A genomi instabilitást ( angolul genomic instabilitás ) (más néven "genetikai instabilitást" ( angol genetic instabilitás ) vagy "genom instabilitást" ( angolul Genome instabilitás )) a sejtvonal genomjában előforduló mutációk magas gyakorisága határozza meg . Ezek a mutációk magukban foglalhatják a nukleinsavszekvencia változásait , kromoszóma-átrendeződéseket vagy aneuploidia . A genomiális instabilitás központi tényező a karcinogenezisben [1] , de bizonyos neurodegeneratív betegségekben is, mint például az amiotrófiás laterális szklerózis vagy a neuromuszkuláris betegség , a myotonic dystrophia .
A genomi instabilitás forrásait csak a közelmúltban sikerült tisztázni. A külső eredetű DNS- károsodások magas gyakorisága [2] a genomi instabilitás egyik forrása lehet, mivel a DNS-károsodás pontatlan szintézishez vezethet károsodáson vagy javítási hibákon keresztül, amelyek mutációhoz vezetnek. A genomi instabilitás másik forrása a DNS-javító gének expressziójának epigenetikai vagy mutációs csökkenése lehet . Mivel az endogén (metabolizmus által kiváltott) DNS-károsodás olyan gyakori, hogy átlagosan több mint 60 000-szer fordul elő naponta az emberi sejtgenomokban , a DNS-javítás bármely csökkenése valószínűleg a genomi instabilitás fontos forrása.
Általában egy adott fajhoz (növényhez vagy állathoz) tartozó egyed minden sejtje állandó számú kromoszómát mutat , amelyek az úgynevezett kariotípust alkotják, amely meghatározza az adott fajt, bár egyes fajok kariotípusa meglehetősen nagy variabilitást mutat. Emberben olyan mutációk , amelyek megváltoztatnák egy fehérje aminosavát a genom kódoló régiójában, átlagosan csak 0,35 generációban fordulnak elő (generációnként kevesebb mint egy mutáns fehérje) [3] .
Néha a stabil kariotípusú fajokban véletlenszerű változások figyelhetők meg, amelyek megváltoztatják a kromoszómák normál számát. Más esetekben strukturális változások ( kromoszómális transzlokációk , deléciók ...), amelyek megváltoztatják a standard kromoszómakészletet. Ezekben az esetekben azt jelzik, hogy az érintett szervezet genomiális instabilitást mutat ( genetikai instabilitást vagy akár kromoszómális instabilitást is ). A genomi instabilitás folyamata gyakran aneuploidiához vezet, amelyben a sejtek számos kromoszómával rendelkeznek a fajra jellemző normálérték felett vagy alatt.
Körülbelül 200 neurológiai és neuromuszkuláris rendellenesség közül 15 egyértelműen összefüggésben áll a DNS-javítási útvonalak valamelyikének örökletes vagy szerzett hibájával vagy a túlzott genotoxikus oxidatív stresszel [4] [5] . Közülük ötnél ( pigmentosa száraz bőr , Cockayne-szindróma , trichotiodisztrófia , Down-szindróma és tripla szindróma a nukleotid-DNS-javító útvonal kimetszésének hibája van. Hatnál ( spinocerebelláris ataxia axonális neuropátiával 1, Huntington - kór , Alzheimer - kór, A Parkinson-kór , a Down-kór és az amiotrófiás laterális szklerózis ) úgy tűnik, hogy a megnövekedett oxidatív stressz következménye, és a mögöttes kivágási helyreállító útvonal nem képes feldolgozni a DNS-károsodást. Ezek közül négy ( Huntington-kór , különféle spinális és kisagyi ataxiák , Friedreich-ataxia és myotonica ) dystrophia 1. és 2. típus) gyakran szokatlan megnagyobbodású, ismétlődő szekvenciákat tartalmaz a DNS-ben, amelyek valószínűleg a genomiális instabilitásnak tulajdoníthatók. Négy ( ataxia telangiectasia , ataxia telangiectasia mint rendellenesség, Nijmegen-károsodás szindróma és Alzheimer-kór ) olyan génhibák, amelyek részt vesznek a DNS-kettős száltörés javítása. A stressz az agy genomiális instabilitásának fő oka. Ritka neurológiai megbetegedések akkor fordulnak elő, ha az oxidatív stresszt általában megakadályozó útvonal hiányos, vagy az oxidatív stressz által okozott károsodásokat rendesen helyreállító DNS-javító útvonal hiányos.
Rák esetén a genomi instabilitás előfordulhat az átalakulás előtt vagy eredményeként [6] . A genomi instabilitás utalhat a DNS vagy kromoszómák többletmásolatainak felhalmozódására , kromoszóma transzlokációkra , kromoszóma-inverziókra , kromoszóma-deléciókra , egyszálú DNS-törésekre, kétszálú DNS-törésekre, idegen anyagok interkalációjára a DNS kettős hélixében vagy bármilyen más módon . kóros változások a DNS harmadlagos szerkezetében, amelyek a DNS elvesztését vagy a gének téves expresszióját eredményezhetik . A genomiális instabilitással járó helyzetek (valamint az aneuploidia ) széles körben elterjedtek a rákos sejtekben, és "hívókártyának" tekintik őket. Ezeknek az eseményeknek a kiszámíthatatlan természete is nagyban hozzájárul a daganatsejtek között megfigyelt heterogenitásokhoz.
Ma már általánosan elfogadott, hogy a sporadikus (nem családi) daganatok számos genetikai hiba felhalmozódása miatt alakulnak ki [7] . Az emlő- vagy vastagbélrák átlagosan 60-70 fehérjemutációs változást tartalmazhat, amelyek közül körülbelül 3 vagy 4 lehet a mutáció „hajtóereje”, a többi pedig a mutáció „utasai” [8] . Bármilyen genetikai vagy epigenetikai károsodás a mutációk arányának növekedéséhez vezet, ennek eredményeként - az új mutációk megszerzésének növekedéséhez, ami növeli a daganat kialakulásának valószínűségét [9] . A karcinogenezis folyamatáról ismert, hogy a diploid sejtek mutációkat szereznek a genom integritásának megőrzéséért felelős génekben, valamint azokban a génekben, amelyek közvetlenül szabályozzák a sejtproliferációt [10] . Genetikai instabilitás léphet fel a DNS-javítás hiányosságai miatt, vagy a kromoszómák számának elvesztése vagy növekedése, illetve nagymértékű kromoszóma-átrendeződés miatt. A genetikai stabilitás elvesztése elősegíti a daganatok kialakulását, mivel kedvez a mutánsok olyan generációjának, amely a környezetben kiválasztható [11] .
Az emberi genom fehérjét kódoló régiói, amelyeket együttesen exomenak neveznek , a teljes genomnak csak 1,5%-át teszik ki [12] . Amint fentebb megjegyeztük, emberben általában csak átlagosan 0,35 exommutáció van generációnként (szülő-gyermek) . A teljes genomban (beleértve a nem kódoló régiókat is) csak körülbelül 70 új mutáció található emberben generációnként [13] [14] .
A rák mutációinak fő oka valószínűleg a DNS - károsodás [15] . Például tüdőrák esetén a DNS-károsodást exogén genotoxikus dohányfüst ágensei (pl. akrolein, formaldehid, akrilnitril, 1,3-butadién-acetaldehid, etilén-oxid és izoprén) okozzák [16] . Az endogén (metabolikus eredetű) DNS-károsodás is nagyon gyakori, naponta átlagosan több mint 60 000 alkalommal fordul elő az emberi sejtek genomjában. A külső és endogén eredetű veszteségek pontatlan szintézissel, károsodással vagy pontatlan DNS-javítással mutációkká alakulhatnak át (például nem homológ végződések hozzáadásával ). Ezenkívül a DNS-károsodás epigenetikai változásokhoz is vezethet a DNS-javítás során [17] [18] [19] . Mind a mutációk, mind az epigenetikai változások (epimutációk) hozzájárulhatnak a rák kialakulásához.
Mint fentebb megjegyeztük, körülbelül 3 vagy 4 mutációt okozó vezető és 60 mutációs utas fordul elő a rák exomájában (kódoló fehérjerégió ) [8] , azonban sokkal nagyobb számú mutáció fordul elő a DNS nem fehérjét kódoló régióiban . A mutációk átlagos száma egy DNS-szekvenciában az emlőrákos szövetminta teljes genomja körülbelül 20 000 [20] Egy átlagos melanóma szövetmintában (ahol a melanómák exomemutációs rátája magasabb [8] ), a teljes DNS-szekvenciák száma mutációk száma körülbelül 80 000 [21] .
A rák magas genomszintű mutációs rátája azt sugallja, hogy gyakran korai szakaszban a DNS-javítás hiánya lehet az oka a rákkeltő változásoknak . A mutációk gyakorisága szignifikánsan (néha 100-szorosára) nő azokban a sejtekben, amelyek hibásak a DNS-javítási eltérés tekintetében [ 22] [23] vagy a homológ rekombinációs DNS-javításban [24] . Ezen túlmenően kromoszóma-átrendeződések és a BLM gén aneuploidiájának növekedése a DNS-javítási hibában szenvedő személyeknél [25] ehhez vezet .
A DNS-javítási hiány önmagában is lehetővé teheti a DNS-károsodás felhalmozódását, és némelyikük károsodása miatt szintézishibákra hajlamos, mutációkhoz vezethet. Ezenkívül, ha nem sikerül helyrehozni ezeket a felhalmozódott DNS-károsodásokat, epigenetikai változásokhoz vagy epimutációkhoz vezethet. Míg a DNS-javító gén mutációi vagy epimutációi önmagukban nem járnak szelektív előnnyel, például egy javítási hiba utasként hordozható a sejtben, amikor a sejt további mutációt/epimutációt szerez, hogy proliferációs előnyt biztosítson. Az olyan sejtek, mint például a proliferatív előnyökkel és egy vagy több DNS-javítási hibával rendelkező sejtek (amelyek magas mutációs rátát okoznak), valószínűleg 20 000-80 000 teljes genommutációt eredményeznek, amelyek gyakran megfigyelhetők a rákban.
A szomatikus sejtekben a DNS-javítás hiányosságai néha a DNS-javító gének mutációiból, de sokkal gyakrabban e gének expressziójának epigenetikai csökkenéséből fakadnak. Így a 113 vastag- és végbélrák szekvenciából csak négyben volt szomatikus missense mutáció az MGMT DNS-javító génben , míg a legtöbb ilyen rák csökkentette az MGMT expresszióját az MGMT promoter régió metilációja miatt [26] .
Hasonlóképpen, 119 vastag- és végbélrák esetében, amelyet hiányos DNS-javítási eltérésnek és a PMS2 génexpresszió hiányának minősítettek, a Pms2 6 esetben volt hiányos a PMS2 gén mutációi miatt, míg 103 esetben a PMS2 expresszió hiányos volt, mert párja az MLH1 partnert elnyomta. a promoter metilálására (fehérje (MLH1 hiányában a PMS2 instabil) [27] . További 10 esetben a PMS2 expresszió elvesztése valószínűleg az MLH1-et szabályozó miRNS, a Mir-155 epigenetikai túlzott expressziója miatt következett be [28] .
A szórványos rákos megbetegedések DNS-javító génjeiben talált epigenetikai hiányosságok részleges listája a következő génekben előforduló epigenetikai hibák 13-100%-át tartalmazza: BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 ] , ERCC1 [en , XPF, NEIL1 és ATM , beleértve a mellet, a petefészket, a vastagbelet, a fejet és a nyakat. Az ERCC1, XPF és/vagy PMS2 expressziójában két vagy három epigenetikai hiányosságot találtak egyidejűleg a 49 vastagbélrák többségében [29] . Ezen DNS-javítási hiányosságok egy részét a miRNS-ek epimutációi okozhatják.