Genomisk instabilitet

Genomisk instabilitet ( engelsk  genomic instability ) (även "genetic instability" ( engelsk  genetisk instability ) eller "genome instability" ( engelska  Genome instability )) bestäms av den höga frekvensen av mutationer i cellinjens genom. Dessa mutationer kan inkludera förändringar i nukleinsyrasekvensen , kromosomala omarrangemang eller aneuploidi . Genomisk instabilitet är en central faktor i karcinogenesen [1] , men också en faktor vid vissa neurodegenerativa sjukdomar som amyotrofisk lateralskleros eller den neuromuskulära sjukdomen myotonisk dystrofi .

Källorna till genomisk instabilitet har först nyligen klarlagts. Den höga frekvensen av externt orsakad DNA- skada [2] kan vara en av källorna till genomisk instabilitet, eftersom DNA-skador kan leda till felaktig syntes genom skada eller reparationsfel som leder till mutation. En annan källa till genomisk instabilitet kan vara epigenetisk eller mutationell minskning av uttrycket av DNA- reparationsgener . Eftersom endogen (metabolism-inducerad) DNA-skada är så vanlig, som i genomsnitt förekommer mer än 60 000 gånger om dagen i mänskliga cellgenom , är varje minskning av DNA-reparation sannolikt en viktig källa till genomisk instabilitet.

Den vanliga genomiska situationen

I allmänhet uppvisar alla celler av en individ av en given art (växt eller djur) ett konstant antal kromosomer , som bildar vad som är känt som karyotypen som definierar den arten, även om vissa arter uppvisar en ganska stor variation i karyotyp. Hos människor inträffar mutationer som skulle ändra aminosyran i ett protein i den kodande regionen av genomet i genomsnitt endast 0,35 generationer (mindre än ett mutantprotein per generation) [3] .

Ibland, hos arter med en stabil karyotyp, kan slumpmässiga förändringar observeras som ändrar det normala antalet kromosomer. I andra fall finns det strukturella förändringar ( kromosomala translokationer , deletioner ...) som ändrar standardkromosomuppsättningen. I dessa fall indikeras det att den drabbade organismen uppvisar genomisk instabilitet (även genetisk instabilitet , eller till och med kromosomal instabilitet ). Processen med genomisk instabilitet resulterar ofta i en situation av aneuploidi , där celler har ett antal kromosomer över eller under det normala för arten.

Genomisk instabilitet i neuronala och neuromuskulära sjukdomar

Av cirka 200 neurologiska och neuromuskulära störningar har 15 ett tydligt samband med en ärftlig eller förvärvad defekt i någon av DNA-reparationsvägarna eller överdriven genotoxisk oxidativ stress [4] [5] . Fem av dem ( pigmentosa torr hud , Cockaynes syndrom , trikotiodystrofi , Downs syndrom och trippelsyndrom har en defekt i excision av nukleotid-DNA-reparationsvägen. Sex ( spinocerebellär ataxi med axonal neuropati 1, Huntingtons sjukdom , Alzheimers sjukdom , Parkinsons sjukdom , Downs syndrom och amyotrofisk lateralskleros ) tycks vara resultatet av ökad oxidativ stress och oförmågan hos den underliggande excisionsreparationsvägen att bearbeta DNA-skada Fyra av dessa ( Huntingtons sjukdom , olika spinal- och cerebellära ataxier , Friedreichs ataxi och myotonic ). dystrofi typ 1 och 2) har ofta ovanliga repetitiva förstoringssekvenser i DNA som sannolikt kan tillskrivas genomisk instabilitet Fyra ( ataxi telangiectasia , ataxi telangiectasia as a disorder, Nijmegens skadesyndrom och Alzheimers sjukdom ) är defekter i gener som är involverade i DNA dubbel- reparation av trådbrott. stress är den främsta orsaken till genomisk instabilitet i hjärnan. Sällsynta neurologiska sjukdomar uppstår när vägen som normalt förhindrar oxidativ stress är bristfällig, eller DNA-reparationsvägen som normalt reparerar skador orsakade av oxidativ stress är bristfällig.

Genomisk instabilitet i cancer

Vid cancer kan genomisk instabilitet uppstå före eller som ett resultat av transformation [6] . Genomisk instabilitet kan syfta på ackumulering av extra kopior av DNA eller kromosomer , kromosomala translokationer , kromosomala inversioner , kromosomala deletioner , enkelsträngsbrott i DNA, dubbelsträngsbrott i DNA, interkalationer av främmande ämnen i DNA-dubbelhelixen eller någon annan patologiska förändringar i den tertiära strukturen av DNA som kan resultera i antingen förlust av DNA eller feluttryck av gener . Situationer med genomisk instabilitet (liksom aneuploidi ) är utbredda i cancerceller och de anses vara ett "visitkort" för dem. Den oförutsägbara naturen hos dessa händelser är också en stor bidragande orsak till de heterogeniteter som observeras mellan tumörceller.

Det är nu allmänt accepterat att sporadiska tumörer (icke-familjära) uppstår på grund av ackumuleringen av flera genetiska fel [7] . I genomsnitt kan bröst- eller tjocktarmscancer ha från 60 till 70 proteinmutationsförändringar, varav cirka 3 eller 4 kan vara "föraren" av mutationen, och resten - "passagerarna" av mutationen [8] . Varje genetisk eller epigenetisk skada kommer att leda till en ökning av mutationshastigheten, som ett resultat - till en ökning av förvärvet av nya mutationer, vilket ökar sannolikheten för tumörutveckling [9] . Om processen för karcinogenes är det känt att diploida celler förvärvar mutationer i de gener som ansvarar för att upprätthålla integriteten hos genomet), såväl som i de gener som direkt styr cellproliferation [10] . Genetisk instabilitet kan uppstå på grund av brister i DNA-reparation, eller på grund av förlust eller ökning av antalet kromosomer, eller på grund av storskaliga kromosomförändringar. Förlust av genetisk stabilitet kommer att främja tumörutveckling, eftersom det gynnar en generation av mutanter som kan väljas i miljön [11] .

Låg mutationshastighet utan cancer

De proteinkodande regionerna i det mänskliga genomet, som kollektivt kallas exome , utgör endast 1,5% av det totala genomet [12] . Som noterats ovan finns det vanligtvis bara i genomsnitt 0,35 exommutationer per generation (förälder-barn) hos människor . I hela genomet (inklusive icke-kodande regioner) finns det bara cirka 70 nya mutationer per generation hos människor [13] [14] .

Orsak till mutationer i cancer

Den främsta orsaken till mutationer i cancer  är förmodligen DNA- skador [15] . Till exempel, i fallet med lungcancer, orsakas DNA-skador av agenter av exogen genotoxisk tobaksrök (t.ex. akrolein, formaldehyd, akrylnitril, 1,3-butadienacetaldehyd, etylenoxid och isopren) [16] . Endogen (metabolisk-inducerad) DNA-skada är också mycket vanlig och förekommer i genomsnitt mer än 60 000 gånger om dagen i genomet av mänskliga celler. Externt och endogent orsakade förluster kan omvandlas till mutationer genom inexakt syntes genom skada eller felaktig DNA-reparation (till exempel genom att lägga till icke-homologa ändelser ). Dessutom kan DNA-skador också leda till epigenetiska förändringar under DNA-reparation [17] [18] [19] . Både mutationer och epigenetiska förändringar (epimutationer) kan bidra till utvecklingen av cancer.

Hög mutationshastighet i cancer

Som nämnts ovan förekommer cirka 3 eller 4 mutationsförare och 60 mutationspassagerare i exomen (kodande ( proteinregion ) av en cancer [8] . Men ett mycket större antal mutationer förekommer i icke-proteinkodande regioner av DNA . Genomsnittligt antal mutationer i en DNA-sekvens är det totala genomet av ett bröstcancervävnadsprov cirka 20 000 [20] I ett genomsnittligt melanomvävnadsprov (där melanom har en högre exommutationshastighet [8] ), det totala antalet DNA-sekvenser med mutationer är cirka 80 000 [21] .

Anledningen till den höga mutationsfrekvensen i cancer

Den höga genomomfattande mutationshastigheten i cancer tyder på att, ofta tidigt, kan brist på DNA-reparation vara orsaken till cancerframkallande förändringar . Frekvensen av mutationer ökar signifikant (ibland med 100 gånger) i celler som är defekta när det gäller DNA-reparationsfelmatchning [ 22] [23] eller i homolog rekombination av DNA-reparation [24] . Dessutom leder kromosomförändringar och en ökning av aneuploidi av BLM -genen hos en person med en defekt i DNA-reparation [25] till detta .

DNA-reparationsbrist i sig kan tillåta DNA-skador att ackumuleras, och benägen för syntesfel genom skador i vissa av dem, kan leda till mutationer. Dessutom kan underlåtenhet att reparera dessa ackumulerade DNA-skador leda till epigenetiska förändringar eller epimutationer. Även om mutationer eller epimutationer i en DNA-reparationsgen inte i sig själva har en selektiv fördel, kan till exempel en reparationsdefekt bäras som passagerare i en cell när cellen förvärvar en ytterligare mutation/epimutation för att ge en proliferativ fördel. Celler som de med en proliferativ fördel och en eller flera DNA-reparationsdefekter (som orsakar en hög mutationshastighet) resulterar förmodligen i de 20 000 till 80 000 totala genommutationer som ofta ses i cancer.

DNA-reparationsbrist vid cancer

I somatiska celler beror brister i DNA-reparation ibland på mutationer i DNA-reparationsgener, men mycket oftare på epigenetiska minskningar i uttrycket av dessa gener. Sålunda, av 113 kolorektala cancersekvenser , hade endast fyra somatiska missense-mutationer i MGMT DNA -reparationsgenen , medan de flesta av dessa cancerformer minskade MGMT-uttryck på grund av metylering av MGMT - promotorregionen [26] .

På liknande sätt, för 119 fall av kolorektal cancer klassificerade som bristfällig DNA-reparationsfelmatchning och avsaknad av PMS2-genuttryck, var Pms2 bristfällig i 6 fall på grund av mutationer i PMS2-genen, medan PMS2-uttrycket i 103 fall var bristfälligt eftersom dess parade MLH1-partnern undertrycktes att metylera promotorn (protein (PMS2 är instabilt i frånvaro av MLH1) [27] . I ytterligare 10 fall berodde förlust av PMS2-uttryck sannolikt på epigenetiskt överuttryck av miRNA, Mir-155, som reglerar MLH1 [28] .

En partiell lista över epigenetiska brister som hittats i DNA-reparationsgener i sporadiska cancerformer inkluderar en incidens mellan 13 % -100 % av epigenetiska defekter i generna: BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 och ATM , inklusive bröst, äggstockar, kolon, huvud och hals. Två eller tre epigenetiska brister i uttrycket av ERCC1, XPF och/eller PMS2 har visat sig förekomma samtidigt i majoriteten av 49 tjocktarmscancer [29] . Vissa av dessa DNA-reparationsbrister kan orsakas av epimutationer i miRNA.

Anteckningar

  1. ^ Schmitt, M.W.; Prindle, MJ; Loeb, L.A. Implikationer av genetisk heterogenitet i cancer  //  Ann NY Acad Sci : journal. - 2012. - Vol. 1267 . - S. 110-116 . - doi : 10.1111/j.1749-6632.2012.06590.x . — PMID 22954224 .
  2. Møller, P. Genotoxicitet hos miljöagenter bedömd med alkalisk kometanalys  //  Basic Clin Pharmacol Toxicol : journal. - 2005. - Vol. 96 , nr. Smidig 1 . - S. 1-42 . — PMID 15859009 .
  3. Keightley PD Priser och konditionskonsekvenser av nya mutationer hos människor  //  Genetics: journal. - 2012. - Februari ( vol. 190 , nr 2 ). - S. 295-304 . - doi : 10.1534/genetics.111.134668 . — PMID 22345605 .
  4. Subba Rao K. (2007). Sjukdomsmekanismer: DNA-reparationsdefekter och neurologisk sjukdom. Nat Clinic Practice Neurol. 3(3):162-72. recension. doi : 10.1038/ncpneuro0448 PMID 17342192
  5. Jeppesen, DK; Bohr, V.A.; Stevnsner, T. DNA-reparationsbrist vid neurodegeneration  (engelska)  // Prog Neurobiol  : journal. - 2011. - Vol. 94 , nr. 2 . - S. 166-200 . - doi : 10.1016/j.pneurobio.2011.04.013 . — PMID 21550379 .
  6. Corcos, D. (2012), Obalanserad replikering som en viktig källa till genetisk instabilitet i cancerceller , AJBR vol 2 (3): 160–9, PMID 23119227 
  7. Storchova, Z. & Pellman, D. (2004), Från polyploidy till aneuploidy, genominstabilitet och cancer , 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.; Kinzler KW Cancer genome landscapes  (engelska)  // Science. - 2013. - Mars ( vol. 339 , nr 6127 ). - P. 1546-1558 . - doi : 10.1126/science.1235122 . — PMID 23539594 .
  9. Nowak, MA; Komarova, NL; Sengupta, A. & Jallepalli, PV (2002), Rollen av kromosomal instabilitet i tumörinitiering , Proc. Natl Acad. sci. USA vol. 99 (25): 16226–31, PMID 12446840 , DOI 10.1073/pnas.202617399 
  10. Kinzler, KW & Vogelstein, B. (april 1997), Cancer-mottaglighetsgener. Portvakter och vaktmästare , Nature T. 386 (6627): 761–3, PMID 9126728 , DOI 10.1038/386761a0 
  11. Cahill, D.P.; Kinzler, KW; Vogelstein, B. & Lengauer, C. (1999), Genetic instability and darwinian selection in tumors , 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; et al. Initial sekvensering och analys av det mänskliga genomet  //  Nature : journal. - 2001. - Februari ( vol. 409 , nr 6822 ). - P. 860-921 . - doi : 10.1038/35057062 . — PMID 11237011 .
  13. Mört JC; Glusman G; SmithAF; et al. Analys av genetiskt arv i en familjekvartett genom helgenomsekvensering  (engelska)  // Science : journal. - 2010. - April ( vol. 328 , nr 5978 ). - s. 636-639 . - doi : 10.1126/science.1186802 . — PMID 20220176 .
  14. Campbell CD; Chong JX; Malig M; et al. Uppskattning av den mänskliga mutationshastigheten med hjälp av autozygositet i en grundarpopulation   // Nat . Genet.  : journal. - 2012. - November ( vol. 44 , nr 11 ). - P. 1277-1281 . - doi : 10.1038/ng.2418 . — PMID 23001126 .
  15. Bernstein C, Prasad AR, Nfonsam V, Bernstein H. (2013). DNA-skada, DNA-reparation och cancer, nya forskningsanvisningar inom DNA-reparation, 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- reparation-och-cancer Arkiverad 29 januari 2021 på Wayback Machine
  16. Cunningham, F.H.; Fiebelkorn, S; Johnson, M; Meredith, C. En ny tillämpning av tillvägagångssättet Margin of Exposure: segregering av tobaksrökgifter   // Food Chem Toxicol : journal. - 2011. - Vol. 49 , nr. 11 . - P. 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, EV DNA-skada, homologiriktad reparation och DNA-metylering  //  PLoS Genet : journal. - 2007. - Vol. 3 , nr. 7 . —P.e110 . _ - doi : 10.1371/journal.pgen.0030110 . — PMID 17616978 .
  18. O'Hagan HM, Mohammad HP, Baylin SB. Dubbelsträngsbrott kan initiera gentystnad och SIRT1-beroende start av DNA-metylering i en exogen CpG-ö-promotor. 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)ation styr rekrytering och aktivering av en ATP-beroende kromatinremodellerare. Proc Natl Acad Sci USA 106(33):13770-4. doi: 10.1073/pnas.0906920106. PMID 19666485 [PubMed - indexerad för 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 Identifiering av somatiska mutationer med hög konfidens i hela genomsekvensen av formalinfixerade bröstcancerprover  // Nucleic Acids Res  . : journal. - 2012. - Augusti ( vol. 40 , nr 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 , Stransky 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 Melanomgenomsekvensering avslöjar frekventa PREX2-mutationer.  (engelska)  // Nature. - 2012. - Vol. 485, nr. 7399 . - s. 502-506. - doi : 10.1038/nature11071 . — PMID 22622578 .
  22. Narayanan L; Fritzell JA; Bagare SM; Liskay RM; Glazer PM Förhöjda nivåer av mutation i flera vävnader hos möss som saknar DNA-felmatchningsreparationsgenen Pms2  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1997. - April ( vol. 94 , nr 7 ). - s. 3122-3127 . - doi : 10.1073/pnas.94.7.3122 . — PMID 9096356 .
  23. Hegan DC; Narayanan L; Jirik F.R.; Edelmann W; Liskay RM; Glazer PM Differentiering av genetisk instabilitetsmönster hos möss som saknar reparationsgenerna Pms2, Mlh1, Msh2, Msh3 och Msh6  //  Carcinogenesis: journal. - 2006. - December ( vol. 27 , nr 12 ). - P. 2402-2408 . - doi : 10.1093/carcin/bgl079 . — PMID 16728433 .
  24. Tutt AN; van Oostrom CT; Ross GM; van Steeg H; Ashworth A. Störning av Brca2 ökar den spontana mutationshastigheten in vivo: synergism med joniserande strålning  // EMBO Rep  . : journal. - 2002. - Mars ( vol. 3 , nr 3 ). - S. 255-260 . - doi : 10.1093/embo-reports/kvf037 . — PMID 11850397 .
  25. German, J. Blooms syndrom. I. Genetiska och kliniska observationer hos de första tjugosju patienterna  (engelska)  // Am J Hum Genet : journal. - 1969. - Mars ( vol. 21 , nr 2 ). - S. 196-227 . — PMID 5770175 .
  26. Halford S; Rowan A; Sawyer E; Talbot I; Tomlinson I. O(6)-metylguaninmetyltransferas i kolorektala cancerformer: detektion av mutationer, förlust av uttryck och svag association med G:C>A:T-övergångar  //  Gut: journal. - 2005. - Juni ( vol. 54 , nr 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; Jiricny, J; Marra, G. Immunhistokemisk analys avslöjar hög frekvens av PMS2-defekter i kolorektal cancer  //  Gastroenterology : journal. - 2005. - Vol. 128 , nr. 5 . - P. 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 Modulering av missmatchningsreparation och genomisk stabilitet genom miR-155  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2010. - Vol. 107 , nr. 15 . - P. 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. Bristfälligt uttryck av DNA-reparationsenzymer i tidig progression till sporadisk koloncancer  //  Genome Integr: journal. - 2012. - Vol. 3 , nr. 1 . — S. 3 . - doi : 10.1186/2041-9414-3-3 . — PMID 22494821 .