Соматическая мутация
Соматическая мутация — это изменение последовательности ДНК многоклеточного соматической клетки со организма специализированными репродуктивными клетками ; то есть любая мутация , которая происходит в клетке, отличной от гаметы , зародышевой клетки или гаметоцита . В отличие от мутаций зародышевой линии , которые могут передаваться потомкам организма, соматические мутации обычно не передаются потомкам. Это различие размыто у растений, у которых отсутствует выделенная зародышевая линия , и у тех животных, которые могут размножаться бесполым путем с помощью таких механизмов, как почкование , как у представителей книдарий рода Hydra .
Хотя соматические мутации не передаются потомству организма, соматические мутации будут присутствовать у всех потомков клетки одного и того же организма. Многие виды рака являются результатом накопленных соматических мутаций.
Доля пораженных клеток
[ редактировать ]Термин «соматические» обычно относится к клеткам организма, в отличие от репродуктивных ( зародышевых ) клеток, которые дают начало яйцеклетке или сперме . Например, у млекопитающих соматические клетки составляют внутренние органы, кожу, кости, кровь и соединительную ткань. [ 1 ]
У большинства животных отделение половых клеток от соматических клеток ( развитие зародышевой линии ) происходит на ранних стадиях развития . Как только такое разделение произошло в эмбрионе, любая мутация за пределами клеток зародышевой линии не может быть передана потомству организма.
Однако соматические мутации передаются всему потомству мутировавшей клетки в одном организме. Таким образом, основная часть организма может нести одну и ту же мутацию, особенно если эта мутация происходит на более ранних стадиях развития. [ 2 ] Соматические мутации, возникающие на более позднем этапе жизни организма, бывает трудно обнаружить, поскольку они могут затрагивать только одну клетку, например, постмитотический нейрон ; [ 3 ] [ 4 ] Таким образом, улучшения в секвенировании отдельных клеток являются важным инструментом для изучения соматических мутаций. [ 5 ] Как ядерная ДНК , так и митохондриальная ДНК клетки могут накапливать мутации; соматические митохондриальные мутации участвуют в развитии некоторых нейродегенеративных заболеваний. [ 6 ]
Исключения из наследства
[ редактировать ]
Существует множество исключений из правила, согласно которому соматические мутации не могут передаваться по наследству потомству. Многие организмы просто не выделяют отдельную зародышевую линию на ранних стадиях развития. Вместо этого растения и базальные животные, такие как губки и кораллы, генерируют гаметы из плюрипотентных стволовых клеток взрослых соматических тканей. [ 7 ] [ 8 ] Например, у цветковых растений зародышевые клетки могут возникать из взрослых соматических клеток цветочной меристемы . К другим животным без определенной зародышевой линии относятся оболочники и плоские черви . [ 9 ]
Соматические мутации также могут передаваться потомству у организмов, способных размножаться бесполым путем , без образования гамет. Например, животные книдарий рода Hydra могут размножаться бесполым путем посредством механизма почкования (они также могут размножаться половым путем). У гидры новая почка развивается непосредственно из соматических клеток родительской гидры. [ 10 ] Мутация, присутствующая в ткани, дающей начало дочернему организму, будет передана этому потомству.
Многие растения естественным образом размножаются путем вегетативного размножения — роста нового растения из фрагмента родительского растения — размножая соматические мутации без стадии образования семян. Люди искусственно вызывают вегетативное размножение посредством прививки и стеблевых черенков.
Причины
[ редактировать ]
Как и в случае с мутациями зародышевой линии, мутации в соматических клетках могут возникать из-за эндогенных факторов, включая ошибки во время репликации и восстановления ДНК, а также воздействие активных форм кислорода, вырабатываемых нормальными клеточными процессами. Мутации также могут быть вызваны контактом с мутагенами , что может увеличить скорость мутаций.
Большинство мутагенов действуют, вызывая повреждения ДНК — изменения в структуре ДНК, такие как пиримидиновые димеры , или разрыв одной или обеих цепей ДНК. Процессы репарации ДНК могут устранить повреждения ДНК, которые в противном случае при репликации ДНК вызвали бы мутацию. Мутация возникает в результате повреждения, когда ошибки в механизме репарации ДНК вызывают изменения в нуклеотидной последовательности или если репликация происходит до завершения репарации.
Мутагены могут быть физическими, например, излучение УФ-лучей и рентгеновских лучей , или химическими (молекулы, которые непосредственно взаимодействуют с ДНК), например, метаболиты бензо [ а ]пирена , сильного канцерогена, обнаруженного в табачном дыме . [ 11 ] Мутагены, связанные с раком, часто изучаются, чтобы узнать о раке и его профилактике.
Частота мутаций
[ редактировать ]Исследования показывают, что частота мутаций в соматических клетках обычно выше, чем в клетках зародышевой линии; [ 12 ] кроме того, существуют различия в типах мутаций, наблюдаемых в зародыше и соме. [ 13 ] Частота мутаций между различными соматическими тканями одного и того же организма варьируется. [ 13 ] и между видами. [ 2 ]
Милхолланд и др. (2017) исследовали частоту мутаций дермальных фибробластов (типа соматических клеток) и зародышевых клеток у людей и мышей. Они измерили частоту возникновения однонуклеотидных вариантов (SNV), большинство из которых являются следствием ошибки репликации. Как с точки зрения мутационной нагрузки (общее количество мутаций, присутствующих в клетке), так и с точки зрения частоты мутаций на деление клетки (новые мутации при каждом митозе ), частота соматических мутаций более чем в десять раз превышала частоту мутаций зародышевой линии у людей и мышей.
У людей мутационная нагрузка в фибробластах была более чем в двадцать раз выше, чем в зародышевой линии (2,8 × 10 −7 по сравнению с 1,2×10 −8 мутаций на пару оснований). С поправкой на различия в предполагаемом количестве клеточных делений частота мутаций фибробластов была примерно в 80 раз выше, чем у зародыша (соответственно 2,66 × 10 −9 против 3,3 × 10 −11 мутаций на пару оснований за митоз). [ 2 ]
Неравенство в частоте мутаций между зародышевой линией и соматическими тканями, вероятно, отражает большую важность генетической целостности зародышевой линии, чем сомы. [ 12 ] Изменение частоты мутаций может быть связано с различиями в скорости повреждения ДНК или различиями в процессе репарации ДНК в результате повышенных уровней ферментов репарации ДНК. [ 13 ]
В апреле 2022 года сообщалось, что большинство млекопитающих к концу своей жизни имеют примерно одинаковое количество мутаций, поэтому те, у кого одинаковая продолжительность жизни, будут иметь одинаковую частоту соматических мутаций , а те, кто живет меньше/больше, будут иметь одинаковую частоту соматических мутаций. более высокий/меньший уровень соматических мутаций соответственно. [ 14 ] [ 15 ]
Нейроны
[ редактировать ]Постмитотические нейроны накапливают соматические мутации с постоянной скоростью на протяжении всей жизни, и эта скорость примерно аналогична скорости мутаций в митотически активных тканях. [ 16 ] Мутации в нейронах могут возникать как следствие эндогенного повреждения ДНК и некорректного восстановления таких повреждений, которое постоянно происходит в клетках. [ 16 ]
Соматическая гипермутация
[ редактировать ]В рамках адаптивного иммунного ответа продуцирующих антитела, в В-клетках, частота мутаций во много раз превышает нормальную. Частота мутаций в антигенсвязывающих кодирующих последовательностях генов иммуноглобулинов до 1 000 000 раз выше, чем в клеточных линиях вне лимфоидной системы. Важным шагом в созревании аффинности является соматическая гипермутация, которая помогает В-клеткам вырабатывать антитела с большей аффинностью к антигену . [ 17 ]
Болезнь
[ редактировать ]Соматические мутации накапливаются в клетках организма по мере его старения и с каждым циклом клеточного деления; Роль соматических мутаций в развитии рака хорошо известна, а накопление соматических мутаций участвует в биологии старения. [ 4 ]
Мутации в нейрональных стволовых клетках (особенно во время нейрогенеза ) [ 18 ] а в постмитотических нейронах приводит к геномной гетерогенности нейронов, называемой «соматическим мозаицизмом мозга». [ 3 ] Накопление возрастных мутаций в нейронах может быть связано с нейродегенеративными заболеваниями , включая болезнь Альцгеймера , но эта связь не доказана. Большинство клеток центральной нервной системы у взрослых являются постмитотическими, и мутации у взрослых могут затрагивать только один нейрон. В отличие от рака, где мутации приводят к клональной пролиферации, вредные соматические мутации могут способствовать нейродегенеративному заболеванию из-за гибели клеток. [ 19 ] Поэтому точная оценка бремени соматических мутаций в нейронах остается трудной.
Роль в канцерогенезе
[ редактировать ]Если мутация происходит в клетке организма, эта мутация будет присутствовать у всех потомков этой клетки в том же организме. Накопление определенных мутаций на протяжении поколений соматических клеток является частью процесса злокачественной трансформации из нормальной клетки в раковую.
Клетки с гетерозиготными мутациями потери функции (одна хорошая копия гена и одна мутированная копия) могут нормально функционировать с немутированной копией до тех пор, пока хорошая копия не подвергнется спонтанной соматической мутации. Такого рода мутации часто случаются в живых организмах, но их скорость трудно измерить. Измерение этой скорости важно для прогнозирования скорости развития рака у людей.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэмпбелл, Нил А., 1946–2004 гг. (2009). Биология . Рис, Джейн Б. (8-е изд.). Сан-Франциско: Пирсон Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-6844-4 . OCLC 174138981 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б с Милхолланд, Брэндон; Донг, Сяо; Чжан, Лей; Хао, Сяосяо; Эх, Юсин; Вийг, Ян (9 мая 2017 г.). «Различия между уровнем зародышевых и соматических мутаций у людей и мышей» . Природные коммуникации . 8 : 15183. Бибкод : 2017NatCo...815183M . дои : 10.1038/ncomms15183 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 5436103 . ПМИД 28485371 .
- ^ Перейти обратно: а б Верхейен, Берт М.; Вермюльст, Марк; ван Леувен, Фред В. (2018). «Соматические мутации в нейронах при старении и нейродегенерации» . Акта Нейропатологика . 135 (6): 811–826. дои : 10.1007/s00401-018-1850-y . ISSN 0001-6322 . ПМК 5954077 . ПМИД 29705908 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжан, Лей; Вийг, Ян (23 ноября 2018 г.). «Соматический мутагенез у млекопитающих и его влияние на болезни человека и старение» . Ежегодный обзор генетики . 52 : 397–419. doi : 10.1146/annurev-genet-120417-031501 . ISSN 0066-4197 . ПМК 6414224 . ПМИД 30212236 .
- ^ Гавад, Чарльз; Кох, Уинстон; Землетрясение, Стивен Р. (2016). «Секвенирование одноклеточного генома: современное состояние науки» . Обзоры природы Генетика . 17 (3): 175–188. дои : 10.1038/nrg.2015.16 . ISSN 1471-0056 . ПМИД 26806412 . S2CID 4800650 .
- ^ Шон, Эрик А.; ДиМауро, Сальваторе; Хирано, Мичио (2012). «Митохондриальная ДНК человека: роль наследственных и соматических мутаций» . Обзоры природы. Генетика . 13 (12): 878–890. дои : 10.1038/nrg3275 . ISSN 1471-0056 . ПМЦ 3959762 . ПМИД 23154810 .
- ^ Шон, Дэниел Дж.; Шульц, Стюарт Т. (2 ноября 2019 г.). «Соматическая мутация и эволюция растений» . Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 50 (1): 49–73. doi : 10.1146/annurev-ecolsys-110218-024955 . ISSN 1543-592X . S2CID 203882206 .
- ^ Радзвилавичюс, Арунас Л.; Хадживасилиу, Зена; Помянковский, Эндрю; Лейн, Ник (20 декабря 2016 г.). «Отбор по качеству митохондрий стимулирует эволюцию зародышевой линии» . ПЛОС Биология . 14 (12): e2000410. дои : 10.1371/journal.pbio.2000410 . ISSN 1544-9173 . ПМК 5172535 . ПМИД 27997535 .
- ^ Зейпель, Катя; Янце, Натали; Шмид, Волкер (2004). «Зародышевая линия и ген соматических стволовых клеток Cniwi у медузы Podocoryne carnea» . Международный журнал биологии развития . 48 (1): 1–7. дои : 10.1387/ijdb.15005568 . ISSN 0214-6282 . ПМИД 15005568 .
- ^ Отто, Джоан Дж.; Кэмпбелл, Ричард Д. (1977). «Почкование Hydra attenuata: стадии почек и карта судьбы». Журнал экспериментальной зоологии . 200 (3): 417–428. дои : 10.1002/jez.1402000311 . ISSN 0022-104X . ПМИД 874446 .
- ^ Армстронг, Бен; Хатчинсон, Эмма; Анвин, Джон; Флетчер, Тони (2004). «Риск рака легких после воздействия полициклических ароматических углеводородов: обзор и метаанализ» . Перспективы гигиены окружающей среды . 112 (9): 970–978. дои : 10.1289/ehp.6895 . ISSN 0091-6765 . ПМЦ 1247189 . ПМИД 15198916 .
- ^ Перейти обратно: а б Мерфи, Патрисия; Маклин, Дерек Дж.; МакМахан, К. Алекс; Уолтер, Кристи А.; МакКерри, Джон Р. (2013). «Повышенная генетическая целостность зародышевых клеток мыши» . Биология размножения . 88 (1): 6. doi : 10.1095/biolreprod.112.103481 . ISSN 0006-3363 . ПМЦ 4434944 . ПМИД 23153565 .
- ^ Перейти обратно: а б с Чен, Чен; Ци, Хунцзянь; Шен, Юфэн; Пикрелл, Джозеф; Пшеворски, Молли (2017). «Сравнительные детерминанты скорости мутаций в зародышевой линии и соме» . Генетика . 207 (1): 255–267. дои : 10.1534/генетика.117.1114 . ISSN 0016-6731 . ПМЦ 5586376 . ПМИД 28733365 .
- ^ Кейган, Алекс; Баэз-Ортега, Адриан; Бжозовская, Наталья; Аббаскаль, Фредерик; Куренс, Тим Х.Х.; Сандерс, Мэтьюз А.; Лоусон, Эндрю Р.Дж.; Харви, Люк М.Р.; Бхосле, Шрирам; Джонс, Дэвид; Алькантара, Рауль Э. (21 апреля 2022 г.). «Уровень соматических мутаций зависит от продолжительности жизни млекопитающих» . Природа 604 (7906): 517–524. Бибкод : 2022Nature.604..517C . дои : 10.1038/s41586-022-04618-z . ISSN 0028-0836 . ПМК 9021023 . ПМИД 35418684 .
- ^ «Мутации между видами открывают ключ к старению» . Новости Би-би-си . 13 апреля 2022 г. Проверено 20 апреля 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Абаскаль Ф, Харви ЛМР, Митчелл Э, Лоусон ARJ, Ленсинг С.В., Эллис П., Рассел А.Дж.К., Алькантара Р.Э., Баэз-Ортега А., Ван Ю., Ква Э.Дж., Ли-Сикс Х., Кейган А., Куренс Т.Х., Чепмен М.С., Олафссон , Леонард С., Джонс Д., Мачадо Х.Э., Дэвис М., Обро Н.Ф., Махубани К.Т. Аллинсон К., Герстунг М., Саеб-Парси К., Кент Д.Г., Лауренти Э., Страттон М.Р., Рахбари Р., Кэмпбелл П.Дж., Осборн Р.Дж., Мартинкорена И. Ландшафты соматических мутаций с разрешением одной молекулы. Природа. Май 2021 г.;593(7859):405-410. дои: 10.1038/s41586-021-03477-4. Epub, 28 апреля 2021 г. PMID33911282
- ^ Тенг, Грейс; Папавасилиу, Ф. Нина (2007). «Соматическая гипермутация иммуноглобулина». Ежегодный обзор генетики . 41 (1): 107–120. дои : 10.1146/annurev.genet.41.110306.130340 . ISSN 0066-4197 . ПМИД 17576170 .
- ^ Пэ, Тэджон; Томазини, Ливия; Мариани, Джессика; Чжоу, Бо; Ройчоудхури, Танмой; Франич, Дэниел; Плетикос, Миховил; Паттни, Реналь; Чен, Бо-Джон; Вентурини, Элиша; Райли-Гиллис, Бриджит (2 февраля 2018 г.). «Различные скорости и механизмы мутаций в клетках человека на этапе прегаструляции и нейрогенеза» . Наука 359 (6375): 550–555. Бибкод : 2018Sci...359..550B . дои : 10.1126/science.aan8690 . ISSN 0036-8075 . ПМК 6311130 . ПМИД 29217587 .
- ^ Лейя-Салазар, М.; Пиетт, К.; Проукакис, К. (2018). «Обзор: Соматические мутации при нейродегенерации» (PDF) . Невропатология и прикладная нейробиология . 44 (3): 267–285. дои : 10.1111/nan.12465 . ПМИД 29369391 . S2CID 4362512 .