Onkogenoomika

 
Onkogenoomika on teadusharu, mis uurib vähirakkude genoomi iseärasusi, keskendudes patoloogilistele muutustele DNA koostises (mutatsioonidele, amplifikatsioonidele ja epigeneetilistele modifikatsioonidele) ning transkribeeritud RNA koostises (fusioonidele). Onkogenoomika mõistet kasutatakse tänapäeval varasema termini "vähkkasvajate geneetika" asemel: nagu teisedki oomika-nimelised valdkonnad, keskendub onkogenoomika mitte ühe konkreetse geeni rollile, vaid geenide kooslusele. Onkogenoomika uurib nii iduliinis esinevaid muutusi, mis on päritud vanematelt ja päranduvad teatud tõenäosusega järglastele, kui ka somaatilisi muutusi, mis esinevaid vaid vähkkasvajas, kuid mitte teistes keharakkudes või sugurakkudes.
Onkogenoomika on asunud jõuliselt arenema pärast inimgenoomi järjestamist ning see areng on hoogustunud veelgi seoses sekveneerimistehnikate tõusva efektiivsuse ja kättesaadavusega. Teadusharuna kuulub onkogenoomika tänapäeval nii loodusteaduste kui ka meditsiiniteaduste valdkonda ning pakub huvi nii fundamentaalteaduse kui ka rakenduslike väljundite seisukohalt. Onkoloogia kasutab onkogenoomika avastusi vähi diagnoosimiseks ja täppisravi personaliseeritumaks valikuks.
Vähi geneetiline teooria.
Vähkhaiguse geneetika ehk vähkkasvaja geneetika all peetakse silmas paljudel loomadel esineda võivate vähkkasvajate kui geneetiliste häirete ja/või genoomimuutuste tulemusel tekkinud uudismoodustiste geneetilisi aspekte. Vähk on geneetiline või epigeneetiline ebakorrapära, mille korral on kaotatud raku kasvu normaalne kontroll. Sellega kaasneb tugevasti häiritud rakkudevaheline kommunikatsioon ning võimetus reageerida immuunsüsteemi signaalidele.
Inimorganismi koed koosnevad teadaolevalt enam kui 200 rakutüübist. Vähk võib areneda ükskõik millisest koest ja koosneda eri tüüpi rakkudest. Vähi kui patoloogia taga on tegelikult laialdane haiguste spekter ning suur osa nendest haigustest viib surmani. Kõige tuntumad vähid täiskasvanud inimestel on epiteelirakkudest (moodustavad kehaõõnsusi ja näärmeid) tuletatud kartsinoomid. Sarkoomid arenevad mesenhümaalsetest kudedest. Melanoomid on arenenud ja paiknevad melanotsüütides (naharakkude üks tüüpidest), retinoblastoomid – silma võrkkesta rakkudes, neuroblastoomid ja glioblastoomid arenevad vastavalt küpsemata neuronitest ja gliiarakkudest ning astrotsüütidest. Hematoloogilised tuumorid ehk lümfoomid ja leukeemiad arenevad kudedes, mis annavad alguse lümfoidsetele ja vererakkudele. Kõikidele nendele haigustele vastab üks termin: vähk.
Uuringute tulemusena on kujunenud vähi geneetiline teooria. See seletab, kuidas nii pärilikud kui ka keskkonnamõjurid põhjustavad vähki muudatuste kaudu genoomis. Kuna patsiendi ühe vähkkasvaja piires võib esineda mitmeid (st kümneid kuni sadu) patoloogilisi muutusi, tuleb neid vaadelda kompleksselt ning identifitseerida need muutused, mis põhiliselt juhivad vähi vohamist (ingl k "driver mutations"). Onkogenoomikal põhinevad strateegiated vähi ennetamiseks, tuvastamiseks ja ravimiseks. Näiteks võib vähi algkolde või metastaasi biopsia DNA analüüsil tuvastada mutatsioonid, mis on tõenäoliselt käivitanud vähi teket ja/või arengut.
Vähirakud ja vähi invasiivsus.
Pahaloomulised kasvajad esinevad rohkem eakatel inimestel klonaalse evolutsiooni tulemusena mitme aastakümne jooksul. Kui adenoom jõuab 10 mm paksuni diameetrini ja seega on võimeline arenema pahaloomuliseks kasvajaks, võib ta sisaldada miljard rakku. Võib väita, et kasvavad vähirakud jagunevad kiiremini kui tüvirakud normaalses krüptipesas. Normaalses krüptis vahetuvad epiteelrakud iga 3–4 päeva pärast tüvirakkude vohamise tagajärjel. Sellise kiirusega normaalse krüpti epiteel vahetub igal aastal sadakond korda. Arvestades seda võib öelda, et tüvirakud, mis panevad aluse normaalsele käärsoole epiteelile, vohavad kiiremini ja rohkem kui käärsoolevähi kasvajarakud.
Mõned vähi fenotüübid võivad takistada kasvu. Paljude vähirakkude jagunemise protsess on raskendatud kromosomaalsete anomaaliate poolt. Nendel vähirakkudel on ebanormaalne arv kromosoome, mis on seotud rakutsüklis kromosoomide vale eraldumisega mitoosi käigus.
Neoplaasia on mis tahes ebanormaalne rakkude kasvuprotsess, kusjuures kasvaja on neoplasma, mis põhjustab haiguslikku seisundit. Tuumorid on haigused, mille korral geneetiliselt ja epigeneetiliselt muundunud rakud vohavad ebanormaalselt. Termin "vähk" hõlmab neid kasvajaid, mis tungivad normaalsete rakke ümbritsevate kudede sisse. Eristav tunnusjoon hea- ja pahaloomulise kasvaja vahel põhineb kasvaja sissetungival (invasiivsel) tegutsemisvõimel. Kui selline pahaloomuline kasvaja jõuab verre või lümfisõlmeni, võib vähk metastaseeruda ja kasvada eemalolevates kudedes. Pahaloomuliste kasvajate võime levida organismis, lõhkuda teiste kudede terviklikkust, luua kasvajat toitainetega varustav veresoonte võrgustik ning kasvaja vohamist soodustav mikrokeskkond (ingl k "tumor microenvironment") ongi see, mis teeb neid surmavateks.
Arvatakse, et tuumorid arenevad üksikust geneetiliselt muundatud rakust. Edaspidises rakkude jagunemise käigus areneb tuumor ja sellist protsessi tuntakse tuumorigeneesina. Kuna tuumorid kasvavad väikestest healoomulistest vigastustest pahaloomuliste ja seejärel metastaatiliste kasvajateni, siis rakud, mis osalevad selliste kasvajate arengus, muutuvad geneetiliselt ja seega omandavad uusi tunnuseid.
Geenid ja mutatsioonid.
Geenide funktsiooni ja valkude struktuuri võivad mõjutada mutatsioonid eksonite piires. Kõige tuntum tee, mille kaudu mutatsioon on suuteline otseselt mõjutama geeni funktsiooni, on ühe või enama koodoni ja selle poolt kodeeritava aminohappe muutmine, mis muudab ka valgu primaarstruktuuri. Ka RNA splaissing võib olla mõjutatud. Korrektne RNA splaissing sõltub lühikese splaissingu doonori-, aktseptori ja harupunkti konsensuse ("branch point") järjestuste olemasolust. Eksonite vahelejätmised või RNA splaissingu rikkumine on ülalnimetatud splaissingu saitide piires toimuvate mutatsioonide tulemus. Hinnanguliselt kuni 50% inimgeenide patoloogilistest mutatsioonidest põhjustavad ebanormaalset RNA splaissingut.
Mutatsioonid intronite piires tavaliselt ei ole eristatavaks funktsiooniliseks tagajärjeks, kuigi mõned ebaharilikud mutatsioonid intronites mõjutavad geenide funktsioone. Harvaesinevates juhtumites mutatsioonid intronites aktiveerivad nn. salajasi splaissingu saite ("cryptic splice sites"), seega tekitades uusi splaissingu saite, mis hiljem viivad ebanormaalse RNA splaissinguni. Teised intronite mutatsioonid muudavad splaissingu efektiivsust, kuid nendest mehhanismidest pole praegu palju teada. On tõestatud, et mutatsioonid promooteri elementides, transkriptsiooni initsiatsiooni saitides, initsiatsiooni koodonites, polüadenüleerimise saitides ja terminatsiooni koodonites samuti muudavad geenide funktsioone. Kõik need koos moodustavad vähem kui 2% mutatsioonidest, mis põhjustavad inimhaigusi, kaasa arvatud vähk.
Kõik mutatsioonid, mis teadlased on avastanud ja klassifitseerinud geneetilise haiguse tekitajatena, mõjutavad valke. Mittekodeerivate regioonide roll geneetilistes haigustes on seni kindlalt paika panemata, kuigi arvukad alusteaduslikud uuringud kinnitavad ka mittekodeerivate DNA regioonide mutatsioonide olulisust patoloogiate tekkes.
Onkogeenid.
Onkogeen on normaalse geeni (protoonkogeen) muteerunud vorm, mis soodustab vähi arengut. Protoonkogeenid reguleerivad tavaliselt rakkude kasvu ja diferentseerumist. Mutatsioonid nendes geenides põhjustavad konversiooni onkogeenideks, mis negatiivselt mõjutavad rakke. Onkogeenid on unikaalsed vähile omased geenid, sest nende tekkimise mutatsioonid muudavad (aga ei elimineeri) valkude funktsioone, mida nad kodeerivad. Valgud, mida kodeerivad onkogeenid, näitavad tavaliselt biokeemiliselt kõrgemat aktiivsust, võrreldes mittemuteerunud protoonkogeeni valguproduktidega. Mutatsioonid, mis muundavad protoonkogeene onkogeenideks, on üksikud nukleotiidide asendused (erialases kirjanduses tähistatakse ka SNP), amplifikatsioonid (kordsuse muutused), geenide ühinemine (fusioonid) ja teised kromosomaalsed ümberpaigutused (translokatsioonid), mis suurendavad protoonkogeenide kodeeritud valkude aktiivsust.
Suur osa protoonkogeene kodeerivad ensüüme. Nende ensüümide onkogeensed vormid omavad kõrgemat aktiivsuse taset selle poolest, et afiinsus substraadi suhtes on muutunud niisama või regulatsiooni kaotamise tõttu. Mutatsioone, mis muundavad protoonkogeene onkogeenideks, nimetatakse aktiveerivateks mutatsioonideks.
Viimaste aastate jooksul kirjeldati mitusada onkogeeni, mis osalevad põhilistes radades ja regulatoorsetes võrgustikes. Onkogeenide ja nende tähtsamate funktsioonide tuvastamine rakkudes ja kudedes täiendas teadmisi tuumoritest ja nende kasvust. Vaatamata sellele, et seni tuntud vähigeenide loetelu võib suureneda tulevatel aastatel, jäävad vähi geneetika põhiprintsiibid nende geenide puhul tõenäoliselt ikka samaks.
Tuntud onkogeenideks on näiteks GTPaasi KRAS muteerunud vormid (nt tulenevalt SNP-st Gly12Cys), türosiinkinaasi ALK amplifikatsioonid, türosiinkinaasi EGFR amplifikatsioonid ja muteerunud vormid (nt tulenevalt SNP-st Leu858Arg), türosiinkinaasi Abl1 fusioon BCR-Abl1 (nn Philadelphia kromosoom).
Onkogeenide teke.
Inimese organismis on kaks rakkudetüüpi: sugurakud on reproduktiivse süsteemi rakud, mis toodavad spermi meestel ja ootsüüte naistel; somaatilised rakud on kõik teised organismi rakud. Indiviidid, kes pärivad onkogeene vanemate sugurakkude kaudu (nn iduliini mutatsioon; ingl k "germline mutation"), kannavad neid geene igas somaatilises- ja sugurakus ning võivad pärandada vastavaid geene ka järglastele. Vähigeenid, mis asuvad somaatilistes rakkudes, ei pärandu järgnevatele põlvkondadele.
Tuumorid omandavad vähigeene samal ajal kui kasvavad. Mutatsioonid, mis eristavad vähigeene, võivad olla omandatud järgmiste teede kaudu:
Sõltuvalt vähi tüübist võib pärilikkuse komponent olla skaalal 0,1–10%, kuigi mõningate uuringute kohaselt (mono- ja disügootsete kaksikute võrdluse põhjal) võib rinna-, soole- ja eesnäärmevähi puhul pärilikkusest tingitud riski määr ulatuda kuni 40%-ni. Mõned tähtsad onkogeenid, mis esinevad vähi suhtes vastuvõtlikes iduliini rakkude perekondades, kutsuvad esile vähisündroome. Selliste alleelide pärandumine tugevdab suuresti võimalust, et indiviidis areneb vähk. Vähi arengu tõenäosus määrab selle alleeli penetrantsust. Mõnedel juhtumitel pärandatud alleeli penetrantsuse tõenäosus on nii suur, et määratakse kirurgiline ravi kasvaja eemaldamiseks. Teised iduliini kaudu päranduvad onkogeenid, millest suurem osa on siiani avastamata, arvatavasti aitavad vähi tekkele vähesel määral kaasa.
Enamikul juhtudel onkogeenid, mis panevad aluse tuumorigeneesile, tekivad spontaanse somaatilise mutatsiooni tõttu. Somaatilised rakud, mis omandavad vähigeenide mutatsioone, on vähiprekursoriteks. Korduva vähi puhul võivad somaatilised mutatsioonid olla tingitud ka resistentsust tagavatest mehhanismidest, mis võimaldavad vähirakkude esialgu väikesearvulisel kuid ravi suhtes tundetul populatsioonil ellu jääda ning seejärel paljuneda.
Nii iduliini mutatsioonid kui somaatilised mutatsioonid muundavad normaalse geeni ja tekitavad selle geeni uue mutantse alleeli. Mitte kõik idutee kaudu omandatud geenid ei vii vähi tekkeni, nagu ka mitte kõik somaatilised mutatsioonid ei kutsu esile vähki. Tuvastatud mutatsiooni võimalikku patoloogilisust võimaldavad hinnata erialased andmebaasid nagu ClinVar või COSMIC. 
Kõige harvemini esinev vähigeeni omandamise võimalus. Tuntuim viirus, mis suurendab vähi tekke riski, on inimese papilloomiviirus – see on seotud emakakaelavähi, peenisevähi, pärasoolevähi ning suu- ja neeluvähiga. 
Antionkogeenid.
Tuumorsuppressorgeen ehk antionkogeen on geen, mis kaitseb organismi kasvajate eest. Mutatsioonid selles geenis võivad tekitada kontrollimatut rakkude jagunemist ja sellest koest, milles on toimunud mutatsioon, võib inimesel areneda pahaloomuline kasvaja. Antionkogeenid kontrollivad kudede geneetilise stabiilsuse säilitamise protsesse, mis hõlmavad rakutsükli progressiooni, rakkude diferentseerumist, rakkude omavahelisi interaktsioone ja apoptoosi reguleerimist. Tuumorsupressorgeenide mutatsiooniline inaktivatsioon põhjustab koe homöostaasi kaotust, tulemuseks on neoplaasia areng.
Tuumorsupressorgeenid võivad olla inaktiveeritud üksiku nukleotiidi asendustega, mis muudavad või üldse katkestavad tuumorsupressorgeeni kodeeritud valgu funktsiooni. Geenide amplifikatsioon ja kromosomaalsed translokatsioonid ei kuulu tavaliselt geenide inaktivatsiooni mehhanismide hulka.
Antionkogeenide hulka, mis on sageli inaktiveeruvalt muteerunud vähis, kuuluvad näiteks DNA reparatsiooni eest vastutavad valgud BRCA1 ja BRCA2, fosfataas PTEN, rakutsüklit kontrolliv ning apoptoosi käivitav valk TP53.
Vähi epigeneetilised iseärasused.
Onkogeenide avaldumist ehk ekspressiooni võivad mõjutada ka epigeneetilised modifikatsioonid: nt DNA metüülimine, histoonide metüülimine, histoonide atsetüülimine. Kuigi epigeneetilised modifikatsioonid on põhimõtteliselt pöörduvad, võivad nad püsida pikemat aega (koguni põlvkondade jooksul).
Tuntud epigeneetilise modifikatsiooni näiteks on geeni "MGMT" promootori metüülimine glioomide kontekstis, mis määrab kasvaja tundlikkust keemiaravi ja kiiritusravi suhtes. Geen "MGMT" kodeerib valku O6-metüülguaniin-DNA metüültransferaasi, mis vastutab normaalsetes rakkudes DNA paranduse eest, kuid samas aitab vähirakkudes kaasa resistentsuse tekkele. Promootori metüülimine suurendab geeni eskpressiooni ja seega ka geeni poolt kodeeritava valgu taset vähirakkudes, tingides halvemat ravivastust.
Vähiteraapia.
Onkogeenide analüüsimine on andnud teadlastele uusi vihjeid ja võimalikke lahendusi niisuguste juhtumite käsitlemiseks, mille puhul varem on ravi ebaõnnestunud. Uued ravimid, mille sihtmärkideks on onkogeenid või mis suudavad kompenseerida antionkogeeni puudumist, on osutunud mõne levinud vähivormi ravis tõhusamaks kui ajaliselt varem ravivõttena leiutatud keemiaravi või kiiritusravi. Samas kasutatakse sihtmärkravi sageli koos teiste ravimeetoditega, et saavutada parem ravitulemus.