Genom kararsızlığı - Genome instability

Genom kararsızlığı (ayrıca genetik kararsızlık veya genomik kararsızlık ) , bir hücresel soyun genomu içindeki yüksek mutasyon sıklığına atıfta bulunur . Bu mutasyonlar, nükleik asit dizilerindeki değişiklikleri , kromozomal yeniden düzenlemeleri veya anöploidi içerebilir . Bakterilerde genom kararsızlığı meydana gelir. Çok hücreli organizmalarda genom kararsızlığı karsinojenezin merkezinde yer alır ve insanlarda da amyotrofik lateral skleroz veya nöromüsküler hastalık miyotonik distrofisi gibi bazı nörodejeneratif hastalıklarda bir faktördür .

Genom kararsızlığının kaynakları ancak son zamanlarda aydınlatılmaya başlandı. Dış kaynaklı DNA hasarının yüksek sıklığı, genom kararsızlığının bir kaynağı olabilir, çünkü DNA hasarları, hasarların veya onarımdaki hataların ötesinde hatalı translezyon sentezine neden olarak mutasyona neden olabilir . Genom kararsızlığının başka bir kaynağı, DNA onarım genlerinin ekspresyonundaki epigenetik veya mutasyonel azalmalar olabilir . Çünkü , endojen (metabolik kaynaklı) DNA hasarı insan hücrelerinin genomları ortalama daha fazlası daha 60,000 kez, günde meydana gelen, çok sık, bir indirgenmiş DNA tamir muhtemelen genom istikrarsızlık önemli bir kaynağıdır.

Olağan genom durumu

Genellikle, belirli bir tür içinde bireysel tüm hücreler (bitkisel veya hayvansal) sabit bir sayısını göstermektedir kromozomlar olarak bilinen teşkil karyotipe bu tür tanımlama (bakınız ayrıca çeşitli organizmaların kromozom sayısı listesi ) bazı türler çok yüksek karyotipik değişkenlik gösterir. İnsanlarda, genomun protein kodlama bölgesi içindeki bir amino asidi değiştirecek mutasyonlar, nesil başına ortalama yalnızca 0.35 oranında (her nesilde birden az mutasyona uğramış protein) meydana gelir.

Bazen, kararlı bir karyotipe sahip bir türde, normal kromozom sayısını değiştiren rastgele varyasyonlar gözlemlenebilir. Diğer durumlarda, standart kromozom komplemanını değiştiren yapısal değişiklikler ( kromozomal translokasyonlar , delesyonlar ...) vardır. Bu durumlarda, etkilenen organizmanın genom kararsızlığı (ayrıca genetik kararsızlık ve hatta kromozomal kararsızlık ) sunduğu belirtilir . Genom kararsızlığı süreci genellikle , hücrelerin türler için normal tamamlayıcıdan daha yüksek veya daha düşük bir kromozom numarası sunduğu bir anöploidi durumuna yol açar .

Genom kararsızlığının nedenleri

DNA Replikasyon Kusurları

Hücre döngüsünde, DNA genellikle replikasyon sırasında en savunmasızdır. Replizom, bağlı proteinlerle sıkıca sarılmış kromatin, replikasyon çatalının durmasına yol açabilecek tek ve çift sarmallı kırılmalar gibi engellerde gezinebilmelidir. DNA'nın mükemmel bir kopyası ile sonuçlanması için replizomdaki her protein veya enzim işlevini iyi yerine getirmelidir. DNA polimeraz, ligaz gibi proteinlerin mutasyonları, replikasyonun bozulmasına ve spontan kromozomal değişimlere yol açabilir. Tel1, Mec1 (insanlarda ATR, ATM) gibi proteinler, tek ve çift zincirli kırılmaları tespit edebilir ve çökmesini önlemek için replikasyon çatalını stabilize etmek için Rmr3 helikaz gibi faktörleri kullanabilir. Tel1, Mec1 ve Rmr3 helikazındaki mutasyonlar, kromozomal rekombinasyonda önemli bir artışa neden olur. ATR, UV hasarından kaynaklanan durmuş replikasyon çatallarına ve tek zincirli kopmalara özel olarak yanıt verirken, ATM çift sarmallı kopmalara doğrudan yanıt verir. Bu proteinler ayrıca, DNA kırıkları CHK1, CHK2'yi fosforile ederek sabitlenene kadar geç replikasyon kökenlerinin ateşlenmesini engelleyerek mitoza ilerlemeyi önler, bu da hücreyi S-fazında durduran bir sinyal kaskadı ile sonuçlanır. Tek sarmallı kopmalar için, kopuş konumuna kadar replikasyon meydana gelir, daha sonra diğer iplikçik çift sarmallı bir kopma oluşturmak üzere çentiklenir, bu daha sonra Kırılmayla İndüklenen Çoğaltma veya hatasız bir şablon olarak kardeş kromatid kullanılarak homolog rekombinasyon ile onarılabilir. S-fazı kontrol noktalarına ek olarak, UV hasarı gibi mutajenlerin neden olabileceği geçici DNA hasarını kontrol etmek için G1 ve G2 kontrol noktaları mevcuttur. Bir örnek, radyasyonun neden olduğu DNA hasarının varlığında hücreleri geç S/G2 fazında durduran Saccharomyces pombe geni rad9'dur. Kusurlu rad9'a sahip maya hücreleri, radyasyonun ardından tutuklanamadı, hücre bölünmesine devam etti ve hızla öldü, vahşi tip rad9'lu hücreler ise geç S/G2 fazında başarılı bir şekilde durduruldu ve canlı kaldı. Tutuklanan hücreler, DNA onarım enzimlerinin tam olarak işlev görmesine izin veren S/G2 fazındaki artan süre nedeniyle hayatta kalabildi.

Kırılgan Siteler

Genomda, yukarıda bahsedilen kontrol noktası tutuklamasında olduğu gibi, DNA sentezinin inhibisyonundan sonra DNA dizilerinin boşluklara ve kırılmalara eğilimli olduğu sıcak noktalar vardır. Bu bölgelere kırılgan bölgeler denir ve çoğu memeli genomunda doğal olarak mevcut olduğu gibi yaygın olarak meydana gelebilir veya DNA-tekrar genişlemesi gibi mutasyonların bir sonucu olarak nadiren ortaya çıkabilir. Nadir kırılgan bölgeler, kırılgan X zihinsel gerilik sendromu, miyotonik distrofi, Friedrich ataksi ve Huntington hastalığı gibi genetik hastalıklara yol açabilir ve bunların çoğu DNA, RNA veya protein seviyesindeki tekrarların genişlemesinden kaynaklanır. Görünüşte zararlı olsa da, bu yaygın kırılgan bölgeler maya ve bakterilere kadar korunur. Bu her yerde bulunan siteler, en yaygın olarak CGG, CAG, GAA ve GCN olmak üzere trinükleotit tekrarları ile karakterize edilir. Bu trinükleotid tekrarları, saç tokası şeklinde oluşabilir ve bu da replikasyonun zorluğuna yol açar. Arızalı makineler veya daha fazla DNA hasarı gibi replikasyon stresi altında , bu kırılgan bölgelerde DNA kırılmaları ve boşluklar oluşabilir. Bir kardeş kromatidi onarım olarak kullanmak, n ve n+1 tekrarının çevreleyen DNA bilgisi neredeyse aynı olduğundan, kopya sayısı varyasyonuna yol açan kusursuz bir yedekleme değildir. Örneğin, çevreleyen DNA'nın her ikisi de CGGCGGCGG… olduğundan, CGG'nin 16. kopyası, kardeş kromatitteki CGG'nin 13. kopyasıyla eşlenebilir, bu da nihai DNA dizisinde fazladan 3 CGG kopyasına yol açar.

Transkripsiyonla ilişkili kararsızlık

Hem E. coli hem de Saccromyces pombe'de, transkripsiyon bölgeleri daha yüksek rekombinasyon ve mutasyon oranlarına sahip olma eğilimindedir. Kodlayan veya kopyalanmayan iplik, şablon iplikten daha fazla mutasyon biriktirir. Bunun nedeni, kodlama zincirinin, çift sarmallı DNA'dan kimyasal olarak daha kararsız olan, transkripsiyon sırasında tek sarmallı olmasıdır. Transkripsiyonun uzaması sırasında, uzayan bir RNA polimerazın arkasında süper sarma meydana gelebilir ve bu da tek iplikli kopmalara yol açar. Kodlama dizisi tek zincirli olduğunda, kendisi ile hibritleşebilir ve replikasyonu tehlikeye atabilecek DNA ikincil yapıları oluşturabilir. E. coli'de, Friedrich ataksisinde bulunanlar gibi GAA üçlülerini kopyalamaya çalışırken, ortaya çıkan RNA ve şablon iplik, farklı tekrarlar arasında uyumsuz döngüler oluşturabilir ve bu da, mevcut kodlama dizisindeki tamamlayıcı segmentin kendi döngülerini oluşturmasına neden olur. çoğaltma. Ayrıca, DNA'nın replikasyonu ve DNA'nın transkripsiyonu geçici olarak bağımsız değildir; aynı anda meydana gelebilirler ve replikasyon çatalı ile RNA polimeraz kompleksi arasında çarpışmalara yol açabilirler. S. cerevisiae'de, Rrm3 helikaz, maya genomundaki yüksek oranda kopyalanmış genlerde bulunur ve bu, yukarıda tarif edildiği gibi bir duraklama çoğaltma çatalını stabilize etmek için kullanılır. Bu, transkripsiyonun, açılmamış replikasyon çatalı ile transkripsiyon başlangıç ​​bölgesi arasındaki kısa mesafeyi kapsayan kromatinde artan strese yol açabilecek, potansiyel olarak tek iplikli DNA kırılmalarına neden olabilecek replikasyon için bir engel olduğunu göstermektedir. Mayada proteinler, DNA replikasyon çatalının daha fazla ilerlemesini önlemek için transkripsiyon ünitesinin 3' kısmında bariyer görevi görür.

Genetik Değişkenliği Artırın

Genomun bazı bölümlerinde, değişkenlik hayatta kalmak için esastır. Böyle bir yerel ayar Ig genleridir. Pre-B hücrede bölge, tüm V, D ve J segmentlerinden oluşur. B hücresinin gelişimi sırasında, belirli bir V, D ve J segmenti, RAG1 ve RAG2 rekombinazları tarafından katalize edilen nihai geni oluşturmak üzere bir araya getirilmek üzere seçilir. Aktivasyonla İndüklenen Sitidin Deaminaz (AID) daha sonra sitidini urasile dönüştürür. Urasil normalde DNA'da bulunmaz ve bu nedenle baz kesilir ve çentik, homolog olmayan uç birleştirme (NHEJ) ile onarılan çift iplikli bir kopmaya dönüştürülür. Bu prosedür çok hataya açıktır ve somatik hipermutasyona yol açar. Bu genomik kararsızlık, memelilerin enfeksiyona karşı hayatta kalmasını sağlamada çok önemlidir. V, D, J rekombinasyonu, milyonlarca benzersiz B hücresi reseptörü sağlayabilir; bununla birlikte, NHEJ tarafından yapılan rastgele onarım, antijenlere daha yüksek afinite ile bağlanabilen bir reseptör oluşturabilen varyasyonu ortaya çıkarır.

Nöronal ve nöromüsküler hastalıkta

Yaklaşık 200 nörolojik ve nöromüsküler bozukluktan 15'i, DNA onarım yollarından birinde kalıtsal veya edinilmiş bir kusur veya aşırı genotoksik oksidatif stres ile açık bir bağlantıya sahiptir. Bunlardan beşi ( kseroderma pigmentosum , Cockayne sendromu , trikotiyodistrofi , Down sendromu ve üçlü A sendromu ) DNA nükleotid eksizyon onarım yolunda bir kusura sahiptir. Altı ( aksonal nöropati-1 ile spinoserebellar ataksi , Huntington hastalığı , Alzheimer hastalığı , Parkinson hastalığı , Down sendromu ve amyotrofik lateral skleroz ) artan oksidatif stresten ve baz eksizyon onarım yolunun DNA'ya verilen hasarı kaldıramamasından kaynaklanıyor gibi görünmektedir. bu neden olur. Bunlardan dördü (Huntington hastalığı, çeşitli spinoserebellar ataksiler , Friedreich ataksisi ve miyotonik distrofi tip 1 ve 2) sıklıkla DNA'da, muhtemelen genom kararsızlığına atfedilebilecek olağandışı bir tekrar dizilimine sahiptir. Dördü ( ataksi-telanjiektazi , ataksi-telanjiektazi benzeri bozukluk, Nijmegen kırılma sendromu ve Alzheimer hastalığı), DNA çift sarmal kırıklarının onarılmasında rol oynayan genlerde kusurludur. Genel olarak, oksidatif stresin beyindeki genomik kararsızlığın ana nedeni olduğu görülmektedir. Belirli bir nörolojik hastalık, normalde oksidatif stresi önleyen bir yol veya oksidatif stresin neden olduğu hasarı normal olarak onaran bir DNA onarım yolu yetersiz olduğunda ortaya çıkar.

kanserde

Olarak kanser , genom instabilite önce ya da bir dönüşüm sonucu olarak ortaya çıkabilir. Genom kararsızlığı, DNA veya kromozomların fazladan kopyalarının birikmesi , kromozomal translokasyonlar , kromozomal inversiyonlar , kromozom delesyonları , DNA'da tek iplik kopmaları, DNA'da çift ​​iplik kopmaları , yabancı maddelerin DNA çift sarmalına eklenmesi veya DNA kaybına veya genlerin yanlış ifadesine neden olabilecek DNA üçüncül yapısındaki herhangi bir anormal değişiklik. Genom kararsızlığı (anöploidi gibi) durumları kanser hücrelerinde yaygındır ve bu hücreler için bir "ayırt edici özellik" olarak kabul edilirler. Bu olayların öngörülemeyen doğası, tümör hücreleri arasında gözlemlenen heterojenliğe de ana katkıda bulunur.

Günümüzde sporadik tümörlerin (ailesel olmayan) çeşitli genetik hataların birikmesinden kaynaklandığı kabul edilmektedir. Ortalama bir meme veya kolon kanseri, yaklaşık 3 veya 4'ü "sürücü" mutasyonlar olabilen ve geri kalanlar "yolcu" mutasyonları olabilen yaklaşık 60 ila 70 protein değiştirici mutasyona sahip olabilir. Mutasyon oranını artıran herhangi bir genetik veya epigenetik lezyon sonuç olarak, yeni mutasyonların kazanılmasında bir artışa sahip olacak ve ardından bir tümör geliştirme olasılığı artacaktır. Tümörogenez süreci sırasında, diploid hücrelerin, genom bütünlüğünü korumaktan sorumlu genlerde ( bekçi genler ) ve ayrıca hücresel çoğalmayı doğrudan kontrol eden genlerde ( kapı bekçisi genleri ) mutasyonlar kazandığı bilinmektedir . Genetik kararsızlık, DNA onarımındaki eksikliklerden veya kromozomların kaybı veya kazanımından veya büyük ölçekli kromozomal yeniden organizasyonlardan kaynaklanabilir. Genetik stabiliteyi kaybetmek, tümör gelişimini destekleyecektir, çünkü çevre tarafından seçilebilen mutantların üretilmesini desteklemektedir.

Tümör mikro üzerinde inhibe edici bir etkiye sahip DNA onarım tümör hayatta kalma, proliferasyon ve habis dönüşüm teşvik genomik instabilite, katkı yolları.

Kanser olmadan düşük mutasyon sıklığı

Toplu olarak ekzom olarak adlandırılan insan genomunun protein kodlama bölgeleri , toplam genomun sadece %1.5'ini oluşturur. Yukarıda belirtildiği gibi, normalde insanlarda her nesilde (ebeveynden çocuğa) ekzomda yalnızca ortalama 0.35 mutasyon vardır. Tüm genomda (protein kodlamayan bölgeler dahil), insanlarda nesil başına sadece yaklaşık 70 yeni mutasyon vardır.

Kanserde mutasyonların nedeni

Kanserde mutasyonların altında yatan muhtemel ana neden DNA hasarıdır. Örneğin akciğer kanseri durumunda, DNA hasarına ekzojen genotoksik tütün dumanındaki ajanlar neden olur (örn. akrolein, formaldehit, akrilonitril, 1,3-bütadien, asetaldehit, etilen oksit ve izopren). Endojen (metabolik olarak neden olunan) DNA hasarı da çok sık görülür ve insan hücrelerinin genomlarında günde ortalama 60.000 defadan fazla meydana gelir (bkz. DNA hasarı (doğal olarak meydana gelen) ). Harici ve endojen olarak neden olunan hasarlar, hatalı translezyon sentezi veya hatalı DNA onarımı (örn. homolog olmayan uç birleştirme yoluyla ) ile mutasyonlara dönüştürülebilir . Ayrıca DNA hasarları, DNA onarımı sırasında epigenetik değişikliklere de neden olabilir . Hem mutasyonlar hem de epigenetik değişiklikler (epimutasyonlar) kansere ilerlemeye katkıda bulunabilir .

Kanserde çok sık mutasyonlar

Yukarıda belirtildiği gibi, bir kanserin ekzomunda (protein kodlama bölgesi) yaklaşık 3 veya 4 sürücü mutasyonu ve 60 yolcu mutasyonu meydana gelir. Bununla birlikte, DNA'nın protein kodlamayan bölgelerinde çok daha fazla sayıda mutasyon meydana gelir . Bir meme kanseri doku örneğinin tüm genomundaki ortalama DNA dizisi mutasyonu sayısı yaklaşık 20.000'dir. Ortalama bir melanom doku örneğinde (melanomların daha yüksek bir ekzom mutasyon frekansına sahip olduğu yerlerde ), toplam DNA dizisi mutasyonu sayısı yaklaşık 80.000'dir.

Kanserde yüksek mutasyon sıklığının nedeni

Kanserlerdeki toplam genomdaki yüksek mutasyon sıklığı, sıklıkla erken bir kanserojen değişikliğin DNA onarımında bir eksiklik olabileceğini düşündürmektedir. DNA uyumsuzluğu onarımında veya homolog rekombinasyonel DNA onarımında kusurlu hücrelerde mutasyon oranları önemli ölçüde artar (bazen 100 kat) . Ayrıca, DNA onarım geni BLM'de kusurlu insanlarda kromozomal yeniden düzenlemeler ve anöploidi artışı .

DNA onarımındaki bir eksikliğin kendisi, DNA hasarlarının birikmesine izin verebilir ve bu hasarlardan bazılarını aşan hataya açık translezyon sentezi mutasyonlara yol açabilir. Ek olarak, bu birikmiş DNA hasarlarının hatalı onarımı, epigenetik değişikliklere veya epimutasyonlara yol açabilir . Bir DNA onarım genindeki bir mutasyon veya epimutasyonun kendisi seçici bir avantaj sağlamazken, bu tür bir onarım kusuru, hücre proliferatif bir avantaj sağlayan ek bir mutasyon/epimutasyon kazandığında bir hücrede yolcu olarak taşınabilir. Hem proliferatif avantajlara hem de bir veya daha fazla DNA onarım kusuruna (çok yüksek bir mutasyon oranına neden olan) sahip bu tür hücreler, kanserlerde sıklıkla görülen 20.000 ila 80.000 toplam genom mutasyonuna yol açar.

Kanserde DNA onarım eksikliği

Somatik hücrelerde, DNA onarımındaki eksiklikler bazen DNA onarım genlerindeki mutasyonlardan kaynaklanır, ancak daha sıklıkla DNA onarım genlerinin ekspresyonundaki epigenetik azalmalardan kaynaklanır. Bu nedenle, 113 kolorektal kanser dizisinde, sadece dördünde DNA onarım geni MGMT'de somatik yanlış anlamlı mutasyonlar bulunurken, bu kanserlerin çoğunluğu MGMT promotör bölgesinin metilasyonu nedeniyle MGMT ekspresyonunu azaltmıştır. Epigenetik makalesinde listelenen beş rapor ("Kanserde DNA onarım epigenetiği" bölümüne bakın), kolorektal kanserlerin %40 ila %90'ının MGMT promotör bölgesinin metilasyonu nedeniyle MGMT ekspresyonunu azalttığına dair kanıtlar sundu.

Benzer şekilde, uyumsuzluk onarım eksikliği ve DNA onarım geni PMS2 ekspresyonundan yoksun olarak sınıflandırılan 119 kolorektal kanser vakası için, PMS2 genindeki mutasyonlar nedeniyle 6'sında Pms2 eksikti, 103 vakada PMS2 ekspresyonu, eşleşme ortağı MLH1 nedeniyle baskılandığı için eksikti. promotör metilasyonuna (PMS2 proteini, MLH1'in yokluğunda kararsızdır). Diğer 10 PMS2 ekspresyonu kaybı vakası, muhtemelen MLH1'i aşağı regüle eden miR-155 mikroRNA'nın epigenetik aşırı ekspresyonundan kaynaklanıyordu.

Olarak kanser epigenetik (Bakınız , DNA tamir genlerindeki epimutations frekanslarını epigenetik eksiklikleri kısmi bir listesi sporadik kanserlerde DNA tamir genlerde bulunan yoktur). Bunlar, meme, yumurtalık, kolorektal ve baş ve boyun dahil olmak üzere kanserlerde bulunan BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 ve ATM genlerindeki % 13-100 arasındaki epigenetik kusur frekanslarını içerir. . ERCC1, XPF ve/veya PMS2 ekspresyonunda iki veya üç epigenetik eksikliğin, değerlendirilen 49 kolon kanserinin çoğunda aynı anda meydana geldiği bulundu. Bu DNA onarım eksikliklerinden bazıları, miRNA, DNA onarımı ve kanser başlıklı MicroRNA makale bölümünde özetlendiği gibi mikroRNA'lardaki epimutasyonlardan kaynaklanabilir .

Genom instabilitesinin bir sonucu olarak lenfomalar

Kanserler genellikle bir tümör baskılayıcının bozulmasından veya bir onkojenin düzensizliğinden kaynaklanır. B hücrelerinin gelişim sırasında DNA kırılmaları yaşadığını bilmek, lenfomaların genomu hakkında fikir verebilir. Birçok lenfoma türü, DNA'daki kırılmalardan kaynaklanabilen ve yanlış birleşmeye yol açan kromozomal translokasyondan kaynaklanır. Burkitt lenfomasında, bir transkripsiyon faktörünü kodlayan bir onkogen olan c-myc , immünoglobulin geninin promotöründen sonraki bir konuma yer değiştirir ve c-myc transkripsiyonunun düzensizliğine yol açar. İmmünoglobulinler bir lenfosit için elzem olduğundan ve antijenlerin saptanmasını artırmak için yüksek oranda eksprese edildiğinden, c-myc daha sonra yüksek oranda eksprese edilir ve hücre proliferasyonunda yer alan hedeflerinin transkripsiyonuna yol açar . Mantle hücreli lenfoma , siklin D1'in immünoglobulin lokusuna füzyonu ile karakterize edilir . Siklin D1, bir tümör baskılayıcı olan Rb'yi inhibe ederek tümör oluşumuna yol açar. Foliküler lenfoma , immünoglobulin promotörünün Bcl-2 genine translokasyonundan kaynaklanır ve apoptozu inhibe eden yüksek Bcl-2 protein seviyelerine yol açar. DNA hasarlı B hücreleri artık apoptoza uğramaz, bu da sürücü genleri etkileyebilecek ve tümörigeneze yol açabilecek başka mutasyonlara yol açar. Onkogen hisse hedef bölge yapısal özellikleri translokasyon konumu AID onkojeni ile immünoglobulin gen yerinin translokate bir çift iplikli arası yol açan, AID potansiyel bir hedef olduğunu göstermektedir, NHEJ onarım.

Referanslar