stringtranslate.com

Микросателлитная нестабильность

Микрофотография, показывающая инфильтрирующие опухоль лимфоциты в случае колоректального рака с признаками MSI-H при иммуноокрашивании . Окраска гематоксилином и эозином .

Микросателлитная нестабильность ( MSI ) — это состояние генетической гипермутабельности (предрасположенности к мутации ), которое возникает из-за нарушения репарации несоответствий ДНК (MMR). Наличие MSI представляет собой фенотипическое доказательство того, что MMR не функционирует нормально.

MMR исправляет ошибки, которые спонтанно возникают во время репликации ДНК , такие как несовпадения отдельных оснований или короткие вставки и делеции . Белки, участвующие в MMR, исправляют ошибки полимеразы , образуя комплекс, который связывается с несовпадающим участком ДНК, вырезает ошибку и вставляет на его место правильную последовательность. [1] Клетки с ненормально функционирующей MMR не способны исправлять ошибки, возникающие во время репликации ДНК, и, следовательно, накапливают ошибки. Это приводит к созданию новых фрагментов микросателлитов . Анализы на основе полимеразной цепной реакции могут выявить эти новые микросателлиты и предоставить доказательства наличия MSI.

Микросателлиты — это повторяющиеся последовательности ДНК. Эти последовательности могут состоять из единиц длиной от 1 до 6 пар оснований , которые повторяются и располагаются рядом друг с другом в геноме. Хотя длина микросателлитов может варьироваться от человека к человеку и вносит вклад в индивидуальный «отпечаток пальца» ДНК, у каждого человека есть микросателлиты установленной длины. Наиболее распространенным микросателлитом у людей является динуклеотидный повтор нуклеотидов C и A , который встречается десятки тысяч раз по всему геному. Микросателлиты также известны как простые повторы последовательностей (SSR).

Пример нестабильности микросателлитов в следе электрофореграммы ДНК

Структура

Структура микросателлитной нестабильности состоит из повторяющихся нуклеотидов, чаще всего встречающихся в виде повторов GT/CA. [2]

Исследователи еще не подтвердили точное определение структуры MSI. Хотя все исследователи согласны с тем, что микросателлиты являются повторяющимися последовательностями, длина последовательностей остается под вопросом. Некоторые исследования предполагают, что MSI являются короткими тандемными повторяющимися последовательностями ДНК от одной до шести пар оснований по всему геному, в то время как другие исследования предполагают, что диапазон может быть от двух до пяти. [3]

Хотя исследователи не пришли к единому мнению относительно определенного порога для числа тандемных повторов, составляющих микросателлит, существует консенсус относительно их относительного размера. Более длинные последовательности называются минисателлитами , а еще более длинные последовательности называются участками сателлитной ДНК . Некоторые ученые различают три категории по минимальному числу пар оснований, а другие используют минимальное число повторяющихся единиц. Большинство повторов встречаются в нетранслируемых областях, в частности в интронах . Однако микросателлиты, которые встречаются в кодирующих областях, часто подавляют расширение большинства событий, происходящих ниже по течению. Микросателлиты составляют приблизительно три процента генома человека, или более миллиона фрагментов ДНК. Плотность микросателлитов увеличивается с размером генома и наблюдается в два раза больше на концах плеч хромосом, чем в телах хромосом. [4]

Механизм

MSI был открыт в 1970-х и 1980-х годах.

В широком смысле MSI возникает из-за неспособности белков репарации несоответствий (MMR) исправить ошибку репликации ДНК. Репликация ДНК происходит в фазе «S» клеточного цикла ; ошибочное событие, создающее область MSI, происходит во время второго события репликации. Исходная цепь не повреждена, но дочерняя цепь претерпевает мутацию сдвига рамки из-за проскальзывания ДНК-полимеразы. В частности, ДНК-полимераза проскальзывает, создавая временную петлю вставки-делеции, которая обычно распознается белками MMR. Однако, когда белки MMR не функционируют нормально, как в случае MSI, эта петля приводит к мутациям сдвига рамки, либо через вставки, либо через делеции, что приводит к нефункционирующим белкам. [5]

MSI уникален для полиморфизмов ДНК, поскольку ошибки репликации различаются по длине, а не по последовательности. Скорость и направление мутаций, приводящих к MSI, являются основными компонентами в определении генетических различий. На сегодняшний день ученые согласны с тем, что скорости мутаций различаются по положению локусов. Чем больше длина MSI, тем выше скорость мутаций. [4]

Хотя большинство мутаций MSI являются результатом мутаций со сдвигом рамки считывания, иногда мутационные события, приводящие к MSI, происходят из-за гиперметилирования промотора h MLH1 (белок MMR). Гиперметилирование происходит, когда метильная группа добавляется к нуклеотиду ДНК, что приводит к подавлению гена, тем самым вызывая MSI. [6]

Исследователи показали, что окислительное повреждение приводит к мутациям со сдвигом рамки считывания, таким образом, приводя к MSI, но они еще не пришли к единому мнению о точном механизме. Было показано, что чем больше окислительного стресса воздействует на систему, тем больше вероятность возникновения мутаций. Кроме того, каталаза снижает мутации, тогда как медь и никель увеличивают мутации за счет увеличения восстановления пероксидов. Некоторые исследователи полагают, что окислительный стресс на определенных локусах приводит к остановке ДНК-полимеразы в этих местах, создавая среду для проскальзывания ДНК. [7]

Сначала исследователи считали, что MSI является случайным, но есть данные, указывающие на то, что цели MSI включают растущий список генов. Примерами являются ген рецептора трансформирующего фактора роста бета и ген BAX . Каждая цель приводит к различным фенотипам и патологиям. [8]

Считается, что микросателлиты, которые формируются в интронных/некодирующих областях, приводят к образованию вторичных структур ДНК (например, G-квадруплексов ), которые могут привести к повреждению ДНК и гибели клеток, если их не восстановить. Это иллюстрируется зависимостью хеликазы синдрома Вернера в раковых заболеваниях MSI-H. [9]

Клиническое значение

Микросателлитная нестабильность связана с раком толстой кишки, раком желудка, раком эндометрия, раком яичников, раком гепатобилиарной системы, раком мочевыводящих путей, раком мозга и раком кожи. MSI наиболее распространена в ассоциациях с раком толстой кишки. Каждый год во всем мире регистрируется более 500 000 случаев рака толстой кишки. На основании результатов более 7000 пациентов, стратифицированных на рак толстой кишки с MSI-H, MSI-Low (MSI-L) или Microsatellite Stable (MSS), у пациентов с опухолями MSI-H был более положительный прогноз на 15 % по сравнению с опухолями MSI-L или MSS. [10]

Опухоли прямой и толстой кишки с MSI обнаруживаются в правой части толстой кишки, связаны с плохо дифференцированной тканью, высоким содержанием муциногенов, инфильтрирующими опухоль лимфоцитами и наличием реакции хозяина, подобной реакции Крона. [11] [12] Опухоли MSI-H, способствующие развитию колоректального рака, демонстрируют меньше метастазов, чем другие производные колоректальные раки. Это продемонстрировано предыдущими исследованиями, показавшими, что опухоли MSI-H более характерны для рака стадии II, чем для рака стадии III. [3]

Ученые исследовали связь белков сортировки вакуолярных белков (VPS) с MSI. Как и MSI, VPS связан с раком желудка и толстой кишки. В одном исследовании сообщается, что белки VPS были связаны с раком MSI-H, но не с раком MSI-L, таким образом ограничивая VPS раком, специфичным для MSI-H. [13]

Статус MSI-H повышает вероятность синдрома Линча , но MSI-H может также возникнуть у пациентов без синдрома Линча, и для подтверждения синдрома Линча требуется тестирование ДНК зародышевой линии . Синдром Линча связан с MSI и увеличивает риск рака толстой кишки, эндометрия, яичников, желудка, тонкого кишечника, гепатобилиарного тракта, мочевыводящих путей, мозга и кожи. [3]

В одном исследовании, проведенном на более чем 120 пациентах с синдромом Линча, приписывалась реакция Крона (CLR), связанная с MSI, «опухолеспецифическим неопептидам, образующимся во время канцерогенеза MSI-H». Это исследование также подтвердило, что «наличие антиметастатической иммунной защиты у пациентов с MSI-H CRC может объяснить недавние выводы о том, что адъювантная химиотерапия 5-FU не имеет никаких полезных или даже побочных эффектов в этом коллективе». Исследователи предполагают, что существует защитная роль лимфоцитов против MSI-H CRC, которая предотвращает метастазирование опухоли. [14]

Опухоли MSI в 15% случаев спорадического колоректального рака являются результатом гиперметилирования промотора гена MLH 1, тогда как опухоли MSI при синдроме Линча вызваны мутациями зародышевой линии в MLH1 , MSH2 , MSH6 и PMS2 . [3]

MSI был очевиден в качестве причины сальных карцином. Сальные карциномы являются подвидом более крупной патологии, синдрома Мьюира-Торре . MSI вариабельно выражен при синдроме Мьюира-Торре, чаще всего выражен с общими патологиями у пациентов с раком толстой кишки. Кроме того, белки MMR MLH 1, MSH 2, MSH6 и PMS2 играют важную роль в периокулярной сальной карциноме, которая наблюдается на веке в 40% сальных карцином. [15]

В мае 2017 года FDA одобрило иммунотерапевтический препарат под названием Keytruda ( пембролизумаб ) ( ингибитор PD-1 ) для пациентов с неоперабельными или метастатическими опухолями с высокой микросателлитной нестабильностью (MSI-H) или недостаточностью репарации несоответствий (dMMR), которые прогрессировали после предыдущего лечения. Это показание не зависит от оценки экспрессии PD-L1 , типа ткани и расположения опухоли. [16]

Диагностика нестабильности микросателлитов

MSI является хорошим маркером для выявления синдрома Линча и определения прогноза лечения рака. В 1996 году Национальный институт рака (NCI) провел международный семинар по синдрому Линча, который привел к разработке «Руководства Бетесды» и локусов для тестирования MSI. Во время этого первого семинара NCI согласовал пять микросателлитных маркеров, необходимых для определения наличия MSI: два мононуклеотида, BAT25 и BAT26, и три динуклеотидных повтора, D2S123, D5S346 и D17S250. Опухоли MSI-H возникают из-за MSI более 30% нестабильных локусов MSI (>2 или более из 5 локусов). Опухоли MSI-L возникают из-за менее 30% нестабильных биомаркеров MSI. Опухоли MSI-L классифицируются как опухоли альтернативной этиологии. Несколько исследований показывают, что пациенты с MSI-H лучше всего реагируют на хирургическое вмешательство, а не на химиотерапию и хирургическое вмешательство, что позволяет пациентам избежать ненужной химиотерапии. [3]

Выявление микросателлитной нестабильности методом ПЦР в реальном времени

Шесть лет спустя, во время второго семинара NCI, организованного для повторного рассмотрения синдрома Линча в 2002 году, были пересмотрены Руководящие принципы Бетесды (позже опубликованные в 2004 году [17] ), которые рекомендовали новые критерии для тестирования MSI. В частности, они определили пять мононуклеотидных локусов как превосходящие по сравнению со смесью моно- и динуклеотидных локусов, поскольку динуклеотидные локусы могли казаться смещенными, хотя на самом деле это не так, тем самым увеличивая вероятность ложноположительного результата MSI-H.

Первый коммерчески доступный набор был предоставлен Promega Corporation , Мэдисон, Висконсин, и назывался Microsatellite Instability 1.2 Analysis System (RUO). С тех пор Promega MSI RUO широко применяется с 2004 года, и более 120 рецензируемых публикаций ссылаются на его глобальный статус золотого стандарта в определении статуса MSI раковой ткани.

Недавно на рынке были успешно представлены наборы для обнаружения MSI на основе ПЦР в реальном времени [18] . Одношаговый формат закрытой пробирки, высокая точность и чувствительность продуктов на основе ПЦР в реальном времени без какого-либо дополнительного анализа после амплификации ПЦР по сравнению с традиционными методами (ПЦР с последующим анализом фрагментов) были рассмотрены как критические преимущества.

Искусственный интеллект также использовался для прогнозирования MSI по внешнему виду опухолей под микроскопом. [12] [19] Цифровую патологию можно подвергнуть методам машинного обучения, а прогнозы относительно MSI можно делать без какого-либо молекулярного тестирования. [12] Эти методы пока не показали результатов, достаточных для внедрения в клиническую практику.

Прямые и косвенные механизмы способствуют резистентности к химиотерапии. Прямые механизмы включают пути, которые метаболизируют препарат, в то время как косвенные механизмы включают пути, которые реагируют на химиотерапевтическое лечение. Путь восстановления ДНК NER играет существенную роль в устранении повреждения клеток, вызванного химиотерапевтическими агентами, такими как 5-FU. [20]

Синтетическая летальность WRN

Было показано, что раковые заболевания MSI-H зависят от хеликазы синдрома Вернера (WRN) для восстановления вторичных структур ДНК, которые образуются расширенными микросателлитами TA. [9] Из-за этой целевой терапевтической гипотезы ингибирование WRN стало областью большого интереса для лечения злокачественных новообразований MSI-H. [21] Два первых в своем классе ингибитора WRN, HRO791 (аллостерический ингибитор, Novartis ) и VVD-133214 (ковалентный ингибитор, Vividion Therapeutics и Roche ) в настоящее время проходят клинические испытания. [22] [23] Оба этих ингибитора вызывают деградацию WRN посредством схожих механизмов. [24]

Открытия с 2010 года

В мае 2017 года FDA одобрило иммунотерапевтический препарат под названием Keytruda ( пембролизумаб ) ( ингибитор PD-1 ) для пациентов с неоперабельными или метастатическими опухолями с высокой микросателлитной нестабильностью (MSI-H) или недостаточностью репарации несоответствий (dMMR), которые прогрессировали после предыдущего лечения. Это показание не зависит от оценки экспрессии PD-L1 , типа ткани и расположения опухоли. [16]

Исследователи обнаружили еще один MSI, называемый повышенными микросателлитными изменениями в выбранных тетрануклеотидных повторах (EMAST). Однако EMAST уникален тем, что он не является производным от MMR, и обычно ассоциируется с мутациями TP53 . [5]

EMAST наблюдается при различных видах рака, включая рак легких, головы и шеи, колоректальный, кожи, мочевыводящих путей и репродуктивных органов. Внешние органы имеют больший потенциал для EMAST. Некоторые исследователи полагают, что EMAST может быть следствием мутагенеза. Положительные края EMAST в других отрицательных краях рака предполагают рецидив заболевания у пациентов. [25]

Ссылки

  1. ^ Эрлих М., ред. (2000). Изменения ДНК при раке: генетические и эпигенетические изменения. Natick, MA: Eaton Publ. стр. 178. ISBN 978-1-881299-19-6.
  2. ^ Schlötterer C, Harr B (март 2004). "Microsatellite Instability" (PDF) . Энциклопедия наук о жизни . doi :10.1038/npg.els.0000840. ISBN 978-0470016176. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  3. ^ abcde Buecher B, Cacheux W, Rouleau E, Dieumegard B, Mitry E, Lièvre A (июнь 2013 г.). «Роль нестабильности микросателлитов в лечении колоректального рака». Digestive and Liver Disease . 45 (6): 441–449. doi :10.1016/j.dld.2012.10.006. PMID  23195666.
  4. ^ ab Ellegren H (июнь 2004 г.). «Микросателлиты: простые последовательности со сложной эволюцией». Nature Reviews. Genetics . 5 (6): 435–445. doi :10.1038/nrg1348. PMID  15153996. S2CID  11975343.
  5. ^ ab Boland CR, Goel A (июнь 2010 г.). «Микросателлитная нестабильность при колоректальном раке». Гастроэнтерология . 138 (6): 2073–2087.e3. doi :10.1053/j.gastro.2009.12.064. PMC 3037515. PMID  20420947 . 
  6. ^ Li YC, Korol AB, Fahima T, Nevo E (июнь 2004 г.). «Микросателлиты в генах: структура, функция и эволюция». Молекулярная биология и эволюция . 21 (6): 991–1007. doi : 10.1093/molbev/msh073 . PMID  14963101.
  7. ^ Джексон АЛ, Чен Р, Лёб ЛА (октябрь 1998 г.). «Индукция микросателлитной нестабильности окислительным повреждением ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (21): 12468–12473. Bibcode : 1998PNAS...9512468J. doi : 10.1073/pnas.95.21.12468 . PMC 22854. PMID  9770509 . 
  8. ^ Имаи К, Ямамото Х (апрель 2008 г.). «Канцерогенез и микросателлитная нестабильность: взаимосвязь между генетикой и эпигенетикой». Канцерогенез . 29 (4): 673–680. doi : 10.1093/carcin/bgm228 . PMID  17942460.
  9. ^ ab van Wietmarschen N, Sridharan S, Nathan WJ, Tubbs A, Chan EM, Callen E, Wu W, Belinky F, Tripathi V, Wong N, Foster K, Noorbakhsh J, Garimella K, Cruz-Migoni A, Sommers JA, Huang Y, Borah AA, Smith JT, Kalfon J, Kesten N, Fugger K, Walker RL, Dolzhenko E, Eberle MA, Hayward BE, Usdin K, Freudenreich CH, Brosh RM Jr, West SC, McHugh PJ, Meltzer PS, Bass AJ, Nussenzweig A (2020). «Повторные расширения обусловливают зависимость от WRN при микросателлитно-нестабильных раковых заболеваниях». Nature . 586 : 292–298. doi : 10.1038/s41586-020-2769-8. PMC 8916167. PMID  32999459 . 
  10. ^ Popat S, Hubner R, Houlston RS (январь 2005 г.). «Систематический обзор микросателлитной нестабильности и прогноза колоректального рака». Журнал клинической онкологии . 23 (3): 609–618. doi :10.1200/JCO.2005.01.086. PMID  15659508.
  11. ^ Maoz A, Dennis M, Greenson JK (2019). «Лимфоидная реакция, подобная реакции Крона на колоректальный рак — третичные лимфоидные структуры с иммунологической и потенциально терапевтической значимостью при колоректальном раке». Frontiers in Immunology . 10 : 1884. doi : 10.3389/fimmu.2019.01884 . PMC 6714555. PMID  31507584 . 
  12. ^ abc Hildebrand LA, Pierce CJ, Dennis M, Paracha M, Maoz A (январь 2021 г.). «Искусственный интеллект для гистологического обнаружения микросателлитной нестабильности и прогнозирования ответа на иммунотерапию при колоректальном раке». Cancers . 13 (3): 391. doi : 10.3390/cancers13030391 . PMC 7864494 . PMID  33494280. 
  13. ^ An CH, Kim YR, Kim HS, Kim SS, Yoo NJ, Lee SH (январь 2012 г.). «Мутации сдвига рамки считывания генов сортировки вакуолярных белков при раке желудка и колоректальном раке с микросателлитной нестабильностью». Human Pathology . 43 (1): 40–47. doi :10.1016/j.humpath.2010.03.015. PMID  21733561.
  14. ^ Buckowitz A, Knaebel HP, Benner A, Bläker H, Gebert J, Kienle P, von Knebel Doeberitz M, Kloor M (май 2005 г.). «Микросателлитная нестабильность при колоректальном раке связана с локальной инфильтрацией лимфоцитов и низкой частотой отдаленных метастазов». British Journal of Cancer . 92 (9): 1746–1753. doi :10.1038/sj.bjc.6602534. PMC 2362037 . PMID  15856045. 
  15. ^ Раджан Кд А, Беррис С, Илифф Н, Грант М, Эшлеман Дж. Р., Эберхарт К. Г. (март 2014 г.). «Дефекты репарации несоответствий ДНК и статус нестабильности микросателлитов при периокулярной сальной карциноме». Американский журнал офтальмологии . 157 (3): 640–7.e1–2. doi : 10.1016/j.ajo.2013.12.002. PMID  24321472.
  16. ^ ab Центр оценки и исследования лекарственных средств. «Одобренные препараты – FDA предоставляет ускоренное одобрение пембролизумабу для первого независимого от ткани/места применения показания». www.fda.gov . Получено 24.05.2017 .
  17. ^ Umar A, Boland CR, Terdiman JP, Syngal S, de la Chapelle A, Rüschoff J, et al. (Февраль 2004). «Пересмотренные рекомендации Бетесды по наследственному неполипозному колоректальному раку (синдром Линча) и микросателлитной нестабильности». Журнал Национального института рака . 96 (4): 261–268. doi :10.1093/jnci/djh034. PMC 2933058. PMID  14970275. 
  18. ^ Продукция Seasunbio
  19. ^ Катер, Якоб Николас; Пирсон, Александр Т.; Халама, Нильс; Йегер, Дирк; Краузе, Иеремиас; Лоозен, Свен Х.; Маркс, Александр; Бур, Питер; Такке, Франк; Нойманн, Ульф Петер; Грабш, Хайке И.; Йошикава, Такаки; Бреннер, Герман; Чанг-Клод, Дженни; Хоффмайстер, Михаэль (июль 2019 г.). «Глубокое обучение может предсказывать нестабильность микросателлитов непосредственно из гистологии при желудочно-кишечном раке». Nature Medicine . 25 (7): 1054–1056. doi :10.1038/s41591-019-0462-y. ISSN  1078-8956. PMC 7423299 . PMID  31160815. 
  20. ^ Duldulao MP, Lee W, Le M, Chen Z, Li W, Wang J, Gao H, Li H, Kim J, Garcia-Aguilar J (май 2012 г.). «Изменения экспрессии генов в микросателлитных стабильных и нестабильных клетках рака толстой кишки». Журнал хирургических исследований . 174 (1): 1–6. doi :10.1016/j.jss.2011.06.016. PMC 3210903. PMID  21816436 . 
  21. ^ Пикко Г, Каттанео СМ, ван Влит Э.Дж., Крисафулли Г., Роспо Г., Консонни С., Виейра С.Ф., Родригес И.С., Кансельер С., Банерджи Р., Шиппер Л.Дж., Оддо Д., Дейкстра К.К., Чинатл Дж., Михаэлис М., Ян Ф, Ди Николантонио Ф, Сарторе-Бьянки А, Сиена С, Арена С, Воест Э.Э., Барделли А, Гарнетт М.Дж. (2021). «Геликаза Вернера представляет собой синтетическо-летальную уязвимость при колоректальном раке с дефицитом репарации несоответствия, рефрактерном к таргетной терапии, химиотерапии и иммунотерапии». Рак Дисков . 11 : 1923–1937. doi : 10.1158/2159-8290.CD-20-1508 . PMC 8916167. PMID  33837064 . 
  22. ^ «Исследование HRO761 отдельно или в комбинации с онкологическими больными со специфическими изменениями ДНК, называемыми нестабильностью микросателлитов или дефицитом репарации несоответствий». Clinicaltrials.gov . 27 июня 2023 г.
  23. ^ «Исследование по оценке безопасности, фармакокинетики и противоопухолевой активности RO7589831 у участников с прогрессирующими солидными опухолями». Clinicaltrials.gov . 25 января 2024 г.
  24. ^ Rodríguez Pérez F, Natwick D, Schiff L, McSwiggen D, Heckert A, Huey M, Morrison H, Loo M, Miranda RG, Filbin J, Ortega J, Van Buren K, Murnock D, Tao A, Butler R, Cheng K, Tarvestad W, Zhang Z, Gonzalez E, Miller RM, Kelly M, Tang Y, Ho J, Anderson D, Bashore C, Basham S (июль 2024 г.). «Ингибирование WRN приводит к его деградации, связанной с хроматином, через ось PIAS4-RNF4-p97/VCP». Nat. Commun . 15 (6059). doi : 10.1038/s41467-024-50178-3 . PMC 11258360 . PMID  39025847. 
  25. ^ Merritt MA, Cramer DW, Missmer SA, Vitonis AF, Titus LJ, Terry KL (март 2014 г.). «Потребление жиров в пище и риск эпителиального рака яичников по гистологии опухоли». British Journal of Cancer . 110 (5): 1392–1401. doi :10.1038/bjc.2014.16. PMC 3950866. PMID 24473401  . 

Дальнейшее чтение