Niestabilność genomu - Genome instability

Niestabilność genomu (również niestabilność genetyczna lub niestabilność genomowa ) odnosi się do wysokiej częstotliwości mutacji w genomie linii komórkowej. Mutacje te mogą obejmować zmiany w sekwencjach kwasów nukleinowych , rearanżacje chromosomów lub aneuploidię . Niestabilność genomu występuje u bakterii. W organizmach wielokomórkowych niestabilność genomu ma kluczowe znaczenie dla karcynogenezy, au ludzi jest ona również czynnikiem w niektórych chorobach neurodegeneracyjnych , takich jak stwardnienie zanikowe boczne lub dystrofia miotoniczna choroby nerwowo- mięśniowej .

Źródła niestabilności genomu dopiero niedawno zaczęto wyjaśniać. Wysoka częstotliwość uszkodzeń DNA spowodowanych zewnętrznie może być jednym ze źródeł niestabilności genomu, ponieważ uszkodzenia DNA mogą powodować niedokładną syntezę translezji po uszkodzeniach lub błędach naprawy, prowadząc do mutacji . Innym źródłem niestabilności genomu może być epigenetyczna lub mutacyjna redukcja ekspresji genów naprawy DNA. Ponieważ endogenne (spowodowane metabolizmem) uszkodzenia DNA są bardzo częste, występują średnio ponad 60 000 razy dziennie w genomach komórek ludzkich, każda zmniejszona naprawa DNA jest prawdopodobnie ważnym źródłem niestabilności genomu.

Zwykła sytuacja genomowa

Zwykle wszystkie komórki osobnika danego gatunku (roślinnego lub zwierzęcego) wykazują stałą liczbę chromosomów , które stanowią tzw. kariotyp określający ten gatunek (patrz też Lista liczby chromosomów różnych organizmów ), chociaż niektóre gatunki prezentują bardzo dużą zmienność kariotypową. U ludzi mutacje, które zmieniłyby aminokwas w regionie kodującym białko genomu, występują średnio tylko 0,35 na pokolenie (mniej niż jedno zmutowane białko na pokolenie).

Czasami u gatunku ze stabilnym kariotypem można zaobserwować losowe zmiany, które modyfikują normalną liczbę chromosomów. W innych przypadkach występują zmiany strukturalne ( translokacje chromosomowe , delecje ...), które modyfikują standardowy dopełniacz chromosomalny. W takich przypadkach wskazuje się, że zaatakowany organizm wykazuje niestabilność genomu (także niestabilność genetyczną , a nawet niestabilność chromosomową ). Proces niestabilności genomu często prowadzi do sytuacji aneuploidii , w której komórki prezentują liczbę chromosomów wyższą lub niższą niż normalny dopełniacz dla gatunku.

Przyczyny niestabilności genomu

Defekty replikacji DNA

W cyklu komórkowym DNA jest zwykle najbardziej wrażliwe podczas replikacji. Replikom musi być w stanie pokonywać przeszkody, takie jak ciasno nawinięta chromatyna ze związanymi białkami, jedno- i dwuniciowe pęknięcia, które mogą prowadzić do zatrzymania widełek replikacyjnych. Każde białko lub enzym w replisomie musi dobrze spełniać swoją funkcję, aby uzyskać idealną kopię DNA. Mutacje białek, takich jak polimeraza DNA, ligaza, mogą prowadzić do upośledzenia replikacji i prowadzić do spontanicznej wymiany chromosomów. Białka takie jak Tel1, Mec1 (ATR, ATM u ludzi) mogą wykrywać jedno- i dwuniciowe pęknięcia i rekrutować czynniki, takie jak helikaza Rmr3, aby stabilizować widełki replikacyjne, aby zapobiec ich załamaniu. Mutacje w helikazy Tel1, Mec1 i Rmr3 powodują znaczny wzrost rekombinacji chromosomów. ATR reaguje w szczególności na zatrzymane widełki replikacyjne i pęknięcia jednoniciowe wynikające z uszkodzenia UV, podczas gdy ATM reaguje bezpośrednio na pęknięcia dwuniciowe. Białka te zapobiegają również progresji do mitozy poprzez hamowanie wyzwalania późnych miejsc startowych replikacji, aż pęknięcia DNA zostaną utrwalone przez fosforylację CHK1, CHK2, co skutkuje kaskadą sygnalizacyjną zatrzymującą komórkę w fazie S. W przypadku pęknięć jednoniciowych replikacja zachodzi do miejsca pęknięcia, następnie druga nić jest nacinana, tworząc pęknięcie dwuniciowe, które można następnie naprawić za pomocą replikacji indukowanej przerwaniem lub rekombinacji homologicznej przy użyciu chromatydy siostrzanej jako wolnej od błędów matrycy. Oprócz punktów kontrolnych fazy S, istnieją punkty kontrolne G1 i G2 w celu sprawdzenia przejściowych uszkodzeń DNA, które mogą być spowodowane przez mutageny, takie jak uszkodzenie UV. Przykładem jest gen rad9 Saccharomyces pombe, który zatrzymuje komórki w późnej fazie S/G2 w obecności uszkodzenia DNA spowodowanego promieniowaniem. Komórki drożdży z uszkodzonym rad9 nie zatrzymały się po napromieniowaniu, kontynuowały podział komórek i szybko obumarły, podczas gdy komórki z rad9 typu dzikiego z powodzeniem zatrzymały się w późnej fazie S/G2 i pozostały żywotne. Zatrzymane komórki były w stanie przeżyć dzięki wydłużonemu czasowi w fazie S/G2, umożliwiającemu pełne funkcjonowanie enzymów naprawy DNA.

Delikatne witryny

W genomie znajdują się gorące punkty, w których sekwencje DNA są podatne na przerwy i pęknięcia po zahamowaniu syntezy DNA, jak we wspomnianym wcześniej zatrzymaniu w punkcie kontrolnym. Miejsca te nazywane są miejscami kruchymi i mogą występować powszechnie jako naturalnie obecne w większości genomów ssaków lub występować rzadko w wyniku mutacji, takich jak ekspansja powtórzeń DNA. Rzadkie kruche miejsca mogą prowadzić do chorób genetycznych, takich jak zespół upośledzenia umysłowego łamliwego chromosomu X, dystrofia miotoniczna, ataksja Friedricha i choroba Huntingtona, z których większość jest spowodowana ekspansją powtórzeń na poziomie DNA, RNA lub białka. Chociaż, pozornie szkodliwe, te wspólne kruche miejsca są chronione aż do drożdży i bakterii. Te wszechobecne miejsca charakteryzują się powtórzeniami trinukleotydowymi, najczęściej CGG, CAG, GAA i GCN. Te powtórzenia trinukleotydowe mogą tworzyć spinki do włosów, co prowadzi do trudności w replikacji. Pod wpływem stresu replikacyjnego , takiego jak wadliwa maszyneria lub dalsze uszkodzenia DNA, w tych delikatnych miejscach mogą powstawać pęknięcia i luki DNA. Użycie chromatydy siostrzanej jako naprawy nie jest niezawodną kopią zapasową, ponieważ informacje o otaczającym DNA powtórzeń n i n+1 są praktycznie takie same, co prowadzi do zmienności liczby kopii. Na przykład 16. kopia CGG może być zmapowana do 13. kopii CGG w siostrzanej chromatydzie, ponieważ otaczające DNA to zarówno CGGCGGCGG…, co prowadzi do 3 dodatkowych kopii CGG w końcowej sekwencji DNA.

Niestabilność związana z transkrypcją

Zarówno w E. coli, jak i Saccromyces pombe miejsca transkrypcji mają tendencję do wyższych szybkości rekombinacji i mutacji. Nić kodująca lub nie podlegająca transkrypcji gromadzi więcej mutacji niż nić matrycowa. Wynika to z faktu, że nić kodująca jest jednoniciowa podczas transkrypcji, która jest chemicznie bardziej niestabilna niż dwuniciowy DNA. Podczas wydłużania transkrypcji za wydłużającą się polimerazą RNA może wystąpić superzwijanie się, co prowadzi do pęknięć jednoniciowych. Gdy nić kodująca jest jednoniciowa, może również hybrydyzować ze sobą, tworząc drugorzędowe struktury DNA, które mogą zakłócić replikację. U E. coli, przy próbie transkrypcji trypletów GAA, takich jak te występujące w ataksji Friedricha, powstały RNA i nić matrycowa mogą tworzyć niedopasowane pętle między różnymi powtórzeniami, prowadząc komplementarny segment w dostępnej nici kodującej do tworzenia własnych pętli, które utrudniają replikacja. Ponadto replikacja DNA i transkrypcja DNA nie są czasowo niezależne; mogą wystąpić w tym samym czasie i prowadzić do kolizji między widełkami replikacyjnymi a kompleksem polimerazy RNA. U S. cerevisiae helikaza Rrm3 znajduje się w genach o wysokim stopniu transkrypcji w genomie drożdży, które są rekrutowane do stabilizacji opóźniających się widełek replikacyjnych, jak opisano powyżej. Sugeruje to, że transkrypcja jest przeszkodą w replikacji, co może prowadzić do zwiększonego stresu w chromatynie na krótkiej odległości między rozwiniętym widelcem replikacyjnym a miejscem startu transkrypcji, potencjalnie powodując pęknięcia jednoniciowego DNA. W drożdżach białka działają jako bariery na końcu 3' jednostki transkrypcyjnej, zapobiegając dalszemu przemieszczaniu się widełek replikacyjnych DNA.

Zwiększ zmienność genetyczną

W niektórych częściach genomu zmienność jest niezbędna do przeżycia. Jednym z takich miejsc są geny Ig. W komórce pre-B region składa się ze wszystkich segmentów V, D i J. Podczas rozwoju komórki B wybierany jest specyficzny segment V, D i J, który łączy się ze sobą w celu utworzenia końcowego genu, który jest katalizowany przez rekombinazy RAG1 i RAG2. Indukowana przez aktywację deaminaza cytydynowa (AID) następnie przekształca cytydynę w uracyl. Uracyl normalnie nie występuje w DNA, a zatem zasada jest wycinana, a nacięcie jest przekształcane w dwuniciowe pęknięcie, które jest naprawiane przez łączenie niehomologicznych końców (NHEJ). Procedura ta jest bardzo podatna na błędy i prowadzi do hipermutacji somatycznej. Ta niestabilność genomowa ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia przeżycia ssaków przed infekcją. Rekombinacja V, D, J może zapewnić miliony unikalnych receptorów komórek B; jednak losowa naprawa przez NHEJ wprowadza zmienność, która może tworzyć receptor, który może wiązać się z wyższym powinowactwem do antygenów.

W chorobie neuronalnej i nerwowo-mięśniowej

Spośród około 200 zaburzeń neurologicznych i nerwowo-mięśniowych 15 ma wyraźny związek z dziedzicznym lub nabytym defektem jednego ze szlaków naprawy DNA lub nadmiernym genotoksycznym stresem oksydacyjnym. Pięć z nich ( xeroderma pigmentosum , zespół Cockayne'a , trichotiodystrofia , zespół Downa i zespół triple-A ) ma defekt w ścieżce naprawy przez wycinanie nukleotydów DNA. Sześciu ( ataksja rdzeniowo-móżczkowa z aksonów neuropatii-1, choroba Huntingtona , choroba Alzheimera , choroba Parkinsona , zespół Downa i stwardnienie zanikowe boczne ) zdają się wynikać ze zwiększonego stresu oksydacyjnego i niezdolność szlaku naprawy podstawy wycięcie na uchwyt uszkodzenia DNA to powoduje. Cztery z nich (choroba Huntingtona, różne ataksje rdzeniowo-móżdżkowe , ataksja Friedreicha i dystrofia miotoniczna typu 1 i 2) często mają niezwykłą ekspansję powtarzających się sekwencji w DNA, prawdopodobnie przypisywaną niestabilności genomu. Cztery ( ataksja-teleangiektazje , zaburzenia podobne do ataksji-teleangiektazji, zespół Nijmegena i choroba Alzheimera) mają defekty w genach zaangażowanych w naprawę dwuniciowych pęknięć DNA. Ogólnie rzecz biorąc, wydaje się, że stres oksydacyjny jest główną przyczyną niestabilności genomowej w mózgu. Konkretna choroba neurologiczna powstaje, gdy brakuje szlaku, który normalnie zapobiega stresowi oksydacyjnemu, lub szlaku naprawy DNA, który normalnie naprawia uszkodzenia spowodowane stresem oksydacyjnym.

W raku

W przypadku raka niestabilność genomu może wystąpić przed lub w wyniku transformacji. Genom niestabilność może odnosić się do akumulacji dodatkowych kopii DNA lub chromosomami , translokacje chromosomalne , chromosomalnych inwersji , chromosomowej delecji pojedynczych nici przerw w DNA, dwuniciowe pęknięcia w DNA, wtrącenie substancji obcych do podwójnej helisy DNA, lub wszelkie nieprawidłowe zmiany w trzeciorzędowej strukturze DNA, które mogą powodować utratę DNA lub nieprawidłową ekspresję genów. Sytuacje niestabilności genomu (jak również aneuploidii) są powszechne w komórkach nowotworowych i są uważane za „znak rozpoznawczy” tych komórek. Nieprzewidywalny charakter tych zdarzeń jest również głównym czynnikiem przyczyniającym się do niejednorodności obserwowanej wśród komórek nowotworowych.

Obecnie przyjmuje się, że sporadyczne nowotwory (nierodzinne) powstają w wyniku nagromadzenia kilku błędów genetycznych. Przeciętny rak piersi lub okrężnicy może mieć około 60 do 70 mutacji zmieniających białka, z których około 3 lub 4 mogą być mutacjami „kierowca”, a pozostałe mogą być mutacjami „pasażera” Dowolna zmiana genetyczna lub epigenetyczna zwiększająca częstość mutacji będzie miał w konsekwencji wzrost nabywania nowych mutacji, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo rozwoju nowotworu. Wiadomo, że w procesie nowotworzenia komórki diploidalne nabywają mutacje w genach odpowiedzialnych za utrzymanie integralności genomu ( geny opiekunów ), a także w genach bezpośrednio kontrolujących proliferację komórkową ( geny gatekeeper’a ). Niestabilność genetyczna może wynikać z braków w naprawie DNA lub z powodu utraty lub zyskania chromosomów, lub z powodu reorganizacji chromosomów na dużą skalę. Utrata stabilności genetycznej będzie sprzyjać rozwojowi nowotworu, ponieważ sprzyja powstawaniu mutantów, które mogą być wyselekcjonowane przez środowisko.

Mikrośrodowiska guza ma działanie hamujące na naprawy DNA ścieżek przyczynia się do niestabilności genomowej, co sprzyja przeżywalności guza, proliferacji i transformacji nowotworowej.

Niska częstotliwość mutacji bez raka

Regiony kodujące białka genomu ludzkiego, zwane łącznie egzomem , stanowią tylko 1,5% całego genomu. Jak wskazano powyżej, zwykle u ludzi występuje średnio tylko 0,35 mutacji w egzomie na pokolenie (od rodzica do dziecka). W całym genomie (włączając regiony niekodujące białek) u ludzi występuje tylko około 70 nowych mutacji na pokolenie.

Przyczyna mutacji w raku

Prawdopodobną główną przyczyną mutacji w raku jest uszkodzenie DNA. Na przykład w przypadku raka płuc uszkodzenie DNA jest powodowane przez czynniki zawarte w egzogennym genotoksycznym dymie tytoniowym (np. akroleina, formaldehyd, akrylonitryl, 1,3-butadien, aldehyd octowy, tlenek etylenu i izopren). Endogenne (spowodowane metabolizmem) uszkodzenia DNA są również bardzo częste, występują średnio ponad 60 000 razy dziennie w genomach komórek ludzkich (patrz uszkodzenia DNA (występujące naturalnie) ). Uszkodzenia wywołane zewnętrznie i endogennie mogą zostać przekształcone w mutacje przez niedokładną syntezę translekcji lub niedokładną naprawę DNA (np. przez łączenie niehomologicznych końców ). Ponadto uszkodzenia DNA mogą również powodować zmiany epigenetyczne podczas naprawy DNA. Zarówno mutacje, jak i zmiany epigenetyczne (epimutacje) mogą przyczyniać się do progresji raka .

Bardzo częste mutacje w raku

Jak wspomniano powyżej, w egzomie (region kodujący białko) nowotworu występuje około 3 lub 4 mutacje kierowcy i 60 mutacji pasażera. Jednak znacznie większa liczba mutacji występuje w regionach DNA niekodujących białek. Średnia liczba mutacji sekwencji DNA w całym genomie próbki tkanki raka piersi wynosi około 20 000. W przeciętnej próbce tkanki czerniaka (gdzie czerniaki mają większą częstość mutacji egzomu ) całkowita liczba mutacji sekwencji DNA wynosi około 80 000.

Przyczyna wysokiej częstotliwości mutacji w raku

Wysoka częstotliwość mutacji w całym genomie w obrębie nowotworów sugeruje, że często wczesna zmiana rakotwórcza może być niedoborem naprawy DNA. Szybkość mutacji znacznie wzrasta (czasem 100-krotnie) w komórkach uszkodzonych w naprawie niedopasowania DNA lub w naprawie homologicznej rekombinacji DNA . Ponadto, wzrost rearanżacji chromosomowych i aneuploidii u ludzi z uszkodzonym genem naprawy DNA BLM .

Sam brak naprawy DNA może umożliwić akumulację uszkodzeń DNA, a podatna na błędy synteza translekcji po niektórych z tych uszkodzeń może prowadzić do mutacji. Ponadto wadliwa naprawa tych nagromadzonych uszkodzeń DNA może powodować zmiany epigenetyczne lub epimutacje . Podczas gdy mutacja lub epimutacja w genie naprawy DNA sama w sobie nie przyniesie korzyści selekcyjnej, taki defekt naprawy może być przenoszony jako pasażer w komórce, gdy komórka nabywa dodatkową mutację/epimutację, która zapewnia przewagę proliferacyjną. Takie komórki, mające zarówno zalety proliferacyjne, jak i jedną lub więcej defektów naprawy DNA (powodujących bardzo wysoki wskaźnik mutacji), prawdopodobnie powodują 20 000 do 80 000 mutacji całego genomu często obserwowanych w nowotworach.

Niedobór naprawy DNA w raku

W komórkach somatycznych braki w naprawie DNA czasami wynikają z mutacji w genach naprawy DNA, ale znacznie częściej są spowodowane epigenetycznym zmniejszeniem ekspresji genów naprawy DNA. Tak więc, w sekwencji 113 raków jelita grubego, tylko cztery miały somatyczne mutacje zmiany sensu w genie naprawy DNA MGMT, podczas gdy większość tych raków miała zmniejszoną ekspresję MGMT z powodu metylacji regionu promotora MGMT. Pięć raportów, wymienionych w artykule Epigenetyka (patrz rozdział „Epigenetyka naprawy DNA w raku”) przedstawiło dowody, że od 40% do 90% raków jelita grubego ma obniżoną ekspresję MGMT z powodu metylacji regionu promotora MGMT.

Podobnie, w 119 przypadkach raków jelita grubego sklasyfikowanych jako z niedoborem naprawy niedopasowania i bez ekspresji genu naprawy DNA PMS2, Pms2 był niedobór w 6 z powodu mutacji w genie PMS2, podczas gdy w 103 przypadkach ekspresja PMS2 była niewystarczająca, ponieważ jego partner parowania MLH1 był stłumiony z powodu do metylacji promotora (białko PMS2 jest niestabilne przy braku MLH1). Pozostałe 10 przypadków utraty ekspresji PMS2 było prawdopodobnie spowodowanych epigenetyczną nadekspresją mikroRNA, miR-155, która obniża poziom MLH1.

W epigenetyce nowotworów (patrz rozdział Częstość epimutacji w genach naprawy DNA ) znajduje się częściowa lista niedoborów epigenetycznych występujących w genach naprawy DNA w sporadycznych nowotworach. Obejmują one częstość występowania od 13 do 100% defektów epigenetycznych w genach BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 i ATM zlokalizowanych w nowotworach piersi, jajnika, jelita grubego oraz głowy i szyi . Stwierdzono, że dwa lub trzy epigenetyczne niedobory ekspresji ERCC1, XPF i/lub PMS2 występują jednocześnie w większości z 49 ocenianych nowotworów okrężnicy. Niektóre z tych niedoborów naprawy DNA mogą być spowodowane przez epimutacje w mikroRNA, jak podsumowano w sekcji artykułu MicroRNA zatytułowanej miRNA, naprawa DNA i rak .

Chłoniaki jako konsekwencja niestabilności genomu

Nowotwory zwykle wynikają z przerwania działania represora guza lub rozregulowania onkogenu. Wiedza, że ​​komórki B doświadczają pęknięć DNA podczas rozwoju, może dać wgląd w genom chłoniaków. Wiele rodzajów chłoniaków jest spowodowanych translokacją chromosomową, która może wynikać z przerw w DNA, prowadzących do nieprawidłowego łączenia. W chłoniaku Burkitta c-myc , onkogen kodujący czynnik transkrypcyjny, jest przemieszczany do pozycji za promotorem genu immunoglobuliny, co prowadzi do rozregulowania transkrypcji c-myc. Ponieważ immunoglobuliny są niezbędne dla limfocytów i mają wysoką ekspresję w celu zwiększenia wykrywania antygenów, c-myc jest również silnie wyrażany, co prowadzi do transkrypcji jego celów , które są zaangażowane w proliferację komórek. Chłoniak z komórek płaszcza charakteryzuje się fuzją cykliny D1 z locus immunoglobuliny. Cyklina D1 hamuje Rb, supresor nowotworu, prowadząc do onkogenezy. Chłoniak grudkowy powstaje w wyniku translokacji promotora immunoglobuliny do genu Bcl-2, co powoduje wzrost poziomu białka Bcl-2, które hamuje apoptozę. Uszkodzone DNA komórki B nie przechodzą już apoptozy, co prowadzi do dalszych mutacji, które mogą wpływać na geny sterujące, prowadząc do nowotworzenia. Lokalizacja translokacji w onkogenie ma wspólne właściwości strukturalne regionów docelowych AID , co sugeruje, że onkogen był potencjalnym celem AID, co prowadziło do dwuniciowego pęknięcia, które zostało przeniesione do locus genu immunoglobuliny poprzez naprawę NHEJ .

Bibliografia