对于许多研究人员来说，预防癌症的道路是漫长而艰难的，但莱斯大学科学家最近的一项研究表明，可能存在捷径。
一种新理论表明，突变几乎没有直接的方法可以在细胞中建立自身并导致肿瘤
对于许多研究人员来说，预防癌症的道路是漫长而艰难的，但莱斯大学科学家最近的一项研究表明，可能存在捷径。
赖斯科学家 Anatoly Kolomeisky、博士后研究员 Hamid Teimouri 和研究助理 Cade Spaulding 正在开发一个理论框架，该框架将解释如何更容易识别和预防由几种基因突变引起的癌症。
它通过检测和忽略不会显着有助于固定后来变成肿瘤的细胞中突变的过渡途径来做到这一点。
该研究于 2022 年 5 月 13 日发表在《生物物理学杂志》上，详细分析了他们对与多种癌症相关的细胞转化途径的有效能量景观的分析。缩小最有可能引发癌症的路径数量的能力有助于制定策略，在癌症开始之前中断该过程。
“从某种意义上说，癌症是一个不幸的故事，”化学和化学与生物分子工程教授科洛梅斯基说。“我们认为我们可以通过寻找通常会导致癌症的低概率突变集合来降低这种厄运的可能性。根据癌症的类型，这可能介于两个突变和 10 个之间。”
计算控制生物分子系统相互作用的有效能量可能有助于预测它们的行为方式。该理论被广泛用于预测蛋白质如何根据其组成原子的序列以及它们如何相互作用来折叠。
赖斯团队正在将相同的想法应用于在细胞中起作用的癌症起始途径，但有时包括身体保护无法检测到的突变。当两个或多个这些突变固定在一个细胞中时，它们会在细胞分裂和肿瘤发展时进行。
莱斯大学开发的一种算法识别并忽略了对固定细胞中突变并继续形成肿瘤的作用不大的过渡途径。图片来源：Hamid Teimouri/莱斯大学（you78编译）
Kolomeisky 说，根据他们的计算，可能性有利于最主要的途径，即那些在消耗最少能量的同时携带突变的途径。
“我们没有查看所有可能的化学反应，而是确定了我们可能需要查看的少数几个，”他解释说。“在我们看来，与癌症发生有关的大多数组织都试图尽可能地同质化。规则是减少异质性的途径总是会是肿瘤形成道路上最快的。”
大量可能的途径似乎使缩小范围成为一个棘手的问题。“但事实证明，利用我们的化学直觉和建立有效的自由能景观有助于我们计算在这个过程中突变可能固定在细胞中的哪个位置，”Kolomeisky 说。
该团队通过最初关注仅涉及两个突变的途径来简化计算，这些突变在固定后会引发肿瘤。Kolomeisky 说，涉及更多突变的机制会使计算复杂化，但过程保持不变。
大部分功劳归功于 Spaulding，他在 Teimouri 的指导下创建了大大简化计算的算法。访问研究助理第一次遇到科洛梅斯基寻求指导时是 12 岁。他提前两年从休斯敦的一所高中毕业，去年 16 岁时加入莱斯实验室，今年秋天将进入圣安东尼奥的三一大学。
“尽管 Cade 年纪很小，但他在计算机编程和实现复杂算法方面具有出色的能力，”Kolomeisky 说。“他提出了最有效的蒙特卡洛模拟来测试我们的理论，其中系统的大小可能涉及多达十亿个细胞。”
斯波尔丁说，该项目以一种符合他的兴趣的方式将化学、物理学和生物学结合在一起，以及他的计算机编程技能。“这是结合所有科学分支和编程的好方法，这是我觉得最有趣的，”他说。
该研究遵循 2019 年的一篇论文，其中莱斯实验室模拟了随机（随机）过程，以了解为什么一些癌细胞会克服身体的防御并引发疾病的传播。
但首先了解这些细胞是如何变成癌细胞的，可能有助于阻止它们通过，Kolomeisky 说。“这对个性化医疗有影响，”他说。“如果组织测试可以发现突变，我们的框架可能会告诉你是否可能患上肿瘤，以及是否需要更频繁的检查。我认为这个强大的框架可以成为预防工具。”
韦尔奇基金会 (C-1559)、国家科学基金会 (1953453、1941106) 和 NSF 支持的理论生物物理中心 (2019745) 支持了这项研究。
参考文献：Hamid Teimouri、Cade Spaulding 和 Anatoly B. Kolomeisky 于 2022 年 5 月 13 日， Biophysical Journal上的“最佳途径控制癌症发生期间多个突变的固定” 。
DOI: 10.1016/j.bpj.2022.05.011