una cantidad medible en biología», dijo el coautor Matthew Jones. «Eso es lo realmente interesante de este campo en general: estamos redefiniendo lo que es invisible y lo que es visible».
Explore más
El mapa muestra cómo se propagan las células cancerosas a través del cuerpo Más información: JJ Quinn el al., «Los linajes unicelulares revelan las tasas, las rutas y los impulsores de la metástasis en los xenoinjertos de cáncer», Science (2021). science.sciencemag.org/ lookup/ …1126/science.abc1944 Información de la revista: Science
Proporcionado por Cita del Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica: Usando la tecnología CRISPR, el equipo rastrea el linaje de células cancerosas individuales a medida que proliferan y metastatizan en tiempo real (21 de enero de 2021) consultado el 30 de agosto de 2022 en https://medicalxpress. com/news/2021-01-crispr-technology-team-tracks-lineage.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.