Cientistas buscam novas idéias genéticas para a saúde: dentro do mundo da 'profunda varredura mutacional'

Jesse Bloom, à esquerda, e Lea Starita são cientistas genéticos que buscam avanços com a técnica conhecida como Deep Mutational Scanning, que será objeto de um simpósio e workshop na Universidade de Washington, em Seattle, nos dias 13 e 14 de janeiro. Foto do GeekWire / Todd Bishop)

Faz quase duas décadas desde que os cientistas realizaram o primeiro seqüenciamento completo do genoma humano. Esse momento histórico nos deu uma visão sem precedentes do DNA humano, o código genético que determina tudo, desde a cor dos olhos até a chance de doenças, revelando alguns dos maiores mistérios da vida humana.

Vinte anos depois, apesar da prevalência do seqüenciamento genético, ainda há um trabalho considerável para cumprir a promessa desses avanços para aliviar e curar doenças e enfermidades humanas.

Cientistas e pesquisadores são "realmente muito bons em ler genomas, mas somos muito, muito ruins em entender o que estamos lendo", disse Lea Starita, co-diretor do Laboratório de Tecnologia Avançada do Brotman Baty Institute for Precision Medicine, e professor assistente de pesquisa no Departamento de Ciências do Genoma da Universidade de Washington.

Mas isso está mudando graças a novas ferramentas e abordagens, incluindo uma chamada Deep Mutational Scanning. Essa poderosa técnica para determinar variantes genéticas está gerando amplo interesse no campo da genética e da medicina personalizada, e é objeto de um simpósio e workshop nos dias 13 e 14 de janeiro na Universidade de Washington.

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"Acho que abordagens como a Deep Mutational Scanning permitirão, eventualmente, fazer melhores contramedidas, vacinas e medicamentos que nos ajudarão a combater até mesmo esses vírus que estão mudando muito rapidamente", disse Jesse Bloom, biólogo evolutivo e computacional da Fred Centro de Pesquisa do Câncer Hutchinson, Instituto Médico Howard Hughes e Departamento de Ciências Genoma da Universidade de Washington.

Bloom, que pesquisa a evolução dos vírus, fará a palestra no simpósio, realizado pelo Brotman Baty Institute e pelo Center for the Multiplex Assessment of Phenotype.

Neste episódio do GeekWire Health Tech Podcast, obtemos uma prévia e um entendimento mais profundo da Deep Mutational Scanning da Bloom e Starita.

Ouça o episódio acima ou assine seu aplicativo de podcast favorito e continue lendo para obter uma transcrição editada.

Todd Bishop: Vamos começar com o cenário para medicina de precisão e medicina personalizada. Você pode nos dar a compreensão de um leigo sobre como a medicina personalizada difere da medicina que a maioria de nós encontrou em nossas vidas?

Lea Starita: Um dos objetivos da medicina de precisão é usar a sequência genômica, a seqüência de DNA do humano na frente do médico, para informar o melhor curso de ação que seria adaptado àquela pessoa, considerando seu conjunto de genes e as mutações dentro deles.

TB: algumas pessoas em geral podem responder a certos tratamentos de certas maneiras e outras não. Hoje não sabemos necessariamente por que esse é o caso, mas a medicina personalizada é uma busca para adaptar o tratamento ou ...

Starita: Para o indivíduo. Exatamente. Esse é um tipo de medicamento personalizado, mas você também pode estendê-lo a doenças infecciosas para ter certeza de que está tratando o patógeno que a pessoa possui, e não o patógeno geral, se você quiser. Como você diria isso, Jesse?

Jesse Bloom: Eu explicaria o que Lea disse quando se trata de doenças infecciosas e outras doenças. Nem todo mundo fica igualmente doente quando sofre da mesma coisa subjacente, e as pessoas tendem a reagir de maneira muito diferente aos tratamentos. Obviamente, isso vale para doenças genéticas causadas por alterações em nossos próprios genes, como o câncer, e também acontece com doenças infecciosas. Por exemplo, o vírus da gripe. Pessoas diferentes ficarão gripadas no mesmo ano e algumas ficarão mais doentes que outras, e isso é variação personalizada. Obviamente, gostaríamos de entender qual é a base dessa variação e por que algumas pessoas ficam mais doentes em alguns anos do que outras.

TB: Onde estamos hoje como sociedade, como mundo, na evolução da medicina personalizada?

Starita: Ainda bem perto da linha de partida. Houve revoluções no sequenciamento de DNA, por exemplo. Temos um genoma de mil dólares, certo? Então, na verdade, somos extremamente bons em ler genomas, mas somos muito, muito ruins em entender o que estamos lendo. Então você pode imaginar que tem um genoma humano, são três bilhões de pares de bases vezes dois, porque você tem duas cópias do seu genoma, uma da sua mãe, uma do seu pai, e dentro disso haverá milhões de mudanças, pequenos erros de ortografia em todo o genoma. No momento, somos muito, muito, muito - eu não posso nem usar o suficiente - muito - ruim em prever quais desses erros de ortografia serão associados a doenças ou preditivos de doenças, mesmo para genes nos quais sabemos muito sobre isso. Mesmo que esse erro de ortografia esteja em um ponto do genoma que conhecemos muito, digamos genes de câncer de mama ou algo assim, ainda somos extraordinariamente ruins em entender ou prever quais efeitos essas mudanças podem ter na saúde.

Bloom: Em nossa pesquisa, obviamente também estamos interessados ​​em saber como a genética de uma pessoa influencia o quão doente ela fica com uma doença infecciosa, mas nos concentramos principalmente no fato de que os próprios vírus também estão mudando bastante. . Portanto, há mudanças no vírus, além do fato de que somos todos geneticamente diferentes e que interagiremos um com o outro. Nos dois casos, ele realmente volta ao que Lea está dizendo: acho que chegamos ao ponto em muitos desses campos em que agora podemos determinar as sequências do genoma de um ser humano ou determinar a sequência de um vírus ' genoma de forma relativamente fácil. Mas ainda é muito difícil entender o que essas mudanças significam. E esse é realmente o objetivo do que estamos tentando fazer.

TB: O que é uma profunda varredura mutacional neste contexto?

Lea Starita: Uma mutação é uma mudança na sequência do DNA. O DNA é apenas As, Cs, Ts e Gs. Algumas mutações chamadas variantes são inofensivas. Você pode pensar em um erro de ortografia ou em uma diferença na ortografia que não mudaria a palavra, certo? Então o cinza americano, que é G-R-A-Y versus o cinza britânico, G-R-E-Y. Se você viu isso em uma frase, é cinza. É a cor.

Mas então pode ser um erro de ortografia que explode completamente a função de uma proteína e, nesse caso, alguém pode ter uma terrível doença genética ou um risco extremamente alto de câncer ou um vírus da gripe agora seja resistente a um medicamento ou algo parecido ou resistente à sua resposta imune. Ou, mutações também podem ser benéficas, certo? É isso que permite a evolução. É assim que os vírus da gripe de todas as bactérias evoluem para se tornarem resistentes aos medicamentos ou ganhar alguma nova função enzimática necessária para sobreviver.

Bloom: Por exemplo, no caso de mutações no genoma humano, sabemos que todo mundo tem mutações em relação à média humana. Algumas dessas mutações terão efeitos realmente importantes, outras não. A maneira muito tradicional - ou a maneira pela qual as pessoas tentaram primeiro entender o que essas mutações fazem - é sequenciar os genomas de um grupo de pessoas e depois compará-los. Talvez existam pessoas que tiveram câncer e aqui estão pessoas que não tiveram câncer e agora você olha para ver quais mutações estão no grupo que teve câncer versus o grupo que não teve, e você tenta hipotetizar que as mutações que são enriquecidos no grupo que teve câncer estão associados a causar câncer.

Essa é uma abordagem realmente poderosa, mas vem com uma falha: há muitas mutações e fica muito caro olhar para grupos muito grandes de pessoas. E, portanto, a ideia de uma técnica como a varredura profunda de mutações é que poderíamos simplesmente fazer um experimento em que testamos todas as mutações por conta própria e não precisaríamos fazer esse tipo de comparação complicada no nível da população para obter a resposta. Porque quando você está comparando duas pessoas na população, elas tendem a ser diferentes de várias maneiras, e não é uma comparação muito bem controlada. Considerando que você pode configurar algo no laboratório onde você tem um gene que possui essa mutação e não possui essa mutação, e pode realmente ver diretamente qual é o efeito dessa mutação. Realmente, as pessoas vêm fazendo esse tipo de experimento há muitas décadas. O que há de novo na análise mutacional profunda é a ideia de que você pode fazer esse experimento com várias mutações ao mesmo tempo.

Starita: E isso se chama deep porque tentamos cometer todos os erros ortográficos possíveis. Portanto, todas as alterações possíveis na sequência de aminoácidos ou na sequência de nucleotídeos, que são os A, C, Ts e Gs, em todo o gene ou na sequência que estamos vendo.

Bloom: Digamos que devemos comparar eu e Lea para descobrir por que um de nós teve alguma doença e outros não. Poderíamos comparar nossos genomas e haverá muitas diferenças entre eles, e não saberemos realmente qual é a diferença responsável. Nós nem sabemos se seria responsável por uma mudança em seus genomas. Pode ser uma mudança em algo sobre o nosso ambiente. Portanto, a idéia por trás da varredura mutacional profunda é que nós apenas pegaríamos um gene. Então, no caso de Lea, ela estuda um gene específico que está relacionado ao câncer de mama, e faríamos todas as alterações individuais nesse gene e testaríamos o que eles fazem um por um. E, posteriormente, se formos ver que uma mutação tem algum efeito, se observarmos essa mutação quando sequenciamos o genoma de alguém, teremos uma idéia do que ela faz.

Starita: A profunda varredura mutacional, a parte mais profunda, está fazendo todas as alterações possíveis. Temos todas essas informações em mãos em um arquivo do Excel em algum lugar do laboratório que diz que essa mutação provavelmente causará danos à função da proteína ou à atividade da proteína que ela codifica. Fazendo todas as possíveis mutações. É daí que vem a profundidade.

TB: Como exatamente você está fazendo isso? É por causa dos avanços no processamento do computador ou por uma mudança na abordagem que permitiu esse aumento no volume das diferentes mutações que você pode observar?

Bloom: Eu diria que há várias tecnologias que foram aprimoradas, mas a mais importante é a ideia de que todo o experimento pode ser realizado de uma só vez. O tradicional, se você voltasse algumas décadas para fazer um experimento como esse, seria pegar um tubo e colocar, digamos a variante genética normal ou não-mutada, e então ter outro tubo com o mutante com o qual você se preocupa e, de alguma forma, faça um experimento em cada um desses dois tubos e isso funcione bem

Mas você pode imaginar que, se tivesse 10.000 tubos, pode começar a se tornar um pouco mais difícil. E, portanto, a ideia é que realmente da mesma maneira que as pessoas se tornaram muito boas em sequenciar todos esses genomas, você também pode usar para fazer todas essas medições de uma só vez. A idéia é que você agora junte todos os diferentes mutantes no mesmo tubo e, de alguma forma, monte o experimento, e essa é realmente a parte crucial de tudo, configure o experimento de modo que a célula ou o vírus ou qualquer outra coisa você está olhando, o quão bem ele pode crescer nesse tubo depende do efeito dessa mutação. E então você pode simplesmente usar o seqüenciamento para ler como as frequências de todas essas mutações mudaram. Você verá que uma boa mutação, por exemplo, ajudou a célula a crescer melhor, seria mais representativa no tubo no final e uma má mutação seria menos representativa no tubo. E, ao fazer isso, você poderia, em princípio, agrupar dezenas de milhares ou mesmo centenas de milhares ou milhões de mutações ao mesmo tempo e ler tudo em um experimento.

Starita: Isso foi ativado pela mesma revolução que nos deu o genoma de mil dólares. Esses seqüenciadores de DNA que estamos usando agora, não realmente para sequenciar genomas humanos, mas estamos usando-os como máquinas de contagem muito caras. Então, estamos identificando a mutação e contando-a. É basicamente para isso que estamos usando os sequenciadores. Em vez de sequenciar genomas humanos, estamos usando-os como uma ferramenta para contar todos esses diferentes pedaços de DNA que estão nessas células.

TB: Em que estágio do desenvolvimento é uma profunda varredura mutacional?

Starita: Tudo começou há 10 anos atrás. Os primeiros trabalhos publicados em 2009 e 2010, na verdade, do departamento de Ciências do Genoma da Universidade de Washington. Eles começaram com sequências curtas e experimentos muito simplificados, e temos trabalhado ao longo dos anos para transformar a varredura mutacional em sistemas de modelos melhores e mais precisos, mas isso está aumentando a complexidade desses experimentos. Então, passamos de quase "Ei, isso é um experimento bonitinho que vocês fizeram" para realizar um trabalho impactante que as pessoas estão usando na genética clínica e coisas assim.

TB: Quando você está em uma festa de fim de ano e alguém pergunta o que você faz, eles se envolvem e perguntam: "Espere, quais são as implicações não apenas da medicina personalizada, mas também da profunda análise mutacional? O que isso vai significar para a minha vida? "

Starita: No momento, não foi utilizado sistematicamente na clínica, mas receberemos telefonemas da patologia da UW que dizem: "Ei, eu tenho um paciente com essa variante. Encontramos a variante de sequência e esse paciente tem esse fenótipo. Como é essa mutação no seu ensaio? ”E nós ficamos tipo:“ Bem, parece que é prejudicial. ”E então eles juntam todas essas informações e podem realmente voltar ao paciente e dizer:“ Você estão em alto risco de câncer. Vamos tomar medidas médicas. ”Isso aconteceu várias vezes. Estamos trabalhando agora para tentar descobrir como usar as informações que estamos criando. Portanto, esses mapas do efeito de mutações nessas proteínas muito importantes e como usá-las sistematicamente como evidência a favor ou contra sua patogenicidade. No momento, uma porcentagem decente dessas pessoas está dizendo a elas: "Bem, você tem alterações, mas não sabemos o que elas fazem." Queremos que esses testes sejam mais informativos. Então você faz o teste, eles dizem: “Isso é ruim. Aquele está bem. Essa mutação é boa. Essa é legal. Aquele, no entanto. Isso vai lhe causar problemas. ”Queremos que mais pessoas tenham testes genéticos mais informativos, porque agora, em uma proporção decente dos testes, retornam com uma resposta“ não faço ideia ”.

Bloom: Você também pode pensar em mutações que afetam a resistência a algum tipo de droga. Para muitos, muitos tipos de drogas, elas incluem drogas contra vírus, drogas contra câncer e assim por diante, os vírus e os cânceres podem se tornar resistentes ao fornecer mutações que lhes permitem escapar dessa droga. Em muitos casos, existem até vários medicamentos por aí e você pode ter opções de qual medicamento administrar, mas talvez não saiba realmente qual. Os médicos descobriram que esse medicamento tende a funcionar com mais frequência ou você tenta este e depois tenta outro, mas porque o quão bem o medicamento funciona é provavelmente geralmente determinado pelas mutações genéticas em, digamos, o câncer ou a pessoa ou as mutações genéticas no vírus ou patógeno, se você soubesse quais os efeitos dessas mutações antes do tempo, poderia tomar decisões muito mais inteligentes sobre quais medicamentos administrar. E realmente não deveria haver uma droga que funcione apenas 50% das vezes; você provavelmente não está dando a condição certa 50 vezes perfeitas. Gostaríamos de poder escolher o medicamento certo para a condição certa o tempo todo.

TB: E é disso que trata a medicina de precisão.

Starita: Sim.

TB: verificação mutacional profunda como ferramenta.

Starita: Informar remédios de precisão.

Bloom: Essas técnicas profundas de varredura mutacional foram realmente desenvolvidas por pessoas como Jay Shendure e Stan Fields, e Lea e Doug Fowler para examinar essas questões da medicina de precisão da perspectiva de mudanças em nossos genomas humanos que afetam nossa suscetibilidade a doenças. Na verdade, trabalho com mutações em um contexto diferente, que tem mutações nos vírus que nos infectam e nos deixam doentes. Esses vírus evoluem rapidamente. No caso do vírus da gripe, você deve receber a vacina todos os anos. A razão pela qual você deve obtê-lo todos os anos é que o vírus está sempre mudando e temos que fazer com que a vacina acompanhe o vírus. O mesmo se aplica aos medicamentos contra vírus como gripe ou HIV. Às vezes os vírus são resistentes, às vezes os medicamentos funcionam. Isso novamente tem a ver com as mudanças genéticas muito rápidas que estão acontecendo no vírus. Portanto, estamos tentando usar uma verificação mutacional profunda para entender como essas mutações nesses vírus afetarão sua capacidade de, digamos, escapar da imunidade de alguém ou de um medicamento que possa ser usado para tratar essa pessoa.

TB: Há quanto tempo você está nesse caminho?

Bloom: Estamos progredindo. Uma das principais coisas que descobrimos é que a mesma mutação do vírus pode ter um impacto diferente para pessoas diferentes. Portanto, descobrimos, usando essas abordagens, que as maneiras como você modifica um vírus permitem que o vírus escape às vezes da imunidade de uma pessoa muito melhor do que da imunidade de outra pessoa. E agora estamos realmente tentando mapear a heterogeneidade entre pessoas diferentes. E espero que isso possa ser usado para entender o que torna algumas pessoas suscetíveis a uma cepa viral muito específica em comparação com outras pessoas.

TB: E então sua pesquisa se estenderia às mutações nos genes humanos, além das mudanças no vírus?

Bloom: Você pode imaginar, eventualmente, querendo olhar para todas essas combinações juntas, e estamos muito interessados ​​nisso, mas a pesquisa imediata em que estamos focando agora, na verdade, provavelmente não é tão motivada pela genética do humanos. No caso do vírus da gripe, como eu estava dizendo, descobrimos que, se houver um vírus que tenha uma mutação específica, ele poderá, digamos, permitir que ele escape da sua imunidade, mas que não escape da imunidade de mim ou Lea. Isso não parece ser movido tanto quanto pensamos por nossa genética, mas por nossos históricos de exposição. Portanto, no caso da gripe, não nascemos com imunidade ao vírus da gripe. Construímos essa imunidade ao longo da vida, porque somos infectados ou somos vacinados, e então nosso corpo produz uma resposta imune, que inclui anticorpos que bloqueiam o vírus. Cada um de nós tem sua própria história pessoal, não uma história genética, mas uma história de vida de quais vacinações e quais infecções recebemos. E assim, isso moldará a forma como nossa resposta imune vê o vírus. Como resultado, achamos que isso realmente não tem tanto componente genético quanto componente histórico.

TB: Apenas seguindo o exemplo da gripe, isso poderia resultar em uma imagem geral futura em que eu vou tomar minha vacina contra a gripe e é diferente do que a próxima pessoa pode obter?

Bloom: O que mais gostaríamos de fazer é usar esse conhecimento apenas para projetar uma vacina que funcione para todos. Portanto, essa seria a mesma vacina que todos poderiam receber. Mas é muito interessante ... acho que neste momento diria que está quase no estágio do experimento mental pensar sobre isso. Quando você pensa em algo como câncer, como Lea estava dizendo, você pode usar essas ferramentas para entender quando as pessoas têm mutações que podem colocá-las em risco de câncer, mas na verdade isso é algo muito difícil de intervir, certo? Não é tão fácil impedir alguém de contrair câncer, mesmo que você saiba que eles estão em risco. Mas, obviamente, se as pessoas são capazes de fazer isso, estão interessadas em gastar muito dinheiro para fazer isso, porque o câncer é uma coisa muito grave e você geralmente tem uma janela muito longa para tratá-lo.

Algo como um vírus da gripe está do outro lado. Se eu tivesse a capacidade onisciente de dizer que daqui a três dias você ficará infectado com gripe e realmente ficará doente, poderíamos evitar isso. Temos a tecnologia basicamente agora para impedir isso, se não for mais do que apenas pedir para você colocar um monte de Purell e não sair do seu quarto. Mas também existem realmente boas intervenções, incluindo profiláticos à gripe que funcionam muito bem. Mas o importante é que, no momento, pensamos em todos no mundo como estando em risco o tempo todo e você não pode tratar todos no mundo o tempo todo contra a gripe. Existem pessoas demais e o risco de qualquer pessoa ...

Starita: Não é tanto o Tamiflu no mercado.

Bloom: Não muito, e o risco disso ... Então, na medida em que poderíamos realmente identificar quem está em maior risco em um determinado ano, isso pode nos permitir usar essas intervenções de uma maneira mais direcionada. Essa é a ideia.

TB: E como o rastreamento mutacional profundo leva a isso potencialmente?

Bloom: Sim. Então a ideia, e neste momento, está realmente na fase de pesquisa, mas a ideia é se pudéssemos identificar que digamos certas pessoas ou certos segmentos da população, que devido à maneira como sua imunidade, digamos, está trabalhando, faz Como eles são muito suscetíveis ao mutante viral que surgiu neste ano em particular, poderíamos sugerir, de alguma forma, que eles estão mais em risco ou, como você sugeriu, projetar uma vacina projetada especificamente para trabalhar para eles. Então essa é a ideia. Devo deixar claro que isso não está nem perto de alguém sequer pensar em colocá-lo em prática econômica neste momento, porque mesmo os conceitos por trás dele são realmente novos. Mas acho que há muito potencial se pensarmos nessas doenças infecciosas não apenas como um ato de Deus, onde você acabou de acontecer ... alguém espirrou em você enquanto você caminha pela rua, mas na verdade uma interação complexa entre as mutações no vírus e o seu, seja genética ou sistema imunológico, podemos começar a identificar quem pode estar mais em risco de certas coisas em certos anos, e isso abriria a porta para o uso de muitas intervenções que já temos .

Starita: O primeiro ano foi há três anos e alguns alunos de pós-graduação muito entusiasmados começaram. Basicamente, foi quase como uma reunião de laboratório gigante, onde todos que estão interessados ​​neste campo vieram. Alguém twittou e, de repente, as pessoas da UCSF estavam lá e nós pensamos: "Que diabos?" Foi ótimo e todos conversamos sobre a tecnologia e como a estávamos usando. No ano seguinte, o Brotman Baty Institute entrou e nós pensamos: "OK, bem, talvez se usarmos esse presente para apoiar isso, podemos ter uma reunião maior". E então havia 200 pessoas em uma grande auditório e isso foi ótimo. E agora este ano, é um simpósio e um workshop de dois dias, e também é co-patrocinado por uma bolsa do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano. Mas agora temos centenas de pessoas, mais ou menos 200 pessoas, mas agora voando de todas as partes do mundo. Temos oradores convidados, e o workshop, que é terça-feira, é mais prático: "Se você está interessado nisso, como realiza esses experimentos?"

TB: O que está motivando o interesse em varreduras mutacionais profundas?

Bloom: Estamos começando a ter muita informação genética sobre tudo. Antes, algumas décadas atrás, era muito importante determinar até a sequência de um único vírus da gripe. Era totalmente impensável determinar a sequência de um genoma humano, certo? Se você não sabe quais são as mutações, não se importa muito com o que elas fazem. Agora podemos determinar a sequência de dezenas de milhares de vírus da gripe. Quero dizer, isso está acontecendo o tempo todo, e podemos determinar a sequência de milhares, até dezenas de milhares de genomas humanos. Portanto, agora, como Lea disse, torna-se realmente importante passar de apenas obter essas sequências para entender o que as mutações que você observa nessas seqüências realmente significam para a saúde humana.

Consulte este site para obter mais informações sobre Instituto Brotman Baty de Medicina de Precisão e Simpósio e Oficina de Varredura Profunda Profunda, 13 e 14 de janeiro em Seattle. O simpósio é gratuito, se você estiver na área de Seattle, e também será transmitido ao vivo, com vídeos arquivados disponíveis posteriormente.

Via: Geek Wire