Penyakit seperti kanker dan penyakit neurodegeneratif sering kali diawali dengan kesalahan genetik. Namun bahkan setelah para ilmuwan mengidentifikasi gen yang terlibat, mengubah pengetahuan tersebut menjadi pengobatan yang efektif masih sangat sulit. Banyak dari penyakit ini terkait dengan ratusan mutasi yang tersebar di berbagai jalur biologis, sehingga sulit untuk memahami bagaimana mutasi tersebut secara kolektif mendorong terjadinya penyakit.
Sebuah studi baru yang diterbitkan di Alam memperkenalkan solusi potensial. Para peneliti telah menciptakan sebuah platform bernama PerturbFate yang secara sistematis dapat melacak bagaimana perubahan genetik terkait penyakit mengubah sel dan mengidentifikasi di mana perubahan tersebut pada akhirnya bertemu. Dengan mengamati regulasi gen dalam sel individu dari waktu ke waktu, tim menemukan pusat regulasi bersama yang menjadi tempat bergantungnya banyak mutasi berbeda. Dengan menggunakan resistensi obat melanoma sebagai uji kasus, para peneliti menunjukkan bahwa menargetkan pos pemeriksaan umum ini dapat membantu mengatasi resistensi yang terkait dengan berbagai penyebab genetik.
“Kami di sini berfokus pada resistensi obat kanker, namun makalah ini sebenarnya dimulai dengan pertanyaan yang lebih luas: Setelah Anda mengetahui suatu penyakit dikaitkan dengan ratusan gen, bagaimana Anda merancang terapi untuk menyasarnya?” kata Junyue Cao, kepala Laboratorium Genomik Sel Tunggal dan Dinamika Populasi. “Kami bertanya-tanya apakah semua gen yang berbeda ini mungkin dimediasi oleh sinyal hilir yang dapat kita temukan dan targetkan.”
Tantangan yang semakin besar dalam pengobatan genetik
Kemajuan dalam teknologi pengurutan dan penyaringan genetik telah memungkinkan para ilmuwan mengidentifikasi sejumlah besar mutasi terkait penyakit. Namun kemajuan ini telah menciptakan tantangan baru yang besar. Gen yang terlibat dalam penyakit seringkali melakukan tugas yang sangat berbeda di dalam sel, termasuk mengendalikan aktivitas gen dan mengatur jalur sinyal sel. Karena kerumitan ini, terbukti sulit merancang pengobatan yang dapat mengatasi banyak mutasi sekaligus.
Cao menduga bahwa mutasi yang tampaknya tidak berhubungan ini mungkin tidak terjadi secara independen. Sebaliknya, mereka dapat beralih ke program hilir bersama yang pada akhirnya menentukan perilaku sel. Jika ini benar, para ilmuwan tidak perlu menargetkan setiap mutasi secara terpisah. Mereka dapat fokus pada simpul peraturan umum yang mengendalikan proses penyakit.
“Kami ingin mengembangkan teknologi untuk mengidentifikasi simpul-simpul peraturan bersama ini sebagai target mereka sendiri,” kata Cao.
Untuk mencapai hal ini, tim memerlukan sistem yang dapat membandingkan banyak gangguan genetik pada saat yang sama sambil memantau secara rinci bagaimana masing-masing gangguan tersebut merombak sebuah sel. Teknologi yang ada hanya dapat menangkap sebagian dari gambaran tersebut, sering kali mengukur satu lapisan aktivitas seluler pada satu waktu atau mengabaikan bagaimana aktivitas gen berubah secara dinamis seiring waktu.
Mahasiswa pascasarjana Zihan Xu mengembangkan PerturbFate untuk mengatasi keterbatasan ini. Platform ini memungkinkan para peneliti untuk mengamati bagaimana berbagai gangguan genetik mengubah sel secara real time dengan melacak aksesibilitas DNA dan produksi RNA secara bersamaan. Karena pengukuran ini dikumpulkan dalam sel yang sama, sistem dapat mengungkap jaringan gen yang mengendalikan perilaku seluler dan mengidentifikasi di mana mutasi berbeda menghasilkan efek hilir yang sama.
“Teknologi ini memungkinkan kita untuk mengganggu ratusan atau bahkan ribuan gen secara paralel dan kemudian mengukur perubahan molekuler secara rinci di setiap sel,” jelas Cao. “Hal ini memungkinkan kami untuk menghubungkan berbagai gangguan genetik dengan dampak hilirnya dan mengidentifikasi simpul pengatur.”
Memantau resistensi obat pada melanoma
Untuk menguji platform tersebut, para peneliti beralih ke melanoma, di mana banyak mutasi berbeda dapat menghasilkan resistensi terhadap pengobatan. Tim tersebut memilih 143 gen yang sebelumnya terkait dengan resistensi terhadap obat melanoma Vemurafenib dan secara sistematis mematikannya dalam sel melanoma.
PerturbFate kemudian memantau bagaimana setiap gangguan mengubah perilaku seluler seiring waktu. Dengan memberi label pada RNA yang baru diproduksi, para peneliti dapat memisahkan aktivitas genetik baru dari sinyal molekuler yang lebih tua. Pembuatan profil sel tunggal juga memungkinkan mereka melacak gen mana yang aktif, wilayah DNA mana yang dapat diakses, dan bagaimana perubahan ini berevolusi.
Pendekatan terperinci ini memberi para ilmuwan pandangan sel demi sel tentang bagaimana berbagai mutasi mempengaruhi regulasi gen dan di mana jalur-jalur ini pada akhirnya bertemu.
“Kami tidak hanya menangkap ekspresi gen, tetapi juga dinamika RNA dan keadaan kromatin,” jelas Cao. “Hal ini penting untuk mengidentifikasi regulator hulu yang mengendalikan kondisi penyakit ini.”
Xu juga menciptakan jalur analisis komputasi yang menggabungkan semua lapisan informasi ini ke dalam jaringan pengatur gen yang terperinci. Sistem ini menghubungkan perubahan awal dalam aktivitas faktor transkripsi dengan perubahan selanjutnya dalam aksesibilitas DNA, produksi RNA, dan pola ekspresi gen yang stabil.
Setelah memeriksa lebih dari 300.000 sel, para peneliti menemukan bahwa banyak mutasi berbeda yang secara sistematis mendorong sel melanoma menuju keadaan resistan terhadap obat yang sama. Ketika tim menargetkan pos pemeriksaan peraturan bersama yang menyebabkan kondisi ini, resistensi obat menurun secara signifikan, hal ini menunjukkan adanya strategi yang menjanjikan untuk terapi kombinasi.
Sinyal kelangsungan hidup bersama
Studi ini juga mengungkap detail penting tentang kompleks mediator, struktur seluler yang membantu mengatur aktivitas gen. Para peneliti menemukan bahwa mengganggu bagian berbeda dari kompleks yang sama dapat memicu resistensi obat melalui jalur biologis yang berbeda. Terlepas dari perbedaan-perbedaan ini, jalur-jalur tersebut masih menyatu pada sinyal kelangsungan hidup melanoma yang sama yang disebut VEGFC.
Ketika para peneliti memblokir VEGFC, sel-sel melanoma yang resisten tidak dapat lagi tumbuh.
Hasilnya menunjukkan bahwa penyakit genetik yang sangat kompleks sekalipun mungkin bergantung pada kerentanan bersama yang dapat ditargetkan secara terapeutik. Daripada merancang pengobatan terpisah untuk setiap mutasi, para ilmuwan dapat fokus pada jalur regulasi umum yang menjadi sandaran banyak mutasi.
Ekspansi melampaui kanker
Para peneliti telah mempublikasikan laboratorium dan alat komputasi di balik PerturbFate. Mereka sekarang berencana untuk memperluas pendekatan ini melampaui sel yang dikultur dan menerapkannya pada sistem kehidupan.
Cao dan rekan-rekannya berharap dapat menggunakan teknologi ini untuk mempelajari penyakit seperti penuaan dan penyakit Alzheimer, dua bidang penelitian utama di laboratoriumnya. Tujuan mereka adalah untuk mengungkap kelemahan umum penyakit kompleks yang dapat memandu pengembangan terapi yang lebih efektif.
“Ini hanyalah sebuah titik awal,” kata Cao. “Sekarang kami telah mendemonstrasikan pendekatan ini dalam model sederhana, kami berupaya memperluasnya ke sistem kehidupan untuk mempelajari penyakit yang lebih kompleks.”
