Нестабильность генома (также генетическая нестабильность или геномная нестабильность ) относится к высокой частоте мутаций в геноме клеточной линии. Эти мутации могут включать изменения в последовательностях нуклеиновых кислот , хромосомные перестройки или анеуплоидию . Нестабильность генома действительно встречается у бактерий. [1] В многоклеточных организмах нестабильность генома играет центральную роль в канцерогенезе, [2] а у людей она также является фактором некоторых нейродегенеративных заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз или нервно-мышечное заболевание миотоническая дистрофия .
Лишь недавно начали выясняться источники нестабильности генома. Высокая частота внешних повреждений ДНК [3] может быть одним из источников нестабильности генома, поскольку повреждение ДНК может вызвать неправильный синтез ДНК при транспоражении или ошибки в репарации, что приводит к мутации . Другим источником нестабильности генома может быть эпигенетическое или мутационное снижение экспрессии генов репарации ДНК. Поскольку эндогенные (метаболически вызванные) повреждения ДНК происходят в геномах человеческих клеток в среднем более 60 000 раз в день, любое снижение репарации ДНК, вероятно, является важным источником нестабильности генома.
Обычно все клетки особи данного вида (растения или животного) имеют постоянное число хромосом , составляющих так называемый кариотип , определяющий этот вид (см. также Список числа хромосом различных организмов ), хотя некоторые виды демонстрируют очень высокую кариотипическую изменчивость. У людей мутации, которые могут изменить аминокислоту в кодирующей белок области генома, происходят в среднем всего лишь 0,35 на поколение (менее одного мутировавшего белка на поколение). [4]
Иногда у видов со стабильным кариотипом могут наблюдаться случайные вариации, изменяющие нормальное число хромосом. В других случаях наблюдаются структурные изменения (например, хромосомные транслокации , делеции ), которые модифицируют стандартный хромосомный набор. В этих случаях указывается, что пораженный организм имеет нестабильность генома (также генетическую нестабильность или даже хромосомную нестабильность ). Процесс нестабильности генома часто приводит к ситуации анеуплоидии , при которой клетки имеют хромосомное число, которое либо выше, либо ниже нормального для данного вида набора.
В клеточном цикле ДНК обычно наиболее уязвима во время репликации. Реплисома должна быть способна преодолевать препятствия, такие как плотно намотанный хроматин со связанными белками, одно- и двухцепочечные разрывы, которые могут привести к остановке репликационной вилки. Каждый белок или фермент в реплисоме должен хорошо выполнять свою функцию, чтобы в результате появилась идеальная копия ДНК. Мутации белков, таких как ДНК-полимераза или ДНК-лигаза, могут привести к нарушению репликации и спонтанным хромосомным обменам. [5] Белки, такие как Tel1 и Mec1 (ATR, ATM у людей), могут обнаруживать одно- и двухцепочечные разрывы и рекрутировать такие факторы, как хеликаза Rmr3, для стабилизации репликационной вилки и предотвращения ее коллапса. Мутации в хеликазах Tel1, Mec1 и Rmr3 приводят к значительному усилению хромосомной рекомбинации. ATR специфически реагирует на остановку вилок репликации и одноцепочечные разрывы, возникающие в результате повреждения УФ-излучением, тогда как ATM реагирует непосредственно на двухцепочечные разрывы. Эти белки также предотвращают переход в митоз, ингибируя активацию поздних источников репликации до тех пор, пока разрывы ДНК не будут зафиксированы путем фосфорилирования CHK1 и CHK2, что приводит к сигнальному каскаду, задерживающему клетку в S-фазе. [6] В случае одноцепочечных разрывов репликация происходит до места разрыва, затем другая цепь разрывается с образованием двухцепочечного разрыва, который затем можно восстановить с помощью репликации, индуцированной разрывом, или гомологичной рекомбинации с использованием сестринской хроматиды в качестве ошибки. бесплатный шаблон. [7] В дополнение к контрольным точкам S-фазы существуют контрольные точки G1 и G2 для проверки временных повреждений ДНК, которые могут быть вызваны мутагенами, такими как повреждение УФ-излучением. Примером может служить ген rad9 Saccharomyces pombe, который останавливает клетки в поздней фазе S/G2 при наличии повреждений ДНК, вызванных радиацией. Дрожжевые клетки с дефектным rad9 не смогли арестоваться после облучения, продолжили деление клеток и быстро погибли; клетки с rad9 дикого типа успешно арестовывались в поздней фазе S/G2 и оставались жизнеспособными. Арестованные клетки смогли выжить благодаря увеличению времени нахождения в фазе S/G2, что позволило ферментам репарации ДНК функционировать в полной мере. [8]
В геноме есть «горячие точки», где последовательности ДНК склонны к разрывам и разрывам после ингибирования синтеза ДНК, например, при вышеупомянутом аресте контрольной точки. Эти сайты называются хрупкими сайтами и могут встречаться обычно как естественно присутствующие в большинстве геномов млекопитающих, или редко возникать в результате мутаций, таких как расширение повторов ДНК. Редкие ломкие сайты могут привести к генетическим заболеваниям, таким как синдром умственной отсталости ломкой Х-хромосомы, миотоническая дистрофия, атаксия Фридриха и болезнь Хантингтона, большинство из которых вызваны расширением повторов на уровне ДНК, РНК или белка. [9] Хотя эти общие хрупкие участки кажутся вредными, они сохраняются вплоть до дрожжей и бактерий. Эти вездесущие сайты характеризуются тринуклеотидными повторами, чаще всего CGG, CAG, GAA и GCN. Эти тринуклеотидные повторы могут образовывать шпильки, что приводит к затруднению репликации. При стрессе репликации , таком как дефектное оборудование или дальнейшее повреждение ДНК, в этих хрупких участках могут образовываться разрывы и пробелы в ДНК. Использование сестринской хроматиды для восстановления не является надежной резервной копией, поскольку окружающая информация ДНК повторов n и n+1 практически одинакова, что приводит к изменению числа копий. Например, 16-я копия CGG может быть сопоставлена с 13-й копией CGG в сестринской хроматиде, поскольку окружающая ДНК одновременно представляет собой CGGCGGCGG..., что приводит к появлению 3 дополнительных копий CGG в окончательной последовательности ДНК. [ нужна цитата ]
Как в E. coli, так и в Saccharomyces pombe сайты транскрипции имеют тенденцию иметь более высокую скорость рекомбинации и мутаций. Кодирующая или нетранскрибируемая цепь накапливает больше мутаций, чем матричная цепь. Это связано с тем, что кодирующая цепь при транскрипции является одноцепочечной, что химически более нестабильно, чем двухцепочечная ДНК. Во время элонгации транскрипции за удлиняющейся РНК-полимеразой может происходить сверхспирализация, что приводит к одноцепочечным разрывам. Когда кодирующая цепь одноцепочечная, она также может гибридизоваться сама с собой, создавая вторичные структуры ДНК, которые могут поставить под угрозу репликацию. В E. coli при попытке транскрипции триплетов GAA, таких как те, что обнаружены при атаксии Фридриха, полученная РНК и цепь матрицы могут образовывать несовпадающие петли между различными повторами, оставляя комплементарный сегмент в кодирующей цепи доступным для образования собственных петель, которые препятствуют репликации. . [10] Более того, репликация ДНК и транскрипция ДНК не являются независимыми во времени; они могут возникать одновременно и приводить к столкновениям между репликационной вилкой и комплексом РНК-полимеразы. У S. cerevisiae хеликаза Rrm3 обнаружена в генах дрожжевого генома с высокой степенью транскрипции, которая задействована для стабилизации остановленной репликационной вилки, как описано выше. Это предполагает, что транскрипция является препятствием для репликации, что может привести к усилению стресса в хроматине, охватывающем короткое расстояние между развернутой репликационной вилкой и сайтом начала транскрипции, что потенциально может вызвать одноцепочечные разрывы ДНК. У дрожжей белки действуют как барьеры на 3'-конце транскрипционной единицы, предотвращая дальнейшее перемещение вилки репликации ДНК. [11]
В некоторых частях генома изменчивость необходима для выживания. Одним из таких мест являются гены Ig. В пре-B-клетке этот регион состоит из всех сегментов V, D и J. Во время развития В-клетки выбираются определенные сегменты V, D и J для сращивания вместе с образованием конечного гена, который катализируется рекомбиназами RAG1 и RAG2. Цитидиндезаминаза, индуцированная активацией (AID), затем превращает цитидин в урацил. Урацил обычно не существует в ДНК, поэтому основание вырезается, а разрыв превращается в двухцепочечный разрыв, который восстанавливается путем негомологичного соединения концов (NHEJ). Эта процедура очень подвержена ошибкам и приводит к соматической гипермутации. Эта геномная нестабильность имеет решающее значение для обеспечения выживания млекопитающих против инфекции. Рекомбинация V, D, J может обеспечить миллионы уникальных рецепторов B-клеток; однако случайное восстановление с помощью NHEJ вносит изменения, которые могут создать рецептор, способный связываться с антигенами с более высоким сродством. [12]
Из примерно 200 неврологических и нервно-мышечных расстройств 15 имеют четкую связь с наследственным или приобретенным дефектом одного из путей восстановления ДНК или чрезмерным генотоксическим окислительным стрессом. [13] [14] Пять из них ( пигментная ксеродермия , синдром Кокейна , трихотиодистрофия , синдром Дауна и синдром тройного А ) имеют дефект в пути восстановления эксцизионного восстановления нуклеотидов ДНК. Шесть ( спинно-мозжечковая атаксия с аксональной нейропатией-1, болезнь Хантингтона , болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , синдром Дауна и боковой амиотрофический склероз ), по-видимому, являются результатом повышенного окислительного стресса и неспособности пути эксцизионной репарации оснований справиться с повреждениями ДНК, которые это вызывает. Четыре из них (болезнь Хантингтона, различные спиноцеребеллярные атаксии , атаксия Фридрейха и миотоническая дистрофия типов 1 и 2) часто имеют необычное расширение повторяющихся последовательностей в ДНК, что, вероятно, связано с нестабильностью генома. Четыре из них ( атаксия-телеангиэктазия , атаксия-телеангиэктазия, синдром разрыва Неймегена и болезнь Альцгеймера) имеют дефекты в генах, участвующих в восстановлении двухцепочечных разрывов ДНК. В целом, похоже, что окислительный стресс является основной причиной геномной нестабильности в мозге. Конкретное неврологическое заболевание возникает, когда путь, который обычно предотвращает окислительный стресс, недостаточен или путь восстановления ДНК, который обычно восстанавливает повреждения, вызванные окислительным стрессом, недостаточен. [ нужна цитата ]
При раке нестабильность генома может возникать до или в результате трансформации. [15] Нестабильность генома может относиться к накоплению дополнительных копий ДНК или хромосом , хромосомным транслокациям , хромосомным инверсиям , хромосомным делециям , одноцепочечным разрывам ДНК, двухцепочечным разрывам ДНК, интеркаляции чужеродных веществ в двойной ДНК. спирали или любые аномальные изменения в третичной структуре ДНК, которые могут привести либо к потере ДНК, либо к неправильной экспрессии генов. Ситуации нестабильности генома (как и анеуплоидия) распространены в раковых клетках и считаются «визитной карточкой» этих клеток. Непредсказуемая природа этих событий также является основной причиной гетерогенности , наблюдаемой среди опухолевых клеток. [ нужна цитата ]
В настоящее время принято считать, что спорадические опухоли (несемейные) возникают вследствие накопления ряда генетических ошибок. [16] В среднем рак молочной железы или толстой кишки может иметь от 60 до 70 мутаций, изменяющих белок, из которых около 3 или 4 могут быть «драйверными» мутациями, а остальные могут быть «пассажирскими» мутациями. [17] Любые генетические или Эпигенетическое повреждение, увеличивающее частоту мутаций , приведет, как следствие, к увеличению приобретения новых мутаций, увеличивая затем вероятность развития опухоли. [18] Известно, что в процессе онкогенеза диплоидные клетки приобретают мутации в генах, отвечающих за поддержание целостности генома ( гены-смотрители ), а также в генах, непосредственно контролирующих клеточную пролиферацию ( гены-привратники ). [19] Генетическая нестабильность может возникать из-за нарушений репарации ДНК, потери или приобретения хромосом или крупномасштабных хромосомных реорганизаций. Потеря генетической стабильности будет способствовать развитию опухоли, поскольку способствует образованию мутантов, которые могут быть отобраны окружающей средой. [20]
Микроокружение опухоли оказывает ингибирующее влияние на пути репарации ДНК , способствуя нестабильности генома, что способствует выживанию, пролиферации и злокачественной трансформации опухоли. [21]
Кодирующие белки области генома человека, называемые экзомом , составляют лишь 1,5% от общего генома. [22] Как указывалось выше, обычно у людей происходит в среднем только 0,35 мутаций в экзоме на поколение (от родителя к ребенку). Во всем геноме (включая некодирующие белки участки) у человека возникает всего около 70 новых мутаций на поколение. [23] [24]
Вероятно, основной причиной мутаций при раке является повреждение ДНК. [ нужна ссылка ] Например, в случае рака легких повреждение ДНК вызвано агентами экзогенного генотоксичного табачного дыма (например, акролеином, формальдегидом, акрилонитрилом , 1,3-бутадиеном, ацетальдегидом, оксидом этилена и изопреном). [25] Эндогенные (метаболически вызванные) повреждения ДНК также встречаются очень часто: в геномах человеческих клеток они происходят в среднем более 60 000 раз в день (см. Повреждение ДНК (естественное происхождение) ). Внешние и эндогенно вызванные повреждения могут быть преобразованы в мутации из-за неточного синтеза транслейкоза или неточной репарации ДНК (например, за счет негомологичного соединения концов ). Кроме того, повреждения ДНК также могут вызывать эпигенетические изменения во время репарации ДНК. [26] [27] [28] Как мутации, так и эпигенетические изменения (эпимутации) могут способствовать прогрессированию рака .
Как отмечалось выше, в экзоме (области кодирования белка) рака встречается около 3 или 4 мутаций-драйверов и 60 мутаций-пассажиров. [17] Однако гораздо большее количество мутаций происходит в некодирующих белок областях ДНК. Среднее количество мутаций последовательности ДНК во всем геноме образца ткани рака молочной железы составляет около 20 000. [29] В среднем образце ткани меланомы (где меланомы имеют более высокую частоту мутаций экзома [17] ) общее количество мутаций последовательности ДНК составляет около 80 000. [30]
Высокая частота мутаций в полном геноме при раке предполагает, что ранние канцерогенные изменения часто могут быть следствием недостаточности репарации ДНК. Частота мутаций существенно увеличивается (иногда в 100 раз) в клетках, дефектных в репарации несоответствия ДНК [31] [32] или в гомологичной рекомбинационной репарации ДНК . [33] Кроме того, хромосомные перестройки и анеуплоидия увеличиваются у людей с дефектом гена репарации ДНК BLM . [34]
Дефицит репарации ДНК сам по себе может привести к накоплению повреждений ДНК, а склонный к ошибкам синтез транслейкоза мимо некоторых из этих повреждений может привести к мутациям. Кроме того, неправильное восстановление этих накопленных повреждений ДНК может привести к эпигенетическим изменениям или эпимутациям . Хотя мутация или эпимутация в гене репарации ДНК сама по себе не дает селективного преимущества, такой дефект репарации может переноситься в клетке в качестве пассажира, когда клетка приобретает дополнительную мутацию/эпимутацию, которая действительно обеспечивает пролиферативное преимущество. Такие клетки, обладающие как пролиферативными преимуществами, так и одним или несколькими дефектами репарации ДНК (вызывающими очень высокую частоту мутаций), вероятно, вызывают от 20 000 до 80 000 общих геномных мутаций, часто наблюдаемых при раке. [ нужна цитата ]
В соматических клетках нарушения репарации ДНК иногда возникают вследствие мутаций генов репарации ДНК, но гораздо чаще они обусловлены эпигенетическим снижением экспрессии генов репарации ДНК. Таким образом, из 113 случаев колоректального рака только четыре имели соматические миссенс-мутации в гене репарации ДНК MGMT, в то время как в большинстве этих случаев экспрессия MGMT снижалась из-за метилирования области промотора MGMT. [35] В пяти отчетах, перечисленных в статье «Эпигенетика» (см. раздел «Эпигенетика репарации ДНК при раке»), представлены доказательства того, что от 40% до 90% случаев колоректального рака снижают экспрессию MGMT из-за метилирования области промотора MGMT.
Аналогичным образом, из 119 случаев колоректального рака, классифицированного как дефицит репарации ошибочного спаривания и отсутствие экспрессии гена репарации ДНК PMS2, Pms2 был дефицитным в 6 случаях из-за мутаций в гене PMS2, тогда как в 103 случаях экспрессия PMS2 была недостаточной, потому что его партнер по спариванию MLH1 был подавлен из-за метилированию промотора (белок PMS2 нестабильен в отсутствие MLH1). [36] Остальные 10 случаев потери экспрессии PMS2, вероятно, были связаны с эпигенетической сверхэкспрессией микроРНК, miR-155, которая подавляет MLH1. [37]
В эпигенетике рака (см. раздел « Частоты эпимутаций в генах репарации ДНК» ) имеется частичный список эпигенетических нарушений, обнаруженных в генах репарации ДНК при спорадических раковых заболеваниях. К ним относятся частоты от 13 до 100% эпигенетических дефектов в генах BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 и ATM , локализованных при раке молочной железы, яичников, колоректального рака, а также рака головы и шеи. . Было обнаружено, что два или три эпигенетических дефицита экспрессии ERCC1, XPF и/или PMS2 наблюдаются одновременно в большинстве из 49 исследованных случаев рака толстой кишки. [38] Некоторые из этих нарушений репарации ДНК могут быть вызваны эпимутациями в микроРНК , как описано в разделе статьи о микроРНК под названием « МиРНК, репарация ДНК и рак» .
Рак обычно возникает в результате нарушения работы опухолевого репрессора или нарушения регуляции онкогена. Знание того, что B-клетки испытывают разрывы ДНК во время развития, может дать представление о геноме лимфом. Многие типы лимфом вызваны хромосомной транслокацией, которая может возникнуть из-за разрывов ДНК, приводящих к неправильному соединению. При лимфоме Беркитта c-myc , онкоген, кодирующий транскрипционный фактор, перемещается в положение после промотора гена иммуноглобулина, что приводит к нарушению регуляции транскрипции c-myc. Поскольку иммуноглобулины необходимы для лимфоцитов и высоко экспрессируются для повышения обнаружения антигенов, c-myc также высоко экспрессируется, что приводит к транскрипции его мишеней , которые участвуют в пролиферации клеток. Мантийноклеточная лимфома характеризуется слиянием циклина D1 с локусом иммуноглобулина. Циклин D1 ингибирует Rb, супрессор опухоли, что приводит к онкогенезу. Фолликулярная лимфома возникает в результате транслокации промотора иммуноглобулина в ген Bcl-2, что приводит к повышению уровня белка Bcl-2, который ингибирует апоптоз. Поврежденные ДНК B-клетки больше не подвергаются апоптозу, что приводит к дальнейшим мутациям, которые могут повлиять на гены-драйверы, что приведет к онкогенезу. [39] Местоположение транслокации в онкогене имеет те же структурные свойства, что и целевые области AID , что позволяет предположить, что онкоген был потенциальной мишенью AID, что приводило к двухцепочечному разрыву, который транслоцировался в локус гена иммуноглобулина посредством репарации NHEJ . [40]