Войти
Передача мутации de novo в зародышевых клетках потомству. A мутация зародышевой линии или зародышевая мутация - это любая обнаруживаемая вариация в зародышевых клетках (клетки, которые при полном развитии становятся сперматозоидами и яйцеклетками ). Мутации в этих клетках - единственные мутации, которые могут передаваться потомству, когда либо мутировавший сперматозоид, либо ооцит объединяются, образуя зиготу. После этого события оплодотворения зародышевые клетки быстро делятся, чтобы произвести все клетки в организме, в результате чего эта мутация присутствует в каждой соматической клетке и клетке зародышевой линии у потомства; это также известно как конституциональная мутация. Мутация зародышевой линии отличается от соматической мутации.
Мутации зародышевой линии могут быть вызваны множеством эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних) факторов и могут возникать на протяжении всего развития зиготы. Мутация, которая возникает только в зародышевых клетках, может привести к потомству с генетическим заболеванием, отсутствующим ни у одного из родителей; это потому, что мутации нет в остальной части тела родителей, только в зародышевой линии. Из-за многих тяжелых заболеваний, возникающих в результате мутаций зародышевой линии de novo, для индукции разрывов ДНК и восстановления мутации можно использовать различные методы редактирования генов.
Мутации зародышевой линии могут происходить до оплодотворения и на различных стадиях развития зиготы. Когда возникает мутация, будет определяться ее влияние на потомство. Если мутация возникает в сперматозоиде или ооците до развития, то мутация будет присутствовать в каждой клетке организма человека. Мутация, которая возникает вскоре после оплодотворения, но до определения зародышевой линии и соматических клеток, тогда мутация будет присутствовать в большой части индивидуальной клетки без предвзятости в отношении зародышевой линии или соматических клеток, это также называется гоносомной мутацией. Мутация, которая возникает позже при развитии зиготы, будет присутствовать в небольшом подмножестве либо соматических, либо зародышевых клеток, но не обоих.
Мутация зародышевой линии часто возникает из-за эндогенных факторов, таких как ошибки в клеточной репликации и окислительное повреждение. Это повреждение редко восстанавливается несовершенно, но из-за высокой скорости деления зародышевых клеток может происходить часто.
Эндогенные мутации более выражены в сперматозоидах, чем в яйцеклетках. Это связано с тем, что сперматоциты подвергаются большему количеству клеточных делений в течение жизни мужчины, что приводит к большему количеству циклов репликации, что может привести к мутации ДНК. Ошибки в материнской яйцеклетке также возникают, но реже, чем в отцовской сперме. Типы мутаций также имеют тенденцию различаться между полами. Материнские яйца после производства остаются в стазисе до тех пор, пока каждое из них не будет использовано для овуляции. Было показано, что этот длительный период стаза приводит к большему количеству делеций, дупликаций, инсерций и трансверсий хромосом и больших последовательностей. С другой стороны, отцовская сперма подвергается непрерывной репликации на протяжении всей его жизни, что приводит к множеству мелких точечных мутаций, возникающих в результате ошибок в репликации. Эти мутации включают делеции, вставки, дупликации и замены одной пары оснований.
Окислительное повреждение - еще один эндогенный фактор, который может вызывать мутации зародышевой линии. Этот тип повреждения вызывается активными формами кислорода, которые накапливаются в клетке как побочный продукт клеточного дыхания. У этих активных форм кислорода отсутствует электрон, и, поскольку они очень электроотрицательны (имеют сильное электронное притяжение), они отрывают электрон от другой молекулы. Это может инициировать повреждение ДНК, поскольку заставляет гуанин нуклеиновой кислоты превращаться в 8-оксогуанин (8-oxoG). Эта молекула 8-oxoG затем ошибочно принимается за тимин ДНК-полимеразой во время репликации, вызывая трансверсию G>T на одной цепи ДНК и трансверсию C>A на другой.
Мутация зародышевой линии также может возникать из-за экзогенных факторов. Подобно соматическим мутациям, мутации зародышевой линии могут быть вызваны воздействием вредных веществ, которые повреждают ДНК половых клеток. Это повреждение может быть либо полностью устранено без мутаций, либо исправлено несовершенно, что приведет к множеству мутаций. Экзогенные мутагены включают вредные химические вещества и ионизирующее излучение ; Основное различие между мутациями зародышевой линии и соматическими мутациями заключается в том, что половые клетки не подвергаются УФ-излучению и, следовательно, не часто напрямую мутируют таким образом.
Различные мутации зародышевой линии могут по-разному влиять на человека в зависимости от остальной части его генома. доминантная мутация требует только 1 мутировавшего гена для создания заболевания фенотипа, в то время как рецессивная мутация требует мутации обоих аллелей для создания фенотипа заболевания. Например, если эмбрион наследует уже мутировавший аллель от отца, а тот же аллель от матери претерпел эндогенную мутацию, тогда у ребенка будет проявляться заболевание, связанное с этим мутировавшим геном, даже если только 1 родитель несет мутантный аллель. Это только один пример того, как у ребенка может быть рецессивное заболевание, в то время как мутантный ген переносится только одним родителем. При определенных заболеваниях хромосомные аномалии могут быть обнаружены in utero с помощью образцов крови или ультразвука, а также с помощью инвазивных процедур, таких как амниоцентез. Позднее обнаружение может быть обнаружено путем скрининга генома.
Мутации в генах-супрессорах опухолей или протоонкогенах могут предрасполагать человека к развитию опухолей. По оценкам, генетические мутации вызывают 5-10% случаев рака. Эти мутации делают человека восприимчивым к развитию опухоли, если другая копия онкогена мутирует случайным образом. Эти мутации могут возникать в половых клетках, что делает их наследуемыми. Лица, которые наследуют мутации зародышевой линии в TP53, предрасположены к определенным вариантам рака, поскольку белок, продуцируемый этим геном, подавляет опухоли. Пациенты с этой мутацией также подвержены риску синдрома Ли – Фраумени. Другие примеры включают мутации в генах BRCA1 и BRCA2, которые предрасполагают к раку груди и яичников, или мутации в MLH1, которые предрасполагают к.
Болезнь Гентингтона представляет собой аутосомно-доминантную мутацию в гене HTT. Расстройство вызывает деградацию мозга, что приводит к неконтролируемым движениям и поведению. Мутация включает увеличение количества повторов в белке Хантингтона, в результате чего он увеличивается в размере. Скорее всего, пострадают пациенты, у которых больше 40 повторов. Начало заболевания определяется количеством повторов, присутствующих в мутации; чем больше количество повторов, тем раньше проявятся симптомы заболевания. Из-за доминантного характера мутации для того, чтобы болезнь подействовала, необходим только один мутировавший аллель. Это означает, что если один из родителей инфицирован, вероятность унаследовать болезнь у ребенка будет 50%. У этого заболевания нет носителей, потому что, если у пациента есть одна мутация, они (скорее всего) пострадают. Заболевание обычно начинается поздно, поэтому у многих родителей есть дети, прежде чем они узнают, что у них есть мутация. Мутация HTT может быть обнаружена с помощью скрининга генома.
Трисомия 21 (также известная как синдром Дауна ) возникает у ребенка, имеющего 3 копии хромосомы 21. Это Дупликация хромосомы происходит во время формирования зародышевых клеток, когда обе копии хромосомы 21 оказываются в одной и той же дочерней клетке либо у матери, либо у отца, и эта мутантная зародышевая клетка участвует в оплодотворении зиготы. Другой, более распространенный способ, которым это может произойти - во время первого события деления клетки после образования зиготы. Риск трисомии 21 увеличивается с возрастом матери, при этом риск составляет 1/2000 (0,05%) в возрасте 20 лет, увеличиваясь до 1/100 (1%) в возрасте 40 лет. Это заболевание можно обнаружить с помощью неинвазивных, а также инвазивных процедур. внутриутробно. Неинвазивные процедуры включают сканирование ДНК плода через материнскую плазму и образец крови.
Муковисцидоз - это аутосомно-рецессивное заболевание. который вызывает множество симптомов и осложнений, наиболее распространенным из которых является толстая слизистая оболочка в легочной эпителиальной ткани из-за неправильного солевого обмена, но также может поражать поджелудочную железу, кишечник, печень и почки. Многие процессы в организме могут быть затронуты из-за наследственной природы этого заболевания; если болезнь присутствует в ДНК как сперматозоидов, так и яйцеклетки, то она будет присутствовать практически во всех клетках и органах тела; эти мутации могут первоначально возникать в клетках зародышевой линии или присутствовать во всех родительских клетках. Наиболее распространенной мутацией, наблюдаемой при этом заболевании, является ΔF508, что означает делецию аминокислоты в положении 508. Если у обоих родителей есть мутировавший белок CFTR (регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе), то их дети наследуют заболевание на 25%. Если у ребенка есть 1 мутировавшая копия CFTR, у него не разовьется болезнь, но он станет ее носителем. Мутацию можно обнаружить до рождения с помощью амниоцентеза или после рождения с помощью пренатального генетического скрининга.
Многие менделевские расстройства происходят из доминантных точечных мутаций в генах, включая кистозный фиброз, бета-талассемия, серповидноклеточная анемия и болезнь Тея – Сакса. Вызывая двухцепочечный разрыв в последовательностях, окружающих точечную мутацию, вызывающую заболевание, делящаяся клетка может использовать немутантную цепь в качестве матрицы для восстановления вновь разорванной цепи ДНК, избавляясь от вызывающей заболевание мутации. Для редактирования генома использовалось множество различных методов редактирования генома, и особенно редактирование мутаций зародышевой линии в зародышевых клетках и развивающихся зигот; однако, хотя эти методы лечения широко изучены, их использование в редактировании зародышевой линии человека ограничено.
Система редактирования CRISPR способна воздействовать на определенные последовательности ДНК и, используя донорскую ДНК-матрицу, может восстанавливать мутации в этом гене. Эта система редактирования индуцирует двухцепочечный разрыв в ДНК, используя направляющую РНК и эффекторный белок Cas9 для разрыва остова ДНК в определенных целевых последовательностях. Эта система показала более высокую специфичность, чем TALEN или ZFN, благодаря белку Cas9, содержащему гомологичные (комплементарные) последовательности участкам ДНК, окружающим сайт, который должен быть расщеплен. Эту разорванную цепь можно восстановить двумя основными способами: гомологичная направленная репарация (HDR), если цепь ДНК присутствует для использования в качестве матрицы (гомологичной или донорной), а если нет, то последовательность подвергнется негомологичное соединение концов (NHEJ). NHEJ часто приводит к вставкам или делециям в интересующем гене из-за обработки тупых концов цепи и является способом изучения нокаута генов в лабораторных условиях. Этот метод можно использовать для исправления точечной мутации, используя сестринскую хромосому в качестве матрицы или предоставляя матрицу двухцепочечной ДНК с механизмом CRISPR / Cas9, который будет использоваться в качестве шаблон восстановления.
Этот метод использовался как в моделях человека, так и на животных (Drosophila, Mus musculus и Arabidopsis ), и в настоящее время Исследования сосредоточены на том, чтобы сделать эту систему более специфичной для минимизации сайтов расщепления, не попадающих в цель.
Редактирование генома TALEN (эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции) Система используется для индуцирования двухцепочечного разрыва ДНК в определенном локусе генома, который затем может быть использован для мутации или восстановления последовательности ДНК. Он функционирует за счет использования определенной повторяющейся последовательности аминокислоты длиной 33-34 аминокислоты. Специфичность сайта связывания ДНК определяется конкретными аминокислотами в положениях 12 и 13 (также называемых повторяющейся переменной Diresidue (RVD)) этого тандемного повтора, причем некоторые RVD демонстрируют более высокую специфичность для определенных аминокислот по сравнению с другими. Как только начинается разрыв ДНК, концы могут быть соединены либо с помощью NHEJ, который вызывает мутации, либо с помощью HDR, который может исправить мутации.
Подобно TALEN, цинковый палец нуклеазы (ZFN) используются для создания двухцепочечного разрыва ДНК в конкретном локусе генома. Комплекс редактирования ZFN состоит из белка цинкового пальца (ZFP) и домена расщепления рестрикционным ферментом. Домен ZNP может быть изменен для изменения последовательности ДНК, которую разрезает рестрикционный фермент, и это событие расщепления запускает процессы восстановления клеток, аналогичные процессу редактирования ДНК CRISPR / Cas9.
По сравнению с CRISPR / Cas9, терапевтическое применение этой технологии ограничено из-за обширной инженерии, необходимой для того, чтобы сделать каждый ZFN специфичным для желаемой последовательности.
