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用海量資料打敗癌症!

Credit: MIKI Yoshihito vua Flickr

Credit: MIKI Yoshihito vua Flickr

「海量資料」(Big data,又稱大數據)可說是目前科學(技)界的當紅炸子雞,幾可和「3D列印」、「穿載科技」、「雲端」等名詞併列科學新聞的F4。(話說十年前最火紅的科學名詞是「奈米科技」,如今仍是熱門的研究領域,卻已不受媒體青睞。)

「海量資料」會紅也不是沒有原因的,Facebook每天跟你說「你可能認識的朋友…」、購物網站告訴你「買了這個東西的人也買了….」或顯示地方的媽媽們需要什麼等等,背後都有海量資料在解算,來自以色列的研究團隊還用海量資料來對抗癌症呢!

現代人罹癌的風險高,卻苦無有效的療方。現行的治療方法,不論是傳統化療、放射性治療或是靶標藥物,都如七傷拳一般,傷敵一千、自損八百,即便消滅了癌症,身體也難以回到原本的健康狀態。如何只殺死癌細胞而不影響身體的正常細胞,仍然是個夢想。一個以色列團隊的最新研究,把這個夢想往現實拉近了一大步,研究成果發表在生物學界知名的期刊《Cell》上,有趣的是,主要的研究人員都跨足了資訊工程的領域,因為他們用來對抗癌細胞的工具是「海量資料」的分析技術。

此研究利用一種被稱為「合成致死」(Synthetic lethality)的基因對,意指一對相對應的基因,若二者同時處於去活化狀態(inactive),則細胞就無法存活。但只要其中一個基因是活化狀態(active)[註],即便另一個去活化,細胞仍為正常存活。很像我們蘇花公路的雙向單線路段,若一線道封閉,管制一下還是可以通車,雙向皆封,路就不通了。

(奇怪的是科學家怎麼會把一個專業名詞取做「合成致死」這種像二流科幻片的字眼呢?取做「二槍斃命」如何?至少可以從二流的科幻片變成不錯的動作喜劇片。)

由於癌症與先天的基因缺陷或後天的基因突變有很大的關聯,往往可在癌症細胞內發現去活化的基因,相同的基因在正常細胞內則處於活化狀態,此時若以藥物手段抑制該基因的「合成致死」配對,就可達到只殺死癌細胞而不影響正常細胞的療效。

人類的基因組多達20000~25000組,加上基因活化/去活化的變數,產生更多的排列組合可能,來自各個實驗及臨床的數據形成了「海量資料」,要如何從這「海量資料」中分析出合成致死的基因對,就是本研究的主要課題。

如果二個基因是「合成致死」對,同時處於去活化狀態,那麼攜帶這對基因的細胞就已被「致死」了,相關的數據不會被納入這個海量資料庫內,所以研究團隊採取反向的操作:首先,在細胞內同時去活化的基因們,彼此間一定不是合成致死對,可以將之排除;再來,研究團隊比對暨有的shRNA資料庫(shRNA會抑制基因活化),可做進一步的篩選;最後,利用合成致死基因對的另一個特性:當他們處處活化狀態時,常常會同時進行產出蛋白質的動作,稱做基因共表現(coexpression),研究人員得以找出合成致死基因對的候選人。

這些以數據分析找到的合成致死基因對與已知的合成致死基因比對,有高度的相符。

一位關鍵的研究人員在酒醉後接受訪問時表示:「原本我想找到我跟老婆吵架的原因,因此將會讓她生氣的行為當作資料庫進行分析。這個研究後來失敗了,因為會讓老婆生氣的變因太多,而且還是時間的函數。不過當時開發的軟體,意外地適用於分析合成致死基因對的資料庫。」(誤)

研究團隊同時指出,某些用於治療其他疾病的藥物,其實有抑制部份基因活化的作用,若該基因與癌細胞內的去活化基因為合成致命組,那麼這些藥就有用於治療癌症的可能。

這個研究成果也開發出一片「舊藥新用」的藍海!(舊藥已通過臨床測試,所以發現舊藥物的新用途比之開發新的藥物,節省了許多成本。)

[註]:活化的基因代表會有「基因表現」(gene expression)。而基因表現的解釋為基因中的DNA序列生產出蛋白質的過程。步驟大致從DNA轉錄成mRNA開始,一直到對於蛋白質進行後轉譯修飾為止。

基因的表現,首先需要將遺傳資訊從DNA上轉錄至信使RNA,然後再通過轉運RNA轉譯成蛋白質。 圖片及文字來源:wikipedia

基因的表現,首先需要將遺傳資訊從DNA上轉錄至信使RNA,然後再通過轉運RNA轉譯成蛋白質。
圖片及文字來源:wikipedia

參考資料:

  1. Science Daily “Innovative algorithm spots interactions lethal to cancer." 03/09/2014
  2. Livnat Jerby-Arnon et al. “Predicting Cancer-Specific Vulnerability via Data-Driven Detection of  Synthetic Lethality“, Cell 158, 1199–1209, 2014.

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」