stringtranslate.com

Соматическая мутация

Соматическая мутация — это изменение последовательности ДНК соматической клетки многоклеточного организма со специализированными репродуктивными клетками ; то есть любая мутация , которая происходит в клетке, отличной от гаметы , зародышевой клетки или гаметоцита . В отличие от мутаций зародышевой линии , которые могут передаваться потомкам организма, соматические мутации обычно не передаются потомкам. Это различие размыто у растений, у которых отсутствует выделенная зародышевая линия , и у тех животных, которые могут размножаться бесполым путем с помощью таких механизмов, как почкование , как у представителей книдарий рода Hydra .

Хотя соматические мутации не передаются потомству организма, соматические мутации будут присутствовать у всех потомков клетки одного и того же организма. Многие виды рака являются результатом накопленных соматических мутаций.

Доля пораженных клеток

Термин «соматические» обычно относится к клеткам организма, в отличие от репродуктивных ( зародышевых ) клеток, которые дают начало яйцеклетке или сперме . Например, у млекопитающих соматические клетки составляют внутренние органы, кожу, кости, кровь и соединительную ткань. [1]

У большинства животных отделение половых клеток от соматических ( развитие зародышевой линии ) происходит на ранних стадиях развития . Как только такое разделение произошло в эмбрионе, любая мутация за пределами клеток зародышевой линии не может быть передана потомству организма.

Однако соматические мутации передаются всему потомству мутировавшей клетки в одном организме. Таким образом, основная часть организма может нести одну и ту же мутацию, особенно если эта мутация происходит на более ранних стадиях развития. [2] Соматические мутации, возникающие на более позднем этапе жизни организма, бывает трудно обнаружить, поскольку они могут затрагивать только одну клетку – например, постмитотический нейрон ; [3] [4] Таким образом, усовершенствования в секвенировании отдельных клеток являются важным инструментом для изучения соматических мутаций. [5] Как ядерная ДНК , так и митохондриальная ДНК клетки могут накапливать мутации; соматические митохондриальные мутации участвуют в развитии некоторых нейродегенеративных заболеваний. [6]

Исключения из наследства

Гидра олигатис с двумя бутонами. Размножение почкованием является исключением из правила, согласно которому соматические мутации не передаются по наследству.

Существует множество исключений из правила, согласно которому соматические мутации не могут передаваться по наследству потомству. Многие организмы просто не выделяют отдельную зародышевую линию на ранних стадиях развития. Вместо этого растения и базальные животные, такие как губки и кораллы, генерируют гаметы из плюрипотентных стволовых клеток во взрослых соматических тканях. [7] [8] Например, у цветковых растений зародышевые клетки могут возникать из взрослых соматических клеток цветочной меристемы . Другие животные без определенной зародышевой линии включают оболочников и плоских червей . [9]

Соматические мутации также могут передаваться потомству у организмов, способных размножаться бесполым путем , без образования гамет. Например, животные рода Hydra книдарий могут размножаться бесполым путем посредством механизма почкования (они также могут размножаться половым путем). У гидры новая почка развивается непосредственно из соматических клеток родительской гидры. [10] Мутация, присутствующая в ткани, дающей начало дочернему организму, будет передана этому потомству.

Многие растения естественным образом размножаются путем вегетативного размножения - роста нового растения из фрагмента материнского растения - размножения соматических мутаций без этапа семенного производства. Люди искусственно вызывают вегетативное размножение посредством прививки и стеблевых черенков.

Причины

Схема воздействия ультрафиолетового света, вызывающего димер пиримидина
Ультрафиолетовый свет может повредить ДНК, вызывая образование димеров пиримидина . Соседние базы соединяются друг с другом, а не по «лестнице». Искаженная молекула ДНК не функционирует должным образом. Мутация может возникнуть, если происходят ошибки при репарации или репликации ДНК .

Как и мутации зародышевой линии, мутации в соматических клетках могут возникать из-за эндогенных факторов, включая ошибки во время репликации и восстановления ДНК, а также воздействие активных форм кислорода, вырабатываемых нормальными клеточными процессами. Мутации также могут быть вызваны контактом с мутагенами , что может увеличить скорость мутаций.

Большинство мутагенов действуют, вызывая повреждения ДНК — изменения в структуре ДНК, такие как пиримидиновые димеры , или разрыв одной или обеих цепей ДНК. Процессы репарации ДНК могут устранить повреждения ДНК, которые в противном случае при репликации ДНК вызвали бы мутацию. Мутация возникает в результате повреждения, когда ошибки в механизме репарации ДНК вызывают изменение нуклеотидной последовательности или если репликация происходит до завершения репарации.

Мутагены могут быть физическими, например, излучение УФ-лучей и рентгеновских лучей , или химическими (молекулы, которые непосредственно взаимодействуют с ДНК), например, метаболиты бензо [ а ]пирена , сильного канцерогена, содержащегося в табачном дыме . [11] Мутагены, связанные с раком, часто изучаются, чтобы узнать о раке и его профилактике.

Частота мутаций

Исследования показывают, что частота мутаций в соматических клетках обычно выше, чем в клетках зародышевой линии; [12] кроме того, существуют различия в типах мутаций, наблюдаемых в зародыше и соме. [13] Частота мутаций варьируется между различными соматическими тканями одного и того же организма [13] и между видами. [2]

Милхолланд и др. (2017) исследовали частоту мутаций дермальных фибробластов (типа соматических клеток) и зародышевых клеток у людей и мышей. Они измерили частоту возникновения однонуклеотидных вариантов (SNV), большинство из которых являются следствием ошибки репликации. Как с точки зрения мутационной нагрузки (общее количество мутаций, присутствующих в клетке), так и с точки зрения частоты мутаций на деление клетки (новые мутации при каждом митозе ), частота соматических мутаций более чем в десять раз превышала частоту мутаций зародышевой линии у людей и мышей.

У людей мутационная нагрузка в фибробластах была более чем в двадцать раз выше, чем в зародышевой линии (2,8 × 10 -7 по сравнению с 1,2 × 10 -8 мутаций на пару оснований). С поправкой на различия в предполагаемом количестве клеточных делений частота мутаций фибробластов была примерно в 80 раз выше, чем у зародыша (соответственно 2,66 × 10 -9 против 3,3 × 10 -11 мутаций на пару оснований за митоз). [2]

Несоответствие в частоте мутаций между зародышевой линией и соматическими тканями, вероятно, отражает большую важность генетической целостности зародышевой линии, чем сомы. [12] Изменение частоты мутаций может быть связано с различиями в скорости повреждения ДНК или различиями в процессе репарации ДНК в результате повышенных уровней ферментов репарации ДНК. [13]

В апреле 2022 года сообщалось, что большинство млекопитающих к концу своей жизни имеют примерно одинаковое количество мутаций, поэтому те, у кого одинаковая продолжительность жизни, будут иметь одинаковую частоту соматических мутаций , а те, кто живет меньше/больше, будут иметь одинаковую частоту соматических мутаций. более высокий/меньший уровень соматических мутаций соответственно. [14] [15]

Нейроны

Постмитотические нейроны накапливают соматические мутации с постоянной скоростью на протяжении всей жизни, и эта скорость примерно аналогична скорости мутаций в митотически активных тканях. [16] Мутации в нейронах могут возникать как следствие эндогенного повреждения ДНК и несколько неточного восстановления таких повреждений, которое постоянно происходит в клетках. [16]

Соматическая гипермутация

В рамках адаптивного иммунного ответа частота мутаций в В-клетках , продуцирующих антитела, во много раз превышает нормальную. Частота мутаций в антигенсвязывающих кодирующих последовательностях генов иммуноглобулинов до 1 000 000 раз выше, чем в клеточных линиях вне лимфоидной системы. Важным шагом в созревании аффинности является соматическая гипермутация, которая помогает В-клеткам вырабатывать антитела с большей аффинностью к антигену . [17]

Болезнь

Соматические мутации накапливаются в клетках организма по мере его старения и с каждым циклом клеточного деления; Роль соматических мутаций в развитии рака хорошо известна, а накопление соматических мутаций участвует в биологии старения. [4]

Мутации в нейрональных стволовых клетках (особенно во время нейрогенеза ) [18] и в постмитотических нейронах приводят к геномной гетерогенности нейронов, называемой «соматическим мозаицизмом мозга». [3] Накопление возрастных мутаций в нейронах может быть связано с нейродегенеративными заболеваниями , включая болезнь Альцгеймера , но эта связь не доказана. Большинство клеток центральной нервной системы у взрослых являются постмитотическими, и мутации у взрослых могут затрагивать только один нейрон. В отличие от рака, где мутации приводят к клональной пролиферации, вредные соматические мутации могут способствовать нейродегенеративному заболеванию из-за гибели клеток. [19] Поэтому точная оценка бремени соматических мутаций в нейронах остается трудной.

Роль в канцерогенезе

Если мутация происходит в клетке организма, эта мутация будет присутствовать у всех потомков этой клетки в том же организме. Накопление определенных мутаций на протяжении поколений соматических клеток является частью процесса злокачественной трансформации нормальной клетки в раковую.

Клетки с гетерозиготными мутациями потери функции (одна хорошая копия гена и одна мутированная копия) могут нормально функционировать с немутированной копией до тех пор, пока хорошая копия не подвергнется спонтанной соматической мутации. Такого рода мутации часто случаются в живых организмах, но их скорость трудно измерить. Измерение этой скорости важно для прогнозирования скорости развития рака у людей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кэмпбелл, Нил А., 1946–2004. (2009). Биология . Рис, Джейн Б. (8-е изд.). Сан-Франциско: Пирсон Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-6844-4. ОСЛК  174138981.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  2. ^ abc Милхолланд, Брэндон; Донг, Сяо; Чжан, Лей; Хао, Сяосяо; Эх, Юсин; Вийг, Ян (9 мая 2017 г.). «Различия между уровнем зародышевых и соматических мутаций у людей и мышей». Природные коммуникации . 8 : 15183. Бибкод : 2017NatCo...815183M. doi : 10.1038/ncomms15183. ISSN  2041-1723. ПМЦ 5436103 . ПМИД  28485371. 
  3. ^ аб Верхейен, Берт М.; Вермюльст, Марк; ван Леувен, Фред В. (2018). «Соматические мутации в нейронах при старении и нейродегенерации». Акта Нейропатологика . 135 (6): 811–826. дои : 10.1007/s00401-018-1850-y. ISSN  0001-6322. ПМЦ 5954077 . ПМИД  29705908. 
  4. ^ Аб Чжан, Лей; Вийг, Ян (23 ноября 2018 г.). «Соматический мутагенез у млекопитающих и его влияние на болезни человека и старение». Ежегодный обзор генетики . 52 : 397–419. doi : 10.1146/annurev-genet-120417-031501. ISSN  0066-4197. ПМК 6414224 . ПМИД  30212236. 
  5. ^ Гавад, Чарльз; Кох, Уинстон; Землетрясение, Стивен Р. (2016). «Секвенирование одноклеточного генома: современное состояние науки». Обзоры природы Генетика . 17 (3): 175–188. дои : 10.1038/nrg.2015.16. ISSN  1471-0056. PMID  26806412. S2CID  4800650.
  6. ^ Шон, Эрик А.; ДиМауро, Сальваторе; Хирано, Мичио (2012). «Митохондриальная ДНК человека: роль наследственных и соматических мутаций». Обзоры природы. Генетика . 13 (12): 878–890. дои : 10.1038/nrg3275. ISSN  1471-0056. ПМЦ 3959762 . ПМИД  23154810. 
  7. ^ Шон, Дэниел Дж.; Шульц, Стюарт Т. (2 ноября 2019 г.). «Соматическая мутация и эволюция растений». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 50 (1): 49–73. doi : 10.1146/annurev-ecolsys-110218-024955 . ISSN  1543-592X. S2CID  203882206.
  8. ^ Радзвилавичюс, Арунас Л.; Хадживасилиу, Зена; Помянковский, Эндрю; Лейн, Ник (20 декабря 2016 г.). «Отбор по качеству митохондрий стимулирует эволюцию зародышевой линии». ПЛОС Биология . 14 (12): e2000410. дои : 10.1371/journal.pbio.2000410 . ISSN  1544-9173. ПМК 5172535 . ПМИД  27997535. 
  9. ^ Зайпель, Катя; Янце, Натали; Шмид, Волкер (2004). «Зародышевая линия и ген соматических стволовых клеток Cniwi у медузы Podocoryne carnea». Международный журнал биологии развития . 48 (1): 1–7. дои : 10.1387/ijdb.15005568 . ISSN  0214-6282. ПМИД  15005568.
  10. ^ Отто, Джоан Дж.; Кэмпбелл, Ричард Д. (1977). «Почкование Hydra attenuata: стадии почек и карта судьбы». Журнал экспериментальной зоологии . 200 (3): 417–428. дои : 10.1002/jez.1402000311. ISSN  0022-104X. ПМИД  874446.
  11. ^ Армстронг, Бен; Хатчинсон, Эмма; Анвин, Джон; Флетчер, Тони (2004). «Риск рака легких после воздействия полициклических ароматических углеводородов: обзор и метаанализ». Перспективы гигиены окружающей среды . 112 (9): 970–978. дои : 10.1289/ehp.6895. ISSN  0091-6765. ПМЦ 1247189 . ПМИД  15198916. 
  12. ^ аб Мерфи, Патрисия; Маклин, Дерек Дж.; МакМахан, К. Алекс; Уолтер, Кристи А.; МакКерри, Джон Р. (2013). «Повышенная генетическая целостность зародышевых клеток мыши». Биология размножения . 88 (1): 6. doi :10.1095/biolreprod.112.103481. ISSN  0006-3363. ПМЦ 4434944 . ПМИД  23153565. 
  13. ^ abc Чен, Чен; Ци, Хунцзянь; Шен, Юфэн; Пикрелл, Джозеф; Пшеворски, Молли (2017). «Сравнительные детерминанты скорости мутаций в зародышевой линии и соме». Генетика . 207 (1): 255–267. дои : 10.1534/генетика.117.1114. ISSN  0016-6731. ПМЦ 5586376 . ПМИД  28733365. 
  14. ^ Кейган, Алекс; Баэз-Ортега, Адриан; Бжозовская, Наталья; Абаскаль, Федерико; Куренс, Тим Х.Х.; Сандерс, Матейс А.; Лоусон, Эндрю Р.Дж.; Харви, Люк М.Р.; Бхосле, Шрирам; Джонс, Дэвид; Алькантара, Рауль Э. (21 апреля 2022 г.). «Уровень соматических мутаций зависит от продолжительности жизни млекопитающих». Природа . 604 (7906): 517–524. Бибкод : 2022Natur.604..517C. дои : 10.1038/s41586-022-04618-z. ISSN  0028-0836. ПМК 9021023 . ПМИД  35418684. 
  15. ^ «Мутации между видами открывают ключ к старению». Новости BBC . 13 апреля 2022 г. Проверено 20 апреля 2022 г.
  16. ^ ab Абаскаль Ф, Харви ЛМР, Митчелл Э, Лоусон ARJ, Ленсинг С.В., Эллис П., Рассел AJC, Алькантара RE, Баэз-Ортега А, Ван Ю, Ква Э.Дж., Ли-Сикс Х, Кейган А, Куренс THH, Чепмен М.С. , Олафссон С, Леонард С, Джонс Д, Мачадо Х.Э., Дэвис М., Обро Н.Ф., Махубани К.Т., Аллинсон К., Герстунг М., Саеб-Парси К., Кент Д.Г., Лауренти Е., Страттон М.Р., Рахбари Р., Кэмпбелл П.Дж., Осборн Р.Дж. , Мартинкорена И. Ландшафты соматических мутаций с разрешением одной молекулы. Природа. Май 2021 г.;593(7859):405-410. дои: 10.1038/s41586-021-03477-4. Epub, 28 апреля 2021 г. PMID 33911282.
  17. ^ Тенг, Грейс; Папавасилиу, Ф. Нина (2007). «Соматическая гипермутация иммуноглобулина». Ежегодный обзор генетики . 41 (1): 107–120. doi : 10.1146/annurev.genet.41.110306.130340. ISSN  0066-4197. ПМИД  17576170.
  18. ^ Пэ, Тэджон; Томасини, Ливия; Мариани, Джессика; Чжоу, Бо; Ройчоудхури, Танмой; Франич, Дэниел; Плетикос, Миховил; Паттни, Реналь; Чен, Бо-Жюэнь; Вентурини, Элиза; Райли-Гиллис, Бриджит (2 февраля 2018 г.). «Различные скорости и механизмы мутаций в клетках человека на этапе прегаструляции и нейрогенеза». Наука . 359 (6375): 550–555. Бибкод : 2018Sci...359..550B. doi : 10.1126/science.aan8690. ISSN  0036-8075. ПМК 6311130 . ПМИД  29217587. 
  19. ^ Лейя-Салазар, М.; Пиетт, К.; Проукакис, К. (2018). «Обзор: Соматические мутации при нейродегенерации» (PDF) . Невропатология и прикладная нейробиология . 44 (3): 267–285. дои : 10.1111/nan.12465. PMID  29369391. S2CID  4362512.