Genomická nestabilita ( anglicky genomic instability ) (také „genetická nestabilita“ ( anglicky genetic instability ) nebo „genomová nestabilita“ ( anglicky Genome instability )) je dána vysokou frekvencí mutací v genomu buněčné linie. Tyto mutace mohou zahrnovat změny v sekvenci nukleové kyseliny , chromozomální přeuspořádání nebo aneuploidii . Genomická nestabilita je ústředním faktorem karcinogeneze [1] , ale také faktorem některých neurodegenerativních onemocnění, jako je amyotrofická laterální skleróza nebo neuromuskulární onemocnění myotonická dystrofie .
Zdroje genomové nestability byly objasněny teprve nedávno. Vysoká frekvence externě způsobeného poškození DNA [2] může být jedním ze zdrojů genomové nestability, protože poškození DNA může vést k nepřesné syntéze poškozením nebo opravnými chybami vedoucími k mutaci. Dalším zdrojem genomové nestability může být epigenetické nebo mutační snížení exprese genů pro opravu DNA . Protože endogenní (metabolismem indukované) poškození DNA je tak časté a vyskytuje se v lidských buněčných genomech v průměru více než 60 000krát denně , jakékoli snížení opravy DNA bude pravděpodobně důležitým zdrojem genomové nestability.
Obecně platí, že všechny buňky jednotlivce daného druhu (rostlina nebo zvíře) mají konstantní počet chromozomů , které tvoří takzvaný karyotyp , který tento druh definuje, i když některé druhy vykazují poměrně vysokou variabilitu karyotypu. U lidí se mutace , které by změnily aminokyselinu proteinu v kódující oblasti genomu, vyskytují v průměru pouze 0,35 generace (méně než jeden mutantní protein na generaci) [3] .
Někdy lze u druhů se stabilním karyotypem pozorovat náhodné změny, které mění normální počet chromozomů. V jiných případech dochází ke strukturálním změnám ( chromozomální translokace , delece ...), které mění standardní sadu chromozomů. V těchto případech je indikováno, že postižený organismus vykazuje genomovou nestabilitu (také genetickou nestabilitu nebo dokonce chromozomální nestabilitu ). Proces nestability genomu často vede k situaci aneuploidie , ve které mají buňky řadu chromozomů nad nebo pod normálem pro daný druh.
Z asi 200 neurologických a neuromuskulárních poruch má 15 jasnou souvislost s dědičným nebo získaným defektem v jedné z cest opravy DNA nebo nadměrným genotoxickým oxidačním stresem [4] [5] . Pět z nich ( pigmentosa suchá kůže , Cockayneův syndrom , trichothiodystrofie , Downův syndrom a triple syndrom má defekt v excizi reparační dráhy nukleotidové DNA. Šest ( spinocerebelární ataxie s axonální neuropatií 1, Huntingtonova choroba , Alzheimerova choroba , Zdá se, že Parkinsonova choroba , Downův syndrom a amyotrofická laterální skleróza jsou výsledkem zvýšeného oxidačního stresu a neschopnosti základní dráhy opravy excize zpracovat poškození DNA Čtyři z nich ( Huntingtonova choroba , různé spinální a cerebelární ataxie , Friedreichova ataxie a myotonické dystrofie typy 1 a 2) mají často neobvyklé rozšířené opakující se sekvence v DNA, které lze pravděpodobně připsat genomové nestabilitě Čtyři ( ataxie telangiectasia , ataxia telangiectasia jako porucha, syndrom poškození Nijmegen a Alzheimerova choroba ) jsou defekty v genech zapojených do dvojité DNA. oprava přetržení pramene. Stres je hlavní příčinou genomové nestability v mozku. Vzácná neurologická onemocnění se vyskytují, když je nedostatečná cesta, která normálně zabraňuje oxidačnímu stresu, nebo je nedostatečná cesta opravy DNA, která normálně opravuje poškození způsobené oxidačním stresem.
U rakoviny může nastat nestabilita genomu před transformací nebo v důsledku ní [6] . Genomická nestabilita se může týkat akumulace nadbytečných kopií DNA nebo chromozomů , chromozomálních translokací , chromozomálních inverzí , chromozomálních delecí , jednořetězcových zlomů v DNA, dvouřetězcových zlomů v DNA, interkalací cizích látek ve dvoušroubovici DNA nebo jakýchkoli jiných patologické změny v terciární struktuře DNA, které mohou vést buď ke ztrátě DNA, nebo chybné expresi genů . Situace s genomickou nestabilitou (stejně jako aneuploidie ) jsou v rakovinných buňkách rozšířené a jsou pro ně považovány za „vizitku“. Nepředvídatelná povaha těchto událostí je také hlavním přispěvatelem k heterogenitám pozorovaným mezi nádorovými buňkami.
Nyní se obecně uznává, že sporadické nádory (nefamiliární) vznikají v důsledku akumulace několika genetických chyb [7] . V průměru může mít rakovina prsu nebo tlustého střeva 60 až 70 proteinových mutačních změn, z nichž asi 3 nebo 4 mohou být „řidičem“ mutace a zbytek – „pasažéři“ mutace [8] . Jakékoli genetické nebo epigenetické poškození povede ke zvýšení četnosti mutací, v důsledku toho ke zvýšení akvizice nových mutací, čímž se zvýší pravděpodobnost rozvoje nádoru [9] . O procesu karcinogeneze je známo, že diploidní buňky získávají mutace v genech odpovědných za udržování integrity genomu a také v genech, které přímo řídí buněčnou proliferaci [10] . Genetická nestabilita může nastat v důsledku nedostatků v opravě DNA nebo v důsledku ztráty nebo zvýšení počtu chromozomů nebo v důsledku rozsáhlých chromozomálních přestaveb. Ztráta genetické stability podpoří vývoj nádoru, protože upřednostňuje generaci mutantů, které lze selektovat v prostředí [11] .
Oblasti kódující proteiny lidského genomu, souhrnně označované jako exom , tvoří pouze 1,5 % celkového genomu [12] . Jak je uvedeno výše, u lidí se obvykle vyskytuje průměrně pouze 0,35 mutací exomu na generaci (rodič-dítě) . V celém genomu (včetně nekódujících oblastí) existuje u lidí pouze asi 70 nových mutací za generaci [13] [14] .
Pravděpodobně hlavní příčinou mutací u rakoviny je poškození DNA [15] . Například v případě rakoviny plic je poškození DNA způsobeno činiteli exogenního genotoxického tabákového kouře (např. akrolein, formaldehyd, akrylonitril, 1,3-butadien acetaldehyd, ethylenoxid a isopren) [16] . Velmi časté je také endogenní (metabolicky vyvolané) poškození DNA, které se v genomech lidských buněk vyskytuje v průměru více než 60 000krát denně. Externě a endogenně způsobené ztráty mohou být přeměněny na mutace nepřesnou syntézou poškozením nebo nepřesnou opravou DNA (například přidáním nehomologních koncovek ). Navíc poškození DNA může také vést k epigenetickým změnám během opravy DNA [17] [18] [19] . Ke vzniku rakoviny mohou přispívat jak mutace, tak epigenetické změny (epimutace).
Jak bylo uvedeno výše, v exomu (kódující ( proteinová oblast) rakoviny ) se vyskytují asi 3 nebo 4 mutační ovladače a 60 cestujících mutace [8] . Mnohem větší počet mutací se však vyskytuje v oblastech DNA nekódujících protein . Průměrný počet mutací v sekvenci DNA je celkový genom vzorku tkáně rakoviny prsu asi 20 000 [20] V průměrném vzorku tkáně melanomu (kde melanomy mají vyšší míru mutace exomu [8] ), celkový počet sekvencí DNA s mutací je asi 80 000 [21] .
Vysoká míra mutací v celém genomu u rakoviny naznačuje, že často brzy může být příčinou karcinogenních změn nedostatek opravy DNA . Frekvence mutací se významně (někdy až 100krát) zvyšuje v buňkách, které jsou defektní ve smyslu nesprávného párování oprav DNA [ 22] [23] nebo při homologní rekombinantní opravě DNA [24] . Navíc k tomu vedou chromozomální přestavby a nárůst aneuploidie genu BLM u člověka s defektem v opravě DNA [25] .
Nedostatek opravy DNA sám o sobě může umožnit akumulaci poškození DNA a náchylnost k chybám syntézy poškozením některých z nich může vést k mutacím. Neschopnost opravit tato nahromaděná poškození DNA může navíc vést k epigenetickým změnám nebo epimutacím. Zatímco mutace nebo epimutace v genu pro opravu DNA nemají samy o sobě selektivní výhodu, například opravný defekt může být přenášen jako cestující v buňce, když buňka získá další mutaci/epimutaci, aby poskytla proliferační výhodu. Buňky, jako jsou buňky s proliferativní výhodou a jedním nebo více defekty opravy DNA (způsobujícími vysokou míru mutací), pravděpodobně vedou k 20 000 až 80 000 celkových genomových mutací často pozorovaných u rakoviny.
V somatických buňkách jsou nedostatky v opravě DNA někdy důsledkem mutací v genech pro opravu DNA, ale mnohem častěji z epigenetického snížení exprese těchto genů. Ze 113 sekvencí kolorektálního karcinomu tedy pouze čtyři měly somatické missense mutace v genu pro opravu MGMT DNA , zatímco většina těchto karcinomů snižovala expresi MGMT v důsledku metylace promotorové oblasti MGMT [26] .
Podobně u 119 případů kolorektálního karcinomu klasifikovaných jako nedostatečná oprava DNA a nedostatek exprese genu PMS2 byl Pms2 deficitní v 6 případech kvůli mutacím v genu PMS2, zatímco ve 103 případech byla exprese PMS2 nedostatečná, protože jeho párování s partnerem MLH1 bylo potlačeno. k methylaci promotoru (protein (PMS2 je nestabilní v nepřítomnosti MLH1) [27] . V dalších 10 případech byla ztráta exprese PMS2 pravděpodobně způsobena epigenetickou nadexpresí miRNA, Mir-155, která reguluje MLH1 [28] .
Částečný seznam epigenetických nedostatků nalezených v genech pro opravu DNA u sporadických rakovin zahrnuje výskyt mezi 13 % -100 % epigenetických defektů v genech: BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 a ATM , včetně prsu, vaječníků, tlustého střeva, hlavy a krku. Bylo zjištěno, že dva nebo tři epigenetické deficity v expresi ERCC1, XPF a/nebo PMS2 se vyskytují současně u většiny ze 49 karcinomů tlustého střeva [29] . Některé z těchto nedostatků opravy DNA mohou být způsobeny epimutacemi v miRNA.