Offentlige ressourcer øger opdagelsen af ​​lægemidler og giver indsigt i proteinfunktionen

Forskere ved Broad Institute of MIT og Harvard har taget Connectivity Map-en meget udbredt ressource af værktøjer og data-til nye højder med en massivt opskaleret version. Til denne nye platform, forskerne har også forbedret dets tilgængelighed for det videnskabelige samfund, muliggøre undersøgelser af lille molekyle og genfunktion og informere kliniske forsøg.

Forbindelseskortet, eller CMap, er et funktionelt referencedatasæt for det menneskelige genom, der forbinder gener, medicin, og sygdomstilstande gennem fælles mønstre for genaktivitet, kendt som genekspressionssignaturer. Den originale version af CMap omfattede kun få hundrede genekspressionsprofiler i et par cellelinjer, produceret ved hjælp af dyre DNA -mikroarrays. Brede forskere har nu udviklet en billig, high-throughput metode til genekspression, hvorved ekspressionen af ​​en undersæt af gener måles, og ekspressionen af ​​tilbageværende ikke-målte gener udledes beregningsmæssigt. Denne metode, kaldet L1000, tilladt Broad -teamet at udvide den eksisterende CMap med mere end 1, 000 gange, gør det til en meget mere omfattende og nyttig ressource for det videnskabelige samfund.

Værket er beskrevet i 30. november -udgaven af Celle .

Indeholder mere end 1,3 millioner profiler af genekspression og udviklet gennem NIH LINCS -konsortiet, denne "næste generation" CMap kan udforskes af forskere over hele kloden gennem et nyt skybaseret analysemiljø, giver dem mulighed for funktionelt at kommentere genetiske varianter af sygdomsgener, opdag virkningsmekanismen for ukarakteriserede små molekyler, og generere nye terapeutiske hypoteser.

"Det udvidede konnektivitetskort er et eksempel på nye retninger inden for genomforskning. Vi er glade for at se, at vores data og værktøjer allerede bruges af forskere i hele akademi og industri, at støtte grundlæggende videnskab og opdagelse af stoffer, "sagde Todd Golub, seniorforfatter af undersøgelsen og videnskabelig chef for Broad, hvor han også er direktør for instituttets kræftprogram. "Det er sandsynligt, at data og værktøjer vil blive brugt på måder, som vi ikke engang har forestillet os, og vi håber, at brugerne vil hjælpe os med at forbedre værktøjerne og gøre CMap endnu mere nyttig, når vi fortsætter med at udvide ressourcen. "

Nytten af ​​pilotversionen af ​​CMap var begrænset af dens lille størrelse. CMap-forskere vidste, at for at bygge en virkelig omfattende ressource, der kunne give mekanistisk og kredsløbsniveau biologisk indsigt, de skulle i høj grad udvide kompendiet med mange kemiske og genetiske forstyrrelser i forskellige celletyper.

Fordi det ville være for dyrt at bruge mikroarrays eller endda RNA -sekventering, CMap -teamet udviklede en ny profileringsmetode kendt som "L1000." I stedet for at profilere ekspressionen af ​​hvert proteinkodende gen i genomet, metoden genererer et genomskala-udtryk ved udtryk ved at måle aktiviteten af ​​1, 000 "skelsættende" gener og ved hjælp af disse målinger til at udlede aktiviteten af ​​de fleste ikke-målte gener. Forskerne analyserede eksisterende data om genekspressionsmønstre for at vælge de skelsættende gener, der kan tjene som nøjagtige repræsentanter for hele transkriptomet.

Denne tilgang gjorde teamet i stand til dramatisk at øge omfanget af eksperimentet, så CMap nu omfatter mere end 1 million genekspressionsprofiler fra flere cellelinjer behandlet med kemiske eller genetiske forstyrrelser. Sammenlignet med de 164 lægemidler, der er profileret i CMap -piloten, det nye datasæt indeholder ekspressionsprofiler fra celler behandlet med 42, 080 perturbagens, herunder lægemidler til små molekyler, værktøjsforbindelser, og ikke -optimerede forbindelser med tidligere ukendte virkningsmekanismer.

For at demonstrere ressourceens nytteværdi, teamet viste med succes, at CMap kan hjælpe med at forudsige, hvordan et lille molekyle eller lægemiddel virker, som kan fremskynde indsatsen for opdagelse af lægemidler. Hvis ekspressionsprofilen for celler, der forstyrres af et lille molekyle, matcher ekspressionssignaturen fra celler, der forstyrres med forbindelser med kendt funktion, det tyder på, at det lille molekyle kan fungere gennem den samme cellulære vej og giver forskere et eksperimentelt forspring, når de udforsker funktionen af ​​ikke -studerede forbindelser eller potentielle terapeutiske midler.

Teamet viste også, at CMap kan hjælpe forskere med at opdage forbindelser med specifikke, ønskede aktiviteter. I et tilfælde, de brugte det til at opdage en forbindelse, der hæmmer kaseinkinase 1 alfa, et protein involveret i visse leukæmier, og som også giver resistens over for en klasse af lungekræftlægemidler kaldet EGFR -hæmmere.

Dette understreger kraften i det udvidede konnektivitetskort som et værdifuldt udgangspunkt for opdagelse af stoffer.

I en test af CMaps potentiale til at informere klinisk forskning, forskerne analyserede tumorprøver opnået før og efter behandling fra kræftmedicinske forsøg. Resultaterne viste ændringer i tumorcellernes genaktivitetsmønstre på grund af kræftbehandling, og sammenligning med CMap perturbagens foreslog inddragelse af kendte lægemiddelresistensveje.

Forbindelseskortet bliver konstant kurateret med nye data genereret af det brede team. Den nye version indeholder ekspressionssignaturer fra forbindelser, der tidligere er blevet undersøgt, men også dem, der endnu ikke er blevet karakteriseret.

Alle data og værktøjer er nu tilgængelige i et kan-baseret analysemiljø udviklet af brede forskere og kendt som CLUE, som CMap -teamet opfordrer brugerne til at få adgang til og udforske. CMap -teamet planlægger at udvide ressourcen til at omfatte flere celletyper, flere forstyrrelser, og flere typer data, herunder proteomiske og cellulære billeddannelsesdata.

Den næste generation af CMap blev muliggjort gennem tæt samarbejde mellem CMap -teamet, andre medlemmer af NIH LINCS -konsortiet, og flere andre grupper på Broad Institute, herunder Center for udvikling af terapeutika (CDoT), den genetiske forstyrrelsesplatform, PRISM -teamet, og Proteomics -platformen.

"Denne indsats var kun mulig med den kombinerede ekspertise fra mange brede programmer og platforme, kræver utroligt meget teamwork, "sagde Aravind Subramanian, en medforfatter af papiret sammen med brede forskere Steven Corsello og Rajiv Narayan. "Vores ambition er, at CMap bliver en rutinemæssig del af lægemiddelopdagelse, giver nyttige spor, når mål og molekyler passerer gennem de forskellige stadier af terapeutisk udvikling. Vi er glade for at kunne dele resultaterne af vores indsats med det videnskabelige samfund. Vigtigere, vi er ikke færdige endnu - vi inviterer stofjægere fra den akademiske verden og industrien til at bruge ressourcen og kontakte os med din feedback. "