Genomická nestabilita

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.

Obvyklá genomická situace

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.

Genomická nestabilita u neuronálních a nervosvalových onemocnění

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.

Genomická nestabilita u rakoviny

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] .

Nízká mutace bez rakoviny

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] .

Příčina mutací u rakoviny

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).

Vysoká míra mutací u rakoviny

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] .

Důvod vysokého počtu mutací u rakoviny

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.

Nedostatek opravy DNA 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.

Poznámky

  1. Schmitt, M.W.; Prindle, MJ; Loeb, L.A. Důsledky genetické heterogenity u rakoviny  //  Ann NY Acad Sci : deník. - 2012. - Sv. 1267 . - str. 110-116 . - doi : 10.1111/j.1749-6632.2012.06590.x . — PMID 22954224 .
  2. Møller, P. Genotoxicita environmentálních látek hodnocená alkalickým kometovým testem  //  Basic Clin Pharmacol Toxicol : journal. - 2005. - Sv. 96 , č. Poddajný 1 . - str. 1-42 . — PMID 15859009 .
  3. Keightley PD Míra a fitness důsledky nových mutací u lidí  //  Genetics: journal. - 2012. - únor ( roč. 190 , č. 2 ). - str. 295-304 . - doi : 10.1534/genetika.111.134668 . — PMID 22345605 .
  4. Subba Rao K. (2007). Mechanismy onemocnění: defekty reparace DNA a neurologická onemocnění. Nat Clinic Practice Neurol. 3(3):162-72. Posouzení. doi : 10.1038/ncpneuro0448 PMID 17342192
  5. Jeppesen, DK; Bohr, V. A.; Stevnsner, T. Nedostatek opravy DNA při neurodegeneraci  (anglicky)  // Prog Neurobiol  : journal. - 2011. - Sv. 94 , č. 2 . - S. 166-200 . - doi : 10.1016/j.pneurobio.2011.04.013 . — PMID 21550379 .
  6. Corcos, D. (2012), Nevyvážená replikace jako hlavní zdroj genetické nestability v rakovinných buňkách , AJBR sv . 2 (3): 160–9, PMID 23119227 
  7. Storchová, Z. & Pellman, D. (2004), Od polyploidie k aneuploidii, nestabilitě genomu a rakovině , Nat Rev Mol Cell Biol. V. 5 (1): 45–54, PMID 14708009 , DOI 10.1038/nrm1276 
  8. 1 2 3 Vogelstein B; Papadopoulos N; Velculescu VE; Zhou S; Diaz L.A.; Krajiny genomu rakoviny  Kinzler KW (anglicky)  // Science. - 2013. - březen ( roč. 339 , č. 6127 ). - S. 1546-1558 . - doi : 10.1126/science.1235122 . — PMID 23539594 .
  9. Nowak, MA; Komárová, NL; Sengupta, A. & Jallepalli, PV (2002), Role chromozomální nestability při iniciaci nádoru , Proc. Natl Acad. sci. USA vol. 99 (25): 16226–31, PMID 12446840 , DOI 10.1073/pnas.202617399 
  10. Kinzler, KW & Vogelstein, B. (duben 1997), Geny náchylnosti na rakovinu. Vrátní a správci , Nature T. 386 (6627): 761–3, PMID 9126728 , DOI 10.1038/386761a0 
  11. Cahill, D.P.; Kinzler, KW; Vogelstein, B. & Lengauer, C. (1999), Genetická nestabilita a darwinovská selekce v nádorech , Trends Cell Biol. V. 9 (12): M57–M60, PMID 10611684 , DOI 10.1016/S0168-9525(99)01874-0 
  12. Lander ES; Linton LM; Birren B; Nusbaum C; Zody MC; Baldwin J; Devon K; Dewar K; Doyle M; FitzHugh W; a kol. Počáteční sekvenování a analýza lidského genomu  //  Nature : journal. - 2001. - únor ( roč. 409 , č. 6822 ). - S. 860-921 . - doi : 10.1038/35057062 . — PMID 11237011 .
  13. Roach JC; Glusman G; SmithAF; a kol. Analýza genetické dědičnosti v rodinném kvartetu sekvenováním celého genomu  (anglicky)  // Science : journal. - 2010. - Duben ( roč. 328 , č. 5978 ). - S. 636-639 . - doi : 10.1126/science.1186802 . — PMID 20220176 .
  14. Campbell CD; Chong JX; Malig M; a kol. Odhadování míry lidských mutací pomocí autozygozity v základní populaci   // Nat . Genet.  : deník. - 2012. - Listopad ( roč. 44 , č. 11 ). - S. 1277-1281 . - doi : 10.1038/ng.2418 . — PMID 23001126 .
  15. Bernstein C, Prasad AR, Nfonsam V, Bernstein H. (2013). Poškození DNA, oprava DNA a rakovina, Nové směry výzkumu v opravách DNA, Prof. Clark Chen (Ed.), ISBN 978-953-51-1114-6 , InTech, http://www.intechopen.com/books/new-research-directions-in-dna-repair/dna-damage-dna- repair-and-cancer Archivováno 29. ledna 2021 na Wayback Machine
  16. Cunningham, F.H.; Fiebelkorn, S; Johnson, M; Meredith, C. Nová aplikace přístupu Margin of Exposure: segregace toxických látek tabákového kouře   // Food Chem Toxicol : deník. - 2011. - Sv. 49 , č. 11 . - S. 2921-2933 . - doi : 10.1016/j.fct.2011.07.019 . — PMID 21802474 .
  17. Cuozzo, C; Porcellini, A; Angrisano, T; Morano, A; Lee, B; Di Pardo, A; Messina, S; Juliano, R; Fusco, A; Santillo, M. R.; Muller, M.T.; Chiariotti, L; Gottesman, M.E.; Avvedimento, poškození DNA EV, oprava řízená homologií a metylace DNA  //  PLoS Genet : deník. - 2007. - Sv. 3 , ne. 7 . —P.e110 . _ - doi : 10.1371/journal.pgen.0030110 . — PMID 17616978 .
  18. O'Hagan HM, Mohammad HP, Baylin SB. Dvouřetězcové zlomy mohou iniciovat umlčení genu a SIRT1-dependentní nástup methylace DNA v exogenním promotoru CpG ostrova. PLoS Genet 2008;4(8) e1000155. doi : 10.1371/journal.pgen.1000155 PMID 18704159
  19. Gottschalk AJ, Timinszky G, Kong SE, Jin J, Cai Y, Swanson SK, Washburn MP, Florens L, Ladurner AG, Conaway JW, Conaway RC (2009). Poly(ADP-ribosyl)ace řídí nábor a aktivaci ATP-dependentního remodelátoru chromatinu. Proč Natl Acad Sci USA 106(33):13770-4. doi: 10.1073/pnas.0906920106. PMID 19666485 [PubMed – indexováno pro MEDLINE] PMCID: PMC2722505
  20. Yost SE; Smith EN; Schwab RB; Bao L; Jung H; WangX; Voest E; Pierce JP; Messer K; Parker B.A.; Harismendy O; Frazer KA Identifikace vysoce spolehlivých somatických mutací v celé genomové sekvenci formalínem fixovaných vzorků rakoviny prsu  // Nucleic Acids Res  . : deník. - 2012. - Srpen ( roč. 40 , č. 14 ). — P.e107 . - doi : 10.1093/nar/gks299 . — PMID 22492626 .
  21. Berger MF , Hodis E. , Heffernan TP , Deribe YL , Lawrence MS , Protopopov A. , Ivanova E. , Watson IR , Nickerson E. , Ghosh P. , Zhang H. , Zeid R. , Ren X. , Cibulskis K . , Sivachenko AY , Wagle N. , Sucker A. , ​​Sougnez C. , Onofrio R. , Ambrogio L. , Auclair D. , Fennell T. , Carter SL , Drier Y. , Stojanov P. , Singer MA , Voet D. , Jing R. , Saksena G. , Barretina J. , Ramos AH , Pugh TJ , Stránský N. , Parkin M. , Winckler W. , Mahan S. , Ardlie K. , Baldwin J. , Wargo J. , Schadendorf D. , Meyerson M. , Gabriel SB , Golub TR , Wagner SN , Lander ES , Getz G. , Chin L. , Garraway LA sekvenování genomu melanomu odhaluje časté mutace PREX2.  (anglicky)  // Nature. - 2012. - Sv. 485, č.p. 7399 . - S. 502-506. - doi : 10.1038/příroda11071 . — PMID 22622578 .
  22. Narayanan L; Fritzell JA; Baker SM; Liskay RM; Glazer PM Zvýšené úrovně mutací ve více tkáních myší s deficitem genu pro opravu chybného párování DNA Pms2  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1997. - Duben ( roč. 94 , č. 7 ). - str. 3122-3127 . - doi : 10.1073/pnas.94.7.3122 . — PMID 9096356 .
  23. Hegan DC; Narayanan L; Jiřík F.R.; Edelmann W; Liskay RM; Glazer PM Rozlišení vzorců genetické nestability u myší s deficitem genů pro opravu chybného párování Pms2, Mlh1, Msh2, Msh3 a Msh6  //  Carcinogenesis: journal. - 2006. - prosinec ( roč. 27 , č. 12 ). - S. 2402-2408 . - doi : 10.1093/carcin/bgl079 . — PMID 16728433 .
  24. Tutt AN; van Oostrom CT; Ross GM; van Steeg H; Ashworth A. Narušení Brca2 zvyšuje rychlost spontánních mutací in vivo: synergismus s ionizujícím zářením  // EMBO Rep  . : deník. - 2002. - březen ( roč. 3 , č. 3 ). - S. 255-260 . - doi : 10.1093/embo-reports/kvf037 . — PMID 11850397 .
  25. Němec, J. Bloomův syndrom. I. Genetická a klinická pozorování u prvních dvaceti sedmi pacientů  (anglicky)  // Am J Hum Genet : deník. - 1969. - březen ( roč. 21 , č. 2 ). - str. 196-227 . — PMID 5770175 .
  26. Halford S; Rowan A; Sawyer E; Talbot I; Tomlinson I. O(6)-methylguanin methyltransferáza u kolorektálních karcinomů: detekce mutací, ztráta exprese a slabá asociace s přechody G:C>A:T  //  Střevo: časopis. - 2005. - Červen ( roč. 54 , č. 6 ). - S. 797-802 . - doi : 10.1136/gut.2004.059535 . — PMID 15888787 .
  27. Truninger, K; Menigatti, M; Luz, J; Russell, A; Haider, R; Gebbers, JO; Bannwart, F; Yurtsever, H; Neuweiler, J; Riehle, H. M.; Cattaruzza, MS; Heinimann, K; Schär, P; Jiřičný, J; Marra, G. Imunohistochemická analýza odhaluje vysokou frekvenci defektů PMS2 u kolorektálního karcinomu  //  Gastroenterology: journal. - 2005. - Sv. 128 , č.p. 5 . - S. 1160-1171 . - doi : 10.1053/j.gastro.2005.01.056 . — PMID 15887099 .
  28. Valeri, N; Gasparini, P; Fabbri, M; Braconi, C; Veronese, A; Lovat, F; Adair, B; Vannini, I; Fanini, F; Bottoni, A; Costinean, S; Sandhu, S.K.; Nuovo, GJ; Alder, H; Gafa, R; Calore, F; Ferracin, M; Lanza, G; Volinia, S; Negrini, M; Mcllhatton, MA; Amadori, D; Fishel, R; Croce, CM Modulace opravy nesouladu a genomová stabilita pomocí miR-155  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2010. - Sv. 107 , č. 15 . - S. 6982-6987 . - doi : 10.1073/pnas.1002472107 . — PMID 20351277 .
  29. Facista, A; Nguyen, H; Lewis, C; Prasad, A.R.; Ramsey, L; Zaitlin, B; Nfonsam, V; Krouse, R.S.; Bernstein, H; Payne, C. M.; Stern, S; Oatman, N; Banerjee, B; Bernstein, C. Nedostatečná exprese opravných enzymů DNA v časné progresi do sporadické rakoviny tlustého střeva  //  Genome Integr: journal. - 2012. - Sv. 3 , ne. 1 . — str. 3 . - doi : 10.1186/2041-9414-3-3 . — PMID 22494821 .