Войти
Нестабильность генома (также генетическая нестабильность или геномная нестабильность ) относится к высокая частота мутаций в геноме клеточной линии. Эти мутации могут включать изменения в последовательностях нуклеиновых кислот, хромосомные перестройки или анеуплоидии. У бактерий действительно бывает нестабильность генома. У многоклеточных организмов нестабильность генома играет центральную роль в канцерогенезе, а у людей она также является фактором некоторых нейродегенеративных заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз или нервно-мышечное заболевание миотоническая дистрофия.
Источники нестабильности генома начали выясняться совсем недавно. Высокая частота внешних повреждений ДНК может быть одним из источников нестабильности генома, поскольку повреждения ДНК могут вызвать неточный синтез транслезии после повреждений или ошибок в репарации, что приводит к мутации. Другим источником нестабильности генома может быть эпигенетическое или мутационное снижение экспрессии генов репарации ДНК. Поскольку эндогенное (метаболически обусловленное) повреждение ДНК встречается очень часто, в среднем более 60000 раз в день в геномах человеческих клеток, любое снижение репарации ДНК, вероятно, является важным источником нестабильности генома.
Обычно все клетки индивидуума в данный вид (растение или животное) показывает постоянное количество хромосом, которые составляют так называемый кариотип, определяющий этот вид (см. также Список количества хромосом различных организмов ), хотя некоторые виды обладают очень высокой кариотипической изменчивостью. У людей мутации, которые могут привести к изменению аминокислоты в кодирующей белок области генома, встречаются в среднем всего 0,35 на поколение (менее одного мутировавшего белка на поколение).
Иногда у видов с стабильный кариотип, могут наблюдаться случайные вариации, которые изменяют нормальное количество хромосом. В других случаях наблюдаются структурные изменения (хромосомные транслокации, делеции...), которые изменяют стандартный хромосомный набор. В этих случаях указывается, что пораженный организм проявляет нестабильность генома (также генетическую нестабильность или даже хромосомную нестабильность). Процесс нестабильности генома часто приводит к ситуации анеуплоидии, при которой клетки имеют хромосомный номер, который либо выше, либо ниже нормального комплемента для данного вида.
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 получилась идеальная копия ДНК. Мутации белков, таких как ДНК-полимераза, лигаза, могут привести к нарушению репликации и привести к спонтанным хромосомным обменам. Белки, такие как Tel1, Mec1 (ATR, ATM у человека), могут обнаруживать одно- и двухцепочечные разрывы и задействовать такие факторы, как геликаза Rmr3, для стабилизации репликационной вилки и предотвращения ее коллапса. Мутации в геликазе Tel1, Mec1 и Rmr3 приводят к значительному усилению хромосомной рекомбинации. ATR специфически реагирует на застопорившиеся вилки репликации и одноцепочечные разрывы, возникающие в результате УФ-повреждения, в то время как ATM реагирует непосредственно на двухцепочечные разрывы. Эти белки также предотвращают прогрессирование в митоз, подавляя срабатывание источников поздней репликации до тех пор, пока разрывы ДНК не будут зафиксированы путем фосфорилирования CHK1, CHK2, что приводит к сигнальному каскаду, останавливающему клетку в S-фазе. Для однонитевых разрывов репликация происходит до тех пор, пока не будет обнаружен разрыв, затем другая цепь будет разорвана с образованием двухцепочечного разрыва, который затем может быть восстановлен с помощью индуцированной разрывом репликации или гомологичной рекомбинации с использованием сестринской хроматиды в качестве безошибочного шаблона. 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 УФ-повреждение. Примером может служить ген rad9 Saccharomyces pombe, который задерживает клетки в поздней фазе S / G2 при наличии повреждения ДНК, вызванного радиацией. Клетки дрожжей с дефектным rad9 не смогли задержаться после облучения, продолжили деление клеток и быстро погибли, в то время как клетки с rad9 дикого типа успешно остановились в поздней фазе S / G2 и остались жизнеспособными. Арестованные клетки смогли выжить из-за увеличения времени в фазе S / G2, что позволило ферментам репарации ДНК полностью функционировать.
В геноме есть горячие точки, где последовательности ДНК подвержены пропускам и разрывам после ингибирования синтеза ДНК, например, при вышеупомянутом аресте контрольной точки. Эти сайты называются хрупкими сайтами и могут встречаться обычно в естественных условиях в геномах большинства млекопитающих или в редких случаях в результате мутаций, таких как расширение ДНК-повторов. Редкие хрупкие участки могут привести к генетическим заболеваниям, таким как синдром ломкой Х-хромосомы, миотоническая дистрофия, атаксия Фридриха и болезнь Хантингтона, большинство из которых вызваны увеличением количества повторов на уровне ДНК, РНК или белка. Хотя эти распространенные хрупкие участки кажутся вредными, они сохраняются вплоть до дрожжей и бактерий. Эти повсеместные сайты характеризуются тринуклеотидными повторами, чаще всего CGG, CAG, GAA и GCN. Эти тринуклеотидные повторы могут образовывать шпильки, что затрудняет репликацию. При стрессе репликации, таком как дефектный механизм или дальнейшее повреждение ДНК, на этих хрупких участках могут образовываться разрывы и разрывы ДНК. Использование сестринской хроматиды в качестве репарации не является надежной резервной копией, поскольку окружающая ДНК информация n и n + 1 повторов 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 является как CGGCGGCGG…, что приводит к 3 дополнительным копиям CGG в конечной последовательности ДНК.
У E. coli и Saccromyces pombe сайты транскрипции, как правило, имеют более высокую скорость рекомбинации и мутаций. Кодирующая или нетранскрибируемая цепь накапливает больше мутаций, чем матричная цепь. Это связано с тем, что кодирующая цепь во время транскрипции является одноцепочечной, что химически более нестабильно, чем двухцепочечная ДНК. Во время элонгации транскрипции суперспирализация может происходить позади удлиняющейся РНК-полимеразы, что приводит к одноцепочечным разрывам. Когда кодирующая цепь является одноцепочечной, она также может гибридизоваться сама с собой, создавая вторичные структуры ДНК, которые могут нарушить репликацию. В E. coli при попытке транскрибировать триплеты GAA, такие как те, которые обнаруживаются при атаксии Фридриха, результирующая РНК и матричная цепь могут образовывать несовпадающие петли между различными повторами, приводя к тому, что комплементарный сегмент в кодирующей цепи может образовывать свои собственные петли, которые препятствуют репликация. Более того, репликация ДНК и транскрипция ДНК не независимы во времени; они могут происходить одновременно и приводить к конфликтам между репликационной вилкой и комплексом РНК-полимеразы. У S. cerevisiae геликаза Rrm3 обнаружена в генах с высокой степенью транскрибирования в геноме дрожжей, который рекрутируется для стабилизации останавливающейся репликационной вилки, как описано выше. Это предполагает, что транскрипция является препятствием для репликации, что может привести к усилению стресса в хроматине, охватывающем небольшое расстояние между размотанной репликационной вилкой и сайтом начала транскрипции, потенциально вызывая разрывы одноцепочечной ДНК. В дрожжах белки действуют как барьеры в 3 'транскрипционной единицы, предотвращая дальнейшее перемещение вилки репликации ДНК.
В некоторых частях генома вариабельность важна к выживанию. Одним из таких локалей являются гены Ig. В клетке pre-B область состоит из всех сегментов V, D и J. Во время развития В-клетки выбирается определенный сегмент V, D и J для сплайсинга вместе с образованием конечного гена, который катализируется рекомбиназами RAG1 и RAG2. Затем индуцированная активацией цитидин дезаминаза (AID) превращает цитидин в урацил. Урацила обычно не существует в ДНК, и, таким образом, 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 выживания млекопитающих против инфекции. Рекомбинация V, D, J может обеспечить миллионы уникальных рецепторов B-клеток; однако случайная репарация с помощью NHEJ вносит изменения, которые могут создавать рецептор, который может связываться с более высоким сродством с антигенами.
Из примерно 200 неврологических и нервно-мышечных нарушений 15 имеют четкая связь с наследственным или приобретенным дефектом одного из путей репарации ДНК или чрезмерным генотоксическим окислительным стрессом. Пять из них (пигментная ксеродермия, синдром Кокейна, трихотиодистрофия, синдром Дауна и синдром тройной А ) имеют дефект в пути эксцизионной репарации нуклеотидов ДНК. Шесть (спиноцеребеллярная 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 повреждением ДНК, которое это вызывает. Четыре из них (болезнь Хантингтона, различные спиноцеребеллярные атаксии, атаксия Фридрейха и миотоническая дистрофия типов 1 и 2) часто имеют необычное увеличение повторяющихся последовательностей в ДНК, вероятно, это связано с нестабильностью генома. Четыре (атаксия-телеангиэктазия, расстройство, подобное атаксии-телеангиэктазии, синдром разрыва Неймегена и болезнь Альцгеймера) являются дефектными в генах, участвующих в репарации двухцепочечных разрывов ДНК. В целом, похоже, что оксидативный стресс является основной причиной геномной нестабильности в головном 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.
При раке нестабильность генома может возникать до или как следствие трансформации. Нестабильность генома может означать накопление дополнительных копий ДНК или хромосом, хромосомные транслокации, хромосомные инверсии, делеции хромосомы ., однонитевые разрывы в ДНК, двухцепочечные разрывы в ДНК, внедрение чужеродных веществ в двойную спираль ДНК или любые аномальные изменения в третичной структуре ДНК, которые могут вызвать потерю ДНК или неправильная экспрессия генов. Ситуации нестабильности генома (а также анеуплоидия) обычны для раковых клеток, и они считаются «отличительным признаком» этих клеток. Непредсказуемый характер этих событий также является основным фактором гетерогенности, наблюдаемой среди опухолевых клеток.
В настоящее время принято, что спорадические опухоли (несемейные) возникают из-за накопления нескольких генетических ошибок. В среднем рак груди 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 мутациями «пассажирами». Любое генетическое или эпигенетическое поражение, увеличивающее частота мутаций, как следствие, приведет к увеличению приобретения новых мутаций, что увеличивает вероятность развития опухоли. В процессе онкогенеза известно, что диплоидные клетки приобретают мутации в генах, отвечающих за поддержание целостности генома (гены-хранители ), а также в генах, которые непосредственно контролируют клеточную пролиферацию (гены-привратники ). Генетическая нестабильность может возникать из-за недостатков репарации ДНК или из-за потери или увеличения хромосом, или из-за крупномасштабных хромосомных реорганизаций. Утрата генетической стабильности будет способствовать развитию опухоли, поскольку она способствует образованию мутантов, которые могут быть отобраны окружающей средой.
микроокружение опухоли оказывает ингибирующее действие на репарацию ДНК пути, способствующие нестабильности генома, что способствует выживанию, пролиферации и злокачественной трансформации опухоли.
Белковые кодирующие области генома человека, вместе называемые экзом, составляет всего 1,5% всего генома. Как указывалось выше, у людей обычно в экзоме бывает только в среднем 0,35 мутаций на поколение (от родителя к ребенку). Во всем геноме (включая районы, не кодирующие белки) существует только около 70 новых мутаций на поколение у людей.
Вероятная основная причина мутаций при раке повреждение ДНК. Например, в случае рака легких повреждение ДНК вызывается агентами экзогенного генотоксичного табачного дыма (например, акролеин, формальдегид, акрилонитрил, 1,3-бутадиен, ацетальдегид, этилен оксид и изопрен). Эндогенное (метаболически вызванное) повреждение ДНК также очень часто, в среднем более 60000 раз в день в геномах клеток человека (см. повреждение ДНК (естественное) ). Внешне и эндогенно вызванные повреждения могут быть преобразованы в мутации из-за неточного синтеза трансформации или неточной репарации ДНК (например, из-за негомологичного соединения концов ). Кроме того, повреждения ДНК также могут вызывать эпигенетические изменения во время репарации ДНК. Как мутации, так и эпигенетические изменения (эпимутации) могут способствовать прогрессированию до рака.
Как отмечалось выше, около 3 или 4 мутаций драйвера и 60 мутаций пассажира происходят в экзоме ( кодирующая белок область) рака. Однако гораздо большее количество мутаций происходит в небелковых областях ДНК. Среднее количество мутаций в последовательности ДНК во всем геноме образца ткани рака груди составляет около 20 000. В среднем образце ткани меланомы (где меланомы имеют более высокую частоту мутаций экзома ) общее количество мутаций последовательности ДНК составляет около 80000.
Высокая частота мутаций в общем геноме злокачественных опухолей предполагает, что часто раннее канцерогенное изменение может быть связано с недостаточностью репарации ДНК. Скорости мутаций существенно увеличиваются (иногда в 100 раз) в клетках, дефектных по репарации ошибочного спаривания ДНК или гомологичной рекомбинационной репарации ДНК. Кроме того, хромосомные перестройки и увеличение анеуплоидии у людей с дефектом гена репарации ДНК BLM.
Дефицит репарации ДНК сам по себе может способствовать накоплению повреждений ДНК и склонному к ошибкам синтезу трансфузии в течение некоторого времени. из этих повреждений может вызвать мутации. Кроме того, неправильная репарация 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 качестве пассажира в клетке, 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 скорость мутаций), вероятно, вызывают от 20 000 до 80 000 полных мутаций генома, часто наблюдаемых при раке.
В соматических клетках дефицит репарации ДНК иногда возникает из-за мутаций в генах репарации ДНК, но гораздо чаще из-за эпигенетического снижения экспрессии генов репарации ДНК. Таким образом, в последовательности из 113 случаев рака прямой кишки только четыре имели соматические миссенс-мутации в гене репарации ДНК MGMT, в то время как большинство этих видов рака имели пониженную экспрессию MGMT из-за метилирования промоторной области MGMT. Пять отчетов, перечисленных в статье Эпигенетика (см. Раздел «Эпигенетика репарации ДНК при раке»), представили доказательства того, что от 40% до 90% случаев колоректального рака снижают экспрессию MGMT из-за метилирования промоторной области MGMT.
Аналогичным образом, для 119 случаев колоректального рака, классифицированных как дефектная репарация ошибочного спаривания и отсутствие экспрессии гена репарации ДНК PMS2, Pms2 был недостаточен в 6 случаях из-за мутаций в гене PMS2, тогда как в 103 случаях экспрессия PMS2 была недостаточной из-за его Партнер спаривания MLH1 был репрессирован из-за метилирования промотора (белок PMS2 нестабилен в отсутствие MLH1). Остальные 10 случаев потери экспрессии PMS2, вероятно, были связаны с эпигенетической сверхэкспрессией микроРНК miR-155, которая подавляет MLH1.
В эпигенетике рака (см. Раздел Частоты эпимутаций в генах репарации ДНК ), имеется частичный перечень эпигенетических недостатков, 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 локализованы в раковых опухолях, включая рак груди, яичников, толстой кишки, головы и шеи. Было обнаружено, что два или три эпигенетических дефицита экспрессии ERCC1, XPF и / или PMS2 возникают одновременно в большинстве из 49 оцениваемых видов рака толстой кишки. Некоторые из этих недостатков репарации ДНК могут быть вызваны эпимутациями в микроРНК, как описано в разделе статьи MicroRNA под названием miRNA, репарация ДНК и рак.
Рак обычно возникает в результате нарушения репрессора опухоли или нарушения регуляции онкогена. Знание того, что B-клетки испытывают разрывы ДНК во время развития, может дать представление о геноме лимфом. Многие типы лимфомы вызываются хромосомной транслокацией, которая может возникать из-за разрывов ДНК, приводящих к неправильному соединению. При лимфоме Беркитта c-myc, онкоген, кодирующий фактор транскрипции, перемещается в положение после промотора гена иммуноглобулина, что приводит к нарушению регуляции транскрипции c-myc. Поскольку иммуноглобулины важны для лимфоцитов и высоко экспрессируются для увеличения обнаружения антигенов, тогда c-myc также сильно экспрессируется, что приводит к транскрипции его мишеней, которые участвуют в пролиферации клеток. Лимфома из клеток мантии характеризуется слиянием циклина D1 с локусом иммуноглобулина. Циклин D1 ингибирует Rb, супрессор опухолей, что приводит к онкогенезу. Фолликулярная лимфома возникает в результате транслокации промотора иммуноглобулина к гену 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. Местоположение транслокации в онкогене имеет общие структурные свойства целевых областей AID, что позволяет предположить, что онкоген был потенциальной мишенью AID, что привело к двухцепочечному разрыву, который был перемещен в локус гена иммуноглобулина через NHEJ repair.
