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BIOWISSENSCHAFTEN
from ChemieXtra 9/2020
by SIGWERB GmbH
Mit Künstlicher Intelligenz
Körpereigene Bakterien verraten Krebsart
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Die Erbsubstanz von Viren und Bakterien in Patientinnen und Patienten kann Hinweise auf eine Krebserkrankung geben. Eine entsprechende Methode auf Basis von Künstlicher Intelligenz hat ein internationales Forscherteam der Universität von Kalifornien (USA) mit Beteiligung der Universität Giessen entwickelt. Mit dieser neuartigen Methode lässt sich teilweise sogar bestimmen, an welcher Art Krebs der Betroffene erkrankt ist.
Wie in der Forschung über Multiple Sklerose (MS) oder bei der Ergründung nach möglichen Ursachen für Depressionen beschäftigt sich auch die Krebsforschung mit dem Mikrobiom des Menschen, also mit den körpereigenen Mikroorganismen. «In der Krebsforschung ist man bislang in der Regel davon ausgegangen, dass Tumore sterile Umgebungen sind», sagt der Koordinator der Forschergruppe Prof. Dr. Rob Knight von der Universität von Kalifornien in San Diego. «Dabei wurde das komplexe Zusammenspiel menschlicher Krebszellen mit Bakterien, Viren und anderen Mikroben, die in und auf unserem Körper leben, ignoriert.» Die Anzahl der mikrobiellen Gene in unserem Körper ist weitaus grösser als die Anzahl der menschlichen Gene. «Daher sollte es nicht überraschen, dass sie uns wichtige Hinweise auf unsere Gesundheit geben», so Knight.
33 verschiedene Karzinome untersucht
Die Forscherinnen und Forscher untersuchten zunächst mikrobielle Daten aus «The Cancer Genome Atlas», einer Datenbank des «National Cancer Institute» in den USA, die Genomsequenzen und andere Informationen von Patientinnen und Patienten mit verschiedenen Tumoren enthält. Analysiert wurden mehr als 18 000 Tumorproben von rund 10 500 Patientinnen und Patienten mit 33 verschiedenen Krebsarten. Dabei zeigte sich, dass unterschiedliche mikrobielle Signaturen oder Muster mit bestimmten Krebsarten assoziiert waren. Einige Assoziationen hatten die Forscherinnen und Forscher erwartet, zum Beispiel die zwischen humanem Papillomavirus (HPV) und Gebärmutterhals-, Kopf- und Halskrebs sowie die Assoziation zwischen Fusobacterium-Arten und Magen-Darm-Krebs. Das Team identifizierte aber auch bisher unbekannte mikrobielle Signaturen, die sich stark zwischen verschiedenen Krebsarten unterscheiden. Beispielsweise unterscheidet das Vorhandensein von Faecalibacterium-Arten Darmkrebs von anderen Krebsarten. DNA-Fragmente des Epstein-Barr-Virus erlauben das Unterscheiden bestimmter Subtypen bei Magenkrebs. Ausgestattet mit den Mikrobiomprofilen von Tausenden von Krebsproben, trainierten und testeten die Forschenden Hunderte von Modellen für maschinelles Lernen, um bestimmte mikrobielle Muster mit dem Vorhandensein spezifischer Krebsarten in Verbindung zu bringen. «Die so trainierte Künstliche Intelligenz ist in der Lage, den Krebstyp einer Patientin oder eines Patienten nur anhand ihrer mikrobiellen Daten zu identifizieren», erklärt Prof. Dr. Stefan Janssen. «Selbst eine äusserst stringente Filterung, mit der wir eine Kontamination der Proben im Labor ausgeschlossen haben, hat die Erkennungsrate nicht wesentlich verschlechtert, auch wenn dadurch in einigen Fällen 90 Prozent der mikrobiellen Daten entfernt wurden.»
Einfachere Tests zur Krebsdiagnose
Die Diagnose der meisten Krebsarten erfordert derzeit meist eine invasive chirurgische Biopsie des Tumors und die Analyse der Probe durch Expertinnen und Experten. Daher arbeiten verschiedene Forschungseinrichtungen und Firmen an einfachen Bluttests zur Krebsdiagnose, die darauf basieren, mutierte menschliche DNA zu detektieren. «Ein Test auf Grundlage der mikrobiellen DNA dürfte deutlich einfacher
DNA-Fragmente des Epstein-Barr-Virus erlauben das Unterscheiden bestimmter Arten von Magenkrebs.
sein», so Janssen. «Weitere grosse Studien sind nötig, um festzustellen, ob mikrobielle Signaturen wirklich jeden Krebs erkennen lassen. Doch selbst dann sind im Anschluss invasivere Tests notwendig, um die Diagnose Krebs und den Ort des Tumors zu bestätigen.»
Originalpublikation G. D. Poore et al., «Microbiome analyses of blood and tissues suggest cancer diagnostic approach», Nature (2020). DOI: 10.1038/ s41586-020-2095-1
Kontakt Prof. Dr. Stefan Janssen Universität Giessen Ludwigstrasse 23 D-35390 Giessen +49 641 99 35822 stefan.janssen@computational.bio. uni-giessen.de www.uni-giessen.de
Une nouvelle nano-structure
Des chercheurs de l’Université de Genève ont découvert une nouvelle nano-structure qui se situe au centre de notre squelette cellulaire. Cette découverte va permettre de mieux comprendre comment la cellule maintient son architecture ainsi que les pathologies associées aux dysfonctionnements de cette structure.
Toutes les cellules animales possèdent une organelle appelée centrosome, essentielle à l’organisation de leur squelette cellulaire. Celui-ci est d’une importance capitale, notamment pour la division cellulaire lors de laquelle il permet le partage fidèle de l’information génétique entre deux cellules filles. Lorsque les cellules ne se divisent plus, les centrioles, structures cylindriques composées de microtubules à la base du centrosome, migrent vers la membrane plasmique et permettent la formation des cils primaires et mobiles, servant respectivement au transfert d’informations et à la genèse du mouvement. Au cours de leurs fonctions biologiques, les centrioles rencontrent de nombreuses forces auxquelles ils doivent résister. Des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE) ont découvert une structure interne au centre de ces nano-cylindres, véritable échafaudage cellulaire mainte -
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Vue schématique du nano-cylindre (fuchsia) qui est au centre du squelette cellulaire de la cellule (en noir sur l’image).
nant l’intégrité physique de cette organelle. Cette découverte, à lire dans la revue «Science Advances», permettra de mieux comprendre les fonctions du centriole et les pathologies associées à son dysfonctionnement. Les micro-structures cylindriques nommées centrioles ont pour fonction de former le centrosome, organisateur principal du squelette de microtubules de la cellule, et les cils, véritables antennes cellulaires. Des défauts d’assemblage ou de fonctionnement du centriole peuvent engendrer des pathologies chez l’être humain, telles que les ciliopathies, des troubles de la ré tine pouvant provoquer la perte de la vision.
Des microscopes surpuissants
Les centrioles sont formés de microtubules qui sont des composants du squelette cellulaire. «Ils possèdent une organisation canonique définie par neuf triplets de microtubules qui doivent être maintenus en
une unité structurale afin de résister aux diverses forces auxquelles ils sont confrontés au cours de leurs fonctions cellulaires», explique Paul Guichard, professeur au Département de biologie cellulaire de la Faculté des sciences de l’UNIGE. Le groupe de Paul Guichard et de Virginie Hamel, chercheuse au Département de biologie cellulaire et co-responsable de l’étude, a découvert un échafaudage interne à cette organelle en utilisant des microscopes électroniques surpuissants, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Bâle et du Campus Helmholtz à Neuherberg en Allemagne. «Cette étude a permis d’analyser des centrioles de quatre espèces différentes et de démontrer que cet échafaudage interne est présent systématiquement», rapporte Maeva Le Guennec, chercheuse à l’UNIGE et première auteure de l’étude. «Nous avons ensuite cherché à savoir quelles protéines centriolaires étaient localisées dans cette nouvelle structure», poursuit Virginie Hamel. Pour cela, les chercheurs de l’UNIGE ont utilisé une méthode innovante de super-résolution, appelée microscopie à expansion, qui permet de gonfler les cellules sans les déformer pour observer leur organisation interne. Ainsi, ils ont pu identifier quatre protéines qui sont localisées au niveau de cet échafaudage interne.
Mieux comprendre la dégénérescence rétinienne
«Nous avons réalisé que les quatre protéines que nous avons identifiées sont associées à des pathologies liées à la dégénérescence rétinienne », relève Virginie Hamel. La perte des photorécepteurs rétiniens est possiblement due à un défaut de maintien des doublets de microtubules présents dans ces cellules spécialisées. «Nous entendons à présent découvrir le lien possible entre un tel défaut de maintien structural et les troubles de la rétine, afin d’ouvrir la voie à une meilleure com préhension de cette pathologie», conclut Paul Guichard.
Communiqué Université de Genève
De gauche à droite : Virginie Hamel, collaboratrice scientifique au Département de biologie cellulaire de la Faculté des sciences de l’UNIGE; Maeva Le Guennec, post-doctorante à l’UNIGE; Paul Guichard, professeur au Département de biologie cellulaire de la Faculté des sciences de l’UNIGE.
www.unige.ch
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