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.
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.
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.
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] .
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] .
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.
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] .
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.
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.