Хромотрипсис

Хромотрипсис: единственное катастрофическое событие в истории клетки.

Хромотрипсис — это мутационный процесс, при котором в одном событии происходят до тысяч кластерных хромосомных перестроек в локализованных и ограниченных участках генома в одной или нескольких хромосомах , и, как известно, он участвует как в раке, так и врожденных заболеваниях. Это происходит в результате одной массивной геномной перестройки во время одного катастрофического события в истории клетки. Считается, что для того, чтобы клетка могла противостоять такому разрушительному событию, возникновение такого события должно быть верхним пределом того, что клетка может вынести и выжить. Феномен хромотрипсиса противоречит общепринятой теории о том, что рак — это постепенное приобретение геномных перестроек и соматических мутаций с течением времени.

Самая простая модель того, как происходят эти перестройки, - это одновременная фрагментация отдельных хромосомных областей (точки разрыва показывают неслучайное распределение) и последующая несовершенная повторная сборка с помощью путей репарации ДНК или аберрантных механизмов репликации ДНК . Хромотрипсис возникает на ранних стадиях развития опухоли и приводит к клеточной трансформации за счет потери опухолевых супрессоров и амплификации онкогенов . В 2015 году было обнаружено, что хромотрипсис также может быть излечивающим: женщина, у которой был синдром WHIM (бородавки, гипогаммаглобулинемия, инфекции и миелокатексис), чрезвычайно редкое аутосомно-доминантное комбинированное иммунодефицитное заболевание, обнаружила, что ее симптомы исчезли в возрасте 30 лет после хромотрипсиса хромосомы. 2 удалили аллель заболевания.

Термин хромотрипсис — это неологизм, придуманный учеными из Wellcome Trust Sanger Institute. оно происходит от греческих слов χρῶμα, «хрома» «цвет» (обозначающих хромосомы , поскольку они сильно окрашиваются определенными красителями), и θρίψις, «трипсис» , «разбивающийся на куски».

Первое наблюдение

Впервые хромотрипсис был обнаружен при секвенировании генома хронического лимфоцитарного лейкоза . С помощью парного секвенирования концов было обнаружено 55 хромосомных перестроек в длинном плече хромосомы 8 и значительное количество перестроек было обнаружено в областях хромосом 7, 12 и 15. Последующие исследования с использованием полногеномного парного секвенирования и анализа массива SNP. обнаружили сходные закономерности хромотрипсиса при различных видах рака человека, например , меланомах , саркомах , колоректальном раке , легких и раке щитовидной железе . В последующих исследованиях около 25% изученных случаев рака костей имели признаки хромотрипсиса. Хромотрипсис связан с образованием онкогенных слияний при супратенториальной эпендимоме , хондромиксоидной фиброме и саркоме Юинга , причем две последние представляют собой костные опухоли. Хромотрипсис наблюдался в 2–3% случаев рака всех подтипов.

Характерные особенности

• Большое количество сложных перестроек в локализованных областях одиночных хромосом или плеч хромосом (показанных высокой плотностью и кластерными точками разрыва), что позволяет предположить, что хромосомы должны быть конденсированы, например, в митозе, чтобы произошел хромотрипсис.
• низким Состояния с числом копий - чередование между двумя состояниями (иногда тремя), что позволяет предположить, что перегруппировки произошли за короткий период времени.
• В хромотриптических участках наблюдается чередование участков, сохраняющих гетерозиготность - две копии (без потерь и приростов), с участками, имеющих потерю гетерозиготности - одну копию (гетерозиготная делеция). Это предполагает, что перестройки произошли в то время, когда присутствовали обе родительские копии хромосомы, и , следовательно, на ранних стадиях развития раковой клетки. Это также подтверждает тот факт, что хромотрипсис является одним из катастрофических событий в истории клетки, поскольку, как только гетерозиготность потеряна, ее обычно невозможно восстановить; следовательно, двухкопийное гетерозиготное состояние, возникающее в участках по всей хромотриптической области, трудно объяснить.
• Описано несколько дополнительных критериев для вывода о событиях хромотрипсиса: кластеризация хромосомных точек разрыва; преобладание перестроек, затрагивающих один гаплотип; хаотичность соединения фрагментов (т. е. примерно равное распределение сегментных связей хвост-голова, голова-хвост, голова-голова и хвост-хвост, происходящее в сочетании с хромотрипсисом); и случайность порядка фрагментов ДНК вдоль полученной производной хромосомы. Более того, если все перестройки ДНК в области с хромотрипсисом обнаруживаются, можно реконструировать относительный порядок соединения сегментов и идентифицировать события хромотрипсиса с помощью «производных хромосомных блужданий».

Разрушение и восстановление хромосом

Негомологическое соединение концов и соединение концов, опосредованное микрогомологией

Наиболее широко распространенная и простая модель хромотрипсиса состоит в том, что внутри одной хромосомы отдельные хромосомные области фрагментируются/разрушаются почти одновременно, а затем воссоединяются в неправильной ориентации. Возможна делеция определенных фрагментов, включая делеции длиной в несколько сотен пар оснований и, следовательно, сегментов гена, и, следовательно, образование двухминутных хромосом . Когда в хромотрипсисе участвуют несколько хромосом , фрагменты обеих хромосом соединяются вместе путем парного соединения концов и обмена фрагментами между исходными хромосомами.

Повторное соединение фрагментов требует очень минимальной гомологии последовательностей или даже ее отсутствия , что позволяет предположить, что негомологичные или микрогомологичные механизмы репарации, такие как негомологичное соединение концов (NHEJ) и репарация, индуцированная микрогомологическим разрывом (MMBIR), доминируют в репарации двухцепочечных разрывов и участвуют в моделировании. хромотриптический ландшафт, в отличие от гомологичной рекомбинации , которая требует гомологии последовательностей . Было показано, что объединение фрагментов и перестройки происходят и на отцовских хромосомах.

Помимо раковых клеток , хромотрипсис также наблюдался у пациентов с пороками развития и врожденными дефектами , т.е. в клетках зародышевой линии . Используя множественные молекулярные методы этих клеток зародышевой линии, которые, по-видимому, подверглись процессу, подобному хромотрипсису, а также инверсиям и транслокациям , дупликации также были замечены и трипликации и, следовательно, увеличение числа копий . Это можно объяснить репликативными процессами, которые включают восстановление разрушенных репликационных вилок , такими как модель остановки вилки и переключения шаблона (FoSTeS) или репликация, индуцированная микрогомологией (MMBIR). В связи с этим кажется, что более уместно было бы назвать это явление «хромоанасинтезом», то есть восстановлением хромосом, а не хромотрипсисом. Однако большинство проанализированных образцов, демонстрирующих хромотрипсис, имеют низкие копийные состояния и, следовательно, имеют преобладающие механизмы репарации с парными концами.

Требуется дальнейшее изучение событий хромотрипсиса и хромотриптических образцов, чтобы понять относительную важность соединения парных концов и репликативной репарации при хромотрипсисе.

Механизм

Одной из основных характерных особенностей хромотрипсиса является большое количество сложных перестроек, происходящих в локализованных участках одиночных хромосом. Способность вызывать такие ограниченные повреждения предполагает, что хромосомы должны быть конденсированы, например, в митозе хромотрипсис и хромосомные перестройки . , чтобы инициировать

Механизмы хромотрипсиса недостаточно изучены. Существует множество представлений о том, как возникает хромотрипсис.

Модель микроядер

Схема микроядерной модели хромотрипсиса

Модель микроядер является наиболее общепринятой моделью того, как и когда происходит разрушение и восстановление при хромотрипсисе. В раковых клетках фрагментация хромосом коррелирует с наличием микроядер . Микроядра – это структуры, образующиеся в результате митотических ошибок при переходе от метафазы к анафазе. Клетки с дефектной сегрегацией хромосом образуют микроядра, содержащие целые хромосомы или фрагменты хромосом. Расщепление одиночных хромосом на отдельные микроядра объясняет, почему фрагментация ДНК при хромотрипсисе изолирована от отдельных хромосом.

Эти микроядра подвергаются дефектной репликации ДНК , которая происходит медленнее, чем репликация ДНК в главном ядре, и вызывает инициацию проксимальной реакции повреждения ДНК (DDR). Однако репарация ДНК и активация контрольных точек клеточного цикла не происходят. Следовательно, хромосомы, которые неправильно реплицируются в микроядрах, становятся фрагментированными. Механизм, посредством которого происходит распыление этих хромосом, до конца не понятен, но считается, что он вызван либо аберрантной репликацией ДНК , либо преждевременной конденсацией хромосом , которая влечет за собой уплотнение полуреплицированных хромосом за счет циклин-зависимой киназной активности. Полученные фрагментированные сегменты хромосом могут быть объединены вместе, чтобы дать начало перестроенной хромосоме, которая впоследствии может быть повторно включена в основное ядро ​​дочерней клетки . Новая хромосома может сохраняться в течение нескольких поколений делений клеточного цикла и способствовать развитию раковой клетки .

Хотя модель микроядра подходит, другие факторы, вероятно, способствуют хромотрипсису при различных геномах рака.

Ионизирующее излучение во время митоза

Распад хромосом запускается, а повторная сборка фрагментов хромосом в непосредственной близости вызвана стимулами окружающей среды, такими как высокоэнергетическое ионизирующее излучение, возникающее во время митоза .

Прерванный апоптоз

Стрессовые стимулы, такие как радиация, недостаток питательных веществ или кислорода, вызывающие апоптоз, приводят к фрагментации хроматина и вызывают апоптоз большинства клеток. Однако небольшая часть клеток переживет апоптоз . Расщепленная ДНК потребует восстановления, и если это будет сделано неправильно, в хромосому будут внесены перестройки. В настоящее время существует предположение, что хромотрипсис может быть вызван вирусами, такими как вирусы γ-герпеса , которые вызывают рак , возможно, за счет ингибирования апоптоза . Однако это предположение требует дальнейшего расследования.

Теломерная дисфункция

Двухцепочечные разрывы теломер или теломерная дисфункция вызываются экзогенными агентами или репликативным стрессом. Известно, что теломерные дисфункции способствуют хромосомным аномалиям, связанным с раковыми клетками. Например, теломерные двухцепочечные разрывы/теломерные дисфункции могут вызвать сестринские хроматиды /слияние концов в конец и образование анафазных мостов, что приводит к образованию дицентрических хромосом , что может привести к дальнейшим перестройкам. Это более правдоподобное объяснение, поскольку, как было замечено, хромотрипсис в основном затрагивает теломерные области.

Предрасположенность

Мутации в гене TP53 могут предрасполагать клетку к хромотрипсису.

С помощью секвенирования генома опухоли головного мозга медуллобластомы Sonic hedgehog (SHH-MB) была обнаружена значительная связь между мутациями TP53 и хромотрипсисом в SHH-MB. Дальнейшие исследования связи между TP53 и хромотрипсисом выявили роль p53 , белка- супрессора опухоли , в массивной геномной перестройке, которая имеет место при хромотрипсисе. Следовательно, существует сильная связь между статусом р53 и хромотрипсисом, что дает представление о том, почему некоторые виды рака более агрессивны.

Также было показано, что клетки, содержащие мутацию TP53, отдают предпочтение механизмам восстановления с низкой точностью, таким как негомологичное соединение концов . Мутации TP53 также экспрессируются в клетках с более короткими и более склонны к слиянию концов. Также предполагается, что мутации TP53 могут быть вовлечены в преждевременную конденсацию хромосом . TP53 также может способствовать способности клеток пережить катастрофическое событие, которое обычно считается слишком разрушительным, чтобы ему можно было противостоять.

Связь с канцерогенезом

Было замечено, что хромотрипсис вызывает амплификацию онкогенов , амплификацию областей, содержащих онкоген, и потерю опухолевых супрессоров .

Ошибки сегрегации хромосом могут привести к повреждению ДНК и хромосомным аберрациям, таким как анеуплоидия , которая связана с развитием опухоли. Образование микроядер обычно происходит одновременно с анеуплоидией , а клетки анеуплоидии контролируются механизмами, включающими р53 . для того, чтобы микроядра могли пройти через клеточный цикл Было обнаружено, что и вызвать повреждение хромосом, необходимо снижение уровня р53. В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что хромотриптические опухоли возникают у пациентов с мутациями р53.

Дефекты реакции на повреждение ДНК могут вызывать повышенную частоту образования микроядер и, следовательно, возникновение хромотрипсиса. Существует множество примеров того, как пути DDR влияют на хромотрипсис и, следовательно, вызывают развитие опухолей и рака.

• Синдром Блума . Мутации в гене BLM , который кодирует семейство ДНК-хеликаз RecQ , вызывают накопление микроядер , вызывающих синдром Блума, который предрасполагает пациентов к раку .
• Анемия Фанкони . Анемия Фанкони — это заболевание, которое предрасполагает пациентов к раку из-за его влияния на пути восстановления ДНК . Мутации в гене FANCM вызывают повышенное образование микроядер и, следовательно, чрезмерный хромотрипсис.

Как и клетки с дефектами DDR, они, вероятно, имеют подавленные механизмы апоптоза, что еще больше усиливает возникновение мутаций и анеуплоидии .

Прогноз и диагностика

Исследования у пациентов с раком, связанным с хромотрипсисом, могут предоставить некоторую информацию о прогнозе. Мутации TP53 и хромотрипсис связаны у пациентов с SHH-медуллобластомой. Плохие клинические исходы нейробластом (например, вызванные делецией гена FANC при анемии Фанкони) связаны с частым возникновением хромотрипсиса. Скрининг биопсийных материалов на хромотрипсис может привести к хорошим прогнозам и лучшим результатам для пациентов.

Критика

Было отмечено, что первоначальное компьютерное моделирование, лежащее в основе однособытийной природы хромотрипсиса, которое является центральным для теории, не обязательно доказывало существование единственного события, и что известные модели прогрессирующего развития рака не противоречат возникновению сложных перестановки. Было также высказано предположение, что не существует какого-то одного травматического события, но что повторяющиеся циклы разрыв-слияние-мост могут вызывать сложные генетические паттерны.

Экспериментальные доказательства существования хромотрипсиса

В 2015 году несколько исследовательских групп представили экспериментальные доказательства того, что хромотрипсис действительно вызван одним катастрофическим событием. Используя комбинацию визуализации живых клеток и секвенирования единичного генома клеток, выделенных вручную, было показано, что образование микроядер может генерировать спектр геномных перестроек, некоторые из которых повторяют все известные особенности хромотрипсиса. Кроме того, научные исследования, вызывающие кризис теломер с последующим секвенированием полученных клонов, продемонстрировали сложные перестройки ДНК, которые напрямую повторяют модель одноразовой хромосомной катастрофы хромотрипсиса.

См. также

• Канцерогенез
• Хромоплексия
• Катаегис