Mutacja zarodkowa - Germline mutation
Mutację linii zarodkowej lub rozmnażania mutacja , ma żadnego mierzalnego zmienność wewnątrz komórek rozrodczych (komórki, że kiedy w pełni rozwinięte, stają się plemników i komórek jajowych ). Mutacje w tych komórkach są jedynymi mutacjami, które można przekazać potomstwu, gdy zmutowany plemnik lub oocyt łączą się, tworząc zygotę . Po tym zapłodnieniu komórki zarodkowe dzielą się szybko, aby wyprodukować wszystkie komórki w ciele, powodując, że ta mutacja jest obecna w każdej komórce somatycznej i zarodkowej potomstwa; jest to również znane jako mutacja konstytucyjna. Mutacja germinalna różni się od mutacji somatycznej .
Mutacje linii zarodkowej mogą być spowodowane różnymi czynnikami endogennymi (wewnętrznymi) i egzogennymi (zewnętrznymi) i mogą występować podczas rozwoju zygoty. Mutacja, która pojawia się tylko w komórkach zarodkowych, może skutkować potomstwem z chorobą genetyczną, która nie występuje u żadnego z rodziców; dzieje się tak, ponieważ mutacja nie występuje w reszcie ciała rodziców, tylko w linii zarodkowej. Ze względu na wiele poważnych chorób wywodzących się z mutacji de novo w linii zarodkowej, można zastosować różne techniki edycji genów w celu wywołania pęknięć DNA i naprawy mutacji.
Kiedy zachodzi mutageneza
Mutacje germinalne mogą wystąpić przed zapłodnieniem oraz na różnych etapach rozwoju zygoty. Kiedy pojawi się mutacja, określi jej wpływ na potomstwo. Jeśli mutacja pojawi się w plemniku lub oocytu przed rozwojem, mutacja będzie obecna w każdej komórce ciała osobnika. Mutacja, która pojawia się wkrótce po zapłodnieniu, ale przed określeniem komórek zarodkowych i somatycznych, mutacja będzie obecna w dużej części komórki osobnika bez uprzedzeń w kierunku komórek zarodkowych lub somatycznych, nazywana jest również mutacją gonosomalną. Mutacja, która pojawia się później w rozwoju zygoty, będzie obecna w małym podzbiorze komórek somatycznych lub komórek zarodkowych, ale nie w obu.
Powoduje
Czynniki endogenne
Mutacja linii zarodkowej często powstaje z powodu czynników endogennych , takich jak błędy w replikacji komórek i uszkodzenia oksydacyjne. Uszkodzenia te rzadko są naprawiane w sposób niedoskonały, ale ze względu na wysoki stopień podziału komórek zarodkowych mogą występować często.
Mutacje endogenne są bardziej widoczne w plemnikach niż w komórkach jajowych. Dzieje się tak, ponieważ spermatocyty przechodzą przez większą liczbę podziałów komórkowych przez całe życie mężczyzny, co skutkuje większą liczbą cykli replikacji, które mogą skutkować mutacją DNA. Występują również błędy w jajeczku matki, ale w mniejszym stopniu niż w plemnikach ojca. Rodzaje występujących mutacji również różnią się między płciami. Jaja matki po wyprodukowaniu pozostają w zastoju, dopóki każde z nich nie zostanie wykorzystane w owulacji. Wykazano, że ten długi okres stazy skutkuje większą liczbą delecji, duplikacji, insercji i transwersji chromosomalnych i dużych sekwencji. Z drugiej strony plemnik ojca podlega ciągłej replikacji przez całe życie, co skutkuje wieloma małymi mutacjami punktowymi, które wynikają z błędów w replikacji. Mutacje te obejmują delecje pojedynczych par zasad, insercje, duplikacje i zmiany aminokwasów.
Uszkodzenia oksydacyjne to kolejny endogenny czynnik, który może powodować mutacje w linii zarodkowej. Ten rodzaj uszkodzenia jest powodowany przez reaktywne formy tlenu, które gromadzą się w komórce jako produkt uboczny oddychania komórkowego . Te reaktywne formy tlenu nie mają elektronu, a ponieważ są silnie elektroujemne (mają silne przyciąganie elektronów), odrywają elektron od innej cząsteczki. Może to zainicjować uszkodzenie DNA, ponieważ powoduje przejście guaniny kwasu nukleinowego do 8-oksoguaniny (8-oksoG). Ta cząsteczka 8-oksoG jest następnie mylona z tyminą przez polimerazę DNA podczas replikacji, powodując transwersję G>T na jednej nici DNA i transwersję C>A na drugiej.
Czynniki egzogeniczne
Mutacja linii zarodkowej może również wystąpić z powodu czynników egzogennych . Podobnie jak mutacje somatyczne, mutacje zarodkowe mogą być spowodowane ekspozycją na szkodliwe substancje, które uszkadzają DNA komórek zarodkowych. Uszkodzenie to może być wtedy albo doskonale naprawione i żadne mutacje nie będą obecne, albo naprawione niedoskonale, co skutkuje różnymi mutacjami. Egzogenne mutagenne obejmują szkodliwe substancje chemiczne i promieniowanie jonizujące ; Główna różnica między mutacjami linii zarodkowej a mutacjami somatycznymi polega na tym, że komórki zarodkowe nie są narażone na promieniowanie UV , a zatem nie są często mutowane bezpośrednio w ten sposób.
Implikacje kliniczne
Różne mutacje linii zarodkowej mogą w różny sposób wpływać na daną osobę w zależności od reszty genomu. Mutację dominującą wymaga jedynie 1 zmutowany gen do wytwarzania chorobie fenotyp , podczas gdy mutacja recesywna wymaga, aby oba allele być zmutowany w celu wytworzenia fenotyp choroby. Na przykład, jeśli zarodek odziedziczy już zmutowany allel po ojcu, a ten sam allel po matce przeszedł endogenną mutację, to dziecko będzie wykazywać chorobę związaną z tym zmutowanym genem, mimo że tylko jeden rodzic nosi zmutowany allel. To tylko jeden przykład tego, jak dziecko może wykazywać chorobę recesywną, podczas gdy zmutowany gen jest nosicielem tylko jednego rodzica. Wykrywanie nieprawidłowości chromosomalnych można wykryć in utero w przypadku niektórych chorób za pomocą próbek krwi lub USG, a także procedur inwazyjnych, takich jak amniopunkcja . Późniejsze wykrycie można znaleźć za pomocą badań przesiewowych genomu.
Nowotwór
Mutacje w genach supresorowych guza lub protoonkogenach mogą predysponować osobę do rozwoju guzów. Szacuje się, że dziedziczne mutacje genetyczne są zaangażowane w 5-10% nowotworów. Mutacje te sprawiają, że osoba jest podatna na rozwój nowotworu, jeśli druga kopia onkogenu zostanie przypadkowo zmutowana. Te mutacje mogą wystąpić w komórkach zarodkowych, dzięki czemu mogą być dziedziczne . Osoby, które dziedziczą mutacje linii zarodkowej w TP53, są predysponowane do pewnych wariantów raka, ponieważ białko wytwarzane przez ten gen hamuje nowotwory. Pacjenci z tą mutacją są również narażeni na zespół Li-Fraumeni . Inne przykłady obejmują mutacje w genach BRCA1 i BRCA2 , które predysponują do raka piersi i jajnika, lub mutacje w MLH1, które predysponują do dziedzicznego niepolipowatego raka jelita grubego .
choroba Huntingtona
Choroba Huntingtona jest autosomalną dominującą mutacją w genie HTT. Zaburzenie powoduje degradację mózgu, powodując niekontrolowane ruchy i zachowania. Mutacja obejmuje ekspansję powtórzeń w białku Huntingtona, powodując jego wzrost. Najprawdopodobniej dotyczy to pacjentów, którzy mają więcej niż 40 powtórzeń. Początek choroby zależy od liczby powtórzeń obecnych w mutacji; im większa liczba powtórzeń, tym pojawią się wcześniejsze objawy choroby. Ze względu na dominujący charakter mutacji, do wywołania choroby potrzebny jest tylko jeden zmutowany allel. Oznacza to, że jeśli jeden z rodziców zostanie zarażony, dziecko będzie miało 50% szans na odziedziczenie choroby. Ta choroba nie ma nosicieli, ponieważ jeśli pacjent ma jedną mutację, (najprawdopodobniej) zostanie dotknięta. Choroba zwykle ma późny początek, więc wielu rodziców ma dzieci, zanim się zorientują, że mają mutację. Mutację HTT można wykryć poprzez badanie przesiewowe genomu .
Trisomia 21
Trisomia 21 (znana również jako zespół Downa ) wynika z posiadania przez dziecko 3 kopii chromosomu 21. Ta duplikacja chromosomu występuje podczas tworzenia komórek zarodkowych, kiedy obie kopie chromosomu 21 kończą w tej samej komórce potomnej u matki lub ojca, a ta zmutowana komórka zarodkowa uczestniczy w zapłodnieniu zygoty. Innym, bardziej powszechnym sposobem, w jaki może to nastąpić, jest pierwszy podział komórki po utworzeniu zygoty. Ryzyko trisomii 21 wzrasta wraz z wiekiem matki, przy czym ryzyko wynosi 1/2000 (0,05%) w wieku 20 lat i wzrasta do 1/100 (1%) w wieku 40 lat. Chorobę tę można wykryć zarówno za pomocą procedur nieinwazyjnych, jak i inwazyjnych prenatalnie. Procedury nieinwazyjne obejmują skanowanie DNA płodu przez osocze matki z użyciem próbki krwi.
Mukowiscydoza
Mukowiscydoza jest chorobą dziedziczoną autosomalnie recesywnie , która powoduje różne objawy i powikłania, z których najczęstszym jest gęsty śluz w tkance nabłonkowej płuc z powodu nieprawidłowej wymiany soli, ale może również wpływać na trzustkę , jelita , wątrobę i nerki . Wiele procesów cielesnych może być dotkniętych dziedzicznym charakterem tej choroby; jeśli choroba jest obecna w DNA zarówno plemnika, jak i komórki jajowej, to będzie obecna w zasadzie w każdej komórce i narządzie w ciele; te mutacje mogą wystąpić początkowo w komórkach linii zarodkowej lub być obecne we wszystkich komórkach rodzicielskich. Najczęstszą mutacją obserwowaną w tej chorobie jest ΔF508, co oznacza delecję aminokwasu w pozycji 508. Jeśli oboje rodzice mają zmutowane białko CFTR (regulator przewodnictwa przezbłonowego mukowiscydozy), to ich dzieci mają 25% dziedziczenia choroby. Jeśli dziecko ma 1 zmutowaną kopię CFTR, nie rozwinie choroby, ale stanie się nosicielem choroby. Mutację można wykryć przed urodzeniem za pomocą amniopunkcji lub po urodzeniu za pomocą prenatalnych badań genetycznych.
Aktualne terapie
Wiele zaburzeń Mendla wynika z dominujących mutacji punktowych w genach, w tym mukowiscydozy , beta-talasemii , anemii sierpowatej i choroby Tay-Sachsa . Indukując dwuniciowe pęknięcie w sekwencjach otaczających mutację punktową powodującą chorobę, dzieląca się komórka może wykorzystać niezmutowaną nić jako matrycę do naprawy nowo uszkodzonej nici DNA, pozbywając się mutacji powodującej chorobę. Wiele różnych technik edycji genomu zostało wykorzystanych do edycji genomu, a zwłaszcza edycji mutacji linii zarodkowej w komórkach zarodkowych i rozwoju zygot; jednak, chociaż te terapie zostały szeroko zbadane, ich zastosowanie w edycji ludzkiej linii zarodkowej jest ograniczone.
Edycja CRISPR/Cas9
Ten system edycji indukuje dwuniciowe pęknięcie w DNA, wykorzystując kierujący RNA i białko efektorowe Cas9 do przerwania szkieletów DNA w określonych sekwencjach docelowych. System ten wykazał wyższą specyficzność niż TALEN lub ZFN ze względu na białko Cas9 zawierające homologiczne (komplementarne) sekwencje do odcinków DNA otaczających miejsce, które ma być cięte. Ta uszkodzona nić może być naprawiona na dwa główne sposoby: naprawa ukierunkowana homologicznie (HDR), jeśli nić DNA jest obecna do wykorzystania jako matryca (homologiczna lub dawcy), a jeśli nie, to sekwencja zostanie poddana niehomologicznej zakończenie przyłączania (NHEJ). NHEJ często powoduje insercje lub delecje w obrębie genu będącego przedmiotem zainteresowania, ze względu na przetwarzanie tępych końców nici i jest sposobem na badanie nokautów genów w warunkach laboratoryjnych. Metodę tę można zastosować do naprawy mutacji punktowej przy użyciu chromosomu siostrzanego jako matrycy lub poprzez dostarczenie matrycy dwuniciowego DNA z maszynerią CRISPR /Cas9 do zastosowania jako matrycy naprawczej.
Metoda ta została wykorzystana w obu modelach ludzkich i zwierzęcych ( Drosophila , Mus musculus , i Arabidopsis ), a obecne badania jest koncentruje się na zapewnieniu ten system bardziej szczegółowy, aby zminimalizować off-target miejsca cięcia.
Edycja TALEN
System edycji genomu TALEN (nukleazy efektorowe podobne do aktywatora transkrypcji) służy do indukowania pęknięcia dwuniciowego DNA w określonym locus w genomie, które można następnie wykorzystać do mutacji lub naprawy sekwencji DNA. Funkcjonuje przy użyciu specyficznej, powtarzanej sekwencji aminokwasu o długości 33-34 aminokwasów. Specyficzność miejsca wiązania DNA jest określona przez specyficzne aminokwasy w pozycjach 12 i 13 (nazywane również powtórzeniem zmiennej zmiennej Diresidue (RVD)) tego powtórzenia tandemowego, przy czym niektóre RVD wykazują wyższą specyficzność dla określonych aminokwasów niż inne. Po zainicjowaniu pęknięcia DNA końce można połączyć z NHEJ, która indukuje mutacje, lub z HDR, który może naprawić mutacje.
Edycja ZFN
Podobnie jak TALEN, nukleazy palca cynkowego (ZFN) są wykorzystywane do tworzenia dwuniciowego pęknięcia w DNA w określonym locus w genomie. Kompleks redakcyjny ZFN składa się z białka palca cynkowego (ZFP) i domeny cięcia enzymu restrykcyjnego. Domena ZNP może zostać zmieniona, aby zmienić sekwencję DNA, którą tnie enzym restrykcyjny , a to wydarzenie cięcia inicjuje procesy naprawy komórkowej, podobne do edycji DNA CRISPR/Cas9.
W porównaniu z CRISPR/Cas9 zastosowania terapeutyczne tej technologii są ograniczone ze względu na rozległą inżynierię wymaganą, aby każdy ZFN był specyficzny dla pożądanej sekwencji.