chromothripsis
Chromothripsis to proces mutacyjny, w wyniku którego dochodzi do tysięcy zgrupowanych rearanżacji chromosomów w pojedynczym zdarzeniu w zlokalizowanych i ograniczonych regionach genomu w jednym lub kilku chromosomach i wiadomo, że bierze udział zarówno w nowotworach, jak i chorobach wrodzonych. Występuje w wyniku jednej masowej rearanżacji genomu podczas pojedynczego katastrofalnego zdarzenia w historii komórki. Uważa się, że aby komórka mogła wytrzymać takie destrukcyjne zdarzenie, wystąpienie takiego zdarzenia musi stanowić górną granicę tego, co komórka może tolerować i przeżyć. Zjawisko chromothripsis sprzeciwia się konwencjonalnej teorii, że rak jest stopniowym nabywaniem rearanżacji genomowych i mutacji somatycznych w czasie.
Najprostszym modelem tego, jak zachodzą te przegrupowania, jest równoczesna fragmentacja różnych regionów chromosomalnych (punkty przerwania wykazują nielosowy rozkład), a następnie późniejsze niedoskonałe ponowne złożenie przez szlaki naprawy DNA lub nieprawidłowe mechanizmy replikacji DNA . Chromothripsis pojawia się na wczesnym etapie rozwoju nowotworu i prowadzi do transformacji komórkowej poprzez utratę supresorów guza i amplifikację onkogenu . W 2015 roku odkryto, że chromothripsis może również leczyć: kobieta z WHIM (brodawki, hipogammaglobulinemia, infekcje i mielokateksja), niezwykle rzadka autosomalna dominująca złożona choroba niedoboru odporności, stwierdziła, że jej objawy ustąpiły w wieku 30 lat po chromothripsis chromosomu 2 usunął allel choroby.
Chromothripsis to neologizm wywodzący się z greckiego słowa chromo , które oznacza kolor (i reprezentuje chromosomy , ponieważ są one silnie zabarwione określonymi barwnikami) i thripsis , co oznacza „rozbicie na kawałki”.
Pierwsza obserwacja
Chromothripsis po raz pierwszy zaobserwowano podczas sekwencjonowania genomu przewlekłej białaczki limfatycznej . Dzięki sekwencjonowaniu sparowanych końców znaleziono 55 rearanżacji chromosomów w długim ramieniu chromosomu 8 i znaczną liczbę rearanżacji w regionach chromosomów 7, 12 i 15. Późniejsze badania z wykorzystaniem sekwencjonowania sparowanych końców całego genomu i analiza macierzy SNP odkryli podobne wzorce chromothripsis w różnych ludzkich nowotworach, np . czerniakach , mięsakach i raku jelita grubego , płuc i tarczycy . W kolejnych badaniach około 25% badanych raków kości wykazywało cechy chromothripsis. Chromothripsis powiązano z powstawaniem onkogennych fuzji w wyściółczaku nadnamiotowym , włókniaku chrzęstno-śluzakowym i mięsaku Ewinga , z których dwa ostatnie to guzy kości. Chromothripsis obserwowano w 2–3% nowotworów we wszystkich podtypach.
Charakterystyczne cechy
- Duża liczba złożonych rearanżacji w zlokalizowanych regionach pojedynczych chromosomów lub ramion chromosomów (pokazanych przez duże zagęszczenie i zgrupowane punkty przerwania), co sugeruje, że chromosomy muszą być skondensowane, np. w mitozie , aby wystąpiła chromothripsis.
- Stany o niskiej liczbie kopii - naprzemienne występowanie 2 stanów (czasami 3) sugerujące, że przegrupowania nastąpiły w krótkim okresie czasu.
- W obszarach chromotryptycznych naprzemienność regionów, które zachowują heterozygotyczność - dwie kopie (bez utraty lub wzmocnienia), z regionami, które mają utratę heterozygotyczności - jedna kopia (heterozygotyczna delecja). Sugeruje to, że rearanżacje miały miejsce w czasie, gdy obecne były obie rodzicielskie kopie chromosomu, a zatem na wczesnym etapie rozwoju komórki rakowej . Potwierdza to również fakt, że chromothripsis występuje jako jedno katastrofalne zdarzenie w historii komórki, ponieważ po utracie heterozygotyczności generalnie nie można jej odzyskać; stąd stan heterozygotyczny z dwiema kopiami występujący w łatach w całym regionie chromotryptycznym jest trudny do wyjaśnienia.
- Opisano kilka dodatkowych kryteriów wnioskowania o zdarzeniach chromothripsis: grupowanie chromosomalnych punktów przerwania; rozpowszechnienie rearanżacji wpływających na pojedynczy haplotyp; przypadkowość połączeń fragmentów (to jest w przybliżeniu równy rozkład połączeń segmentowych typu ogon-głowa, głowa-ogon, głowa-głowa i ogon-ogon występujących w połączeniu z chromothripsis); oraz losowość kolejności fragmentów DNA wzdłuż wynikowej pochodnej chromosomu. Ponadto, jeśli wszystkie rearanżacje DNA w regionie z chromothripsis są wykrywalne, można zrekonstruować względną kolejność łączenia segmentów i zidentyfikować zdarzenia chromothripsis za pomocą „pochodnych spacerów po chromosomach”.
Pękanie i naprawa chromosomów
Najszerzej akceptowanym i prostym modelem chromothripsis jest to, że w obrębie pojedynczego chromosomu różne regiony chromosomów ulegają fragmentacji / rozbiciu prawie jednocześnie, a następnie łączą się ponownie w nieprawidłowej orientacji. Możliwa jest delecja pewnych fragmentów, w tym delecje o długości kilkuset par zasad , a zatem segmentów genów, aw konsekwencji produkcja chromosomów o podwójnej minucie . Kiedy wiele chromosomów jest zaangażowanych w chromothripsis, fragmenty obu chromosomów są łączone ze sobą przez łączenie sparowanych końców i wymianę fragmentów między oryginalnymi chromosomami.
Ponowne łączenie fragmentów wymaga bardzo minimalnej lub nawet braku homologii sekwencji , co w konsekwencji sugeruje, że niehomologiczne lub mikrohomologiczne mechanizmy naprawy, takie jak niehomologiczne łączenie końców (NHEJ) i naprawa wywołana pęknięciem za pośrednictwem mikrohomologii (MMBIR) dominują w naprawie pęknięć dwuniciowych i są zaangażowane w modelowanie krajobraz chromotryptyczny, w przeciwieństwie do rekombinacji homologicznej , która wymaga homologii sekwencji . Wykazano, że łączenie fragmentów i rearanżacje zachodzą również na chromosomach ojcowskich.
Podobnie jak w komórkach nowotworowych , chromothripsis opisywano również u pacjentów z wadami rozwojowymi i wrodzonymi , tj. komórkami linii zarodkowej . Używając wielu technik molekularnych tych komórek linii płciowej, które, jak się wydaje, przeszły proces podobny do chromothripsis, a także inwersje i translokacje , zaobserwowano również duplikacje i triplikacje, a tym samym wzrost liczby kopii . Można to przypisać procesom replikacyjnym, które obejmują przywracanie zwiniętych widełek replikacyjnych , takich jak przeciąganie wideł i model przełączania szablonów (FoSTeS) lub replikacja wywołana przerwaniem za pośrednictwem mikrohomologii (MMBIR). To sprawia, że wydaje się, że bardziej właściwe byłoby nazwanie tego zjawiska „chromoanasyntezą”, co oznacza rekonstytucję chromosomów, a nie chromothripsis. Jednak większość próbek wykazujących chromothripsis, które są analizowane, ma niskie stany kopiowania, a zatem ma sparowane końce łączące dominujące mechanizmy naprawcze.
Konieczne są dalsze badania zdarzeń chromothripsis i próbek chromothriptycznych, aby zrozumieć względne znaczenie łączenia sparowanych końców i naprawy replikacyjnej w chromothripsis.
Mechanizm
Jedną z głównych cech charakterystycznych chromothripsis jest duża liczba złożonych rearanżacji zachodzących w zlokalizowanych regionach pojedynczych chromosomów. Zdolność do powodowania tak ograniczonych uszkodzeń sugeruje, że chromosomy muszą być skondensowane np. w mitozie , aby zainicjować chromothripsis i rearanżacje chromosomów .
Mechanizmy chromothripsis nie są dobrze poznane. Istnieje wiele pomysłów na to, jak występuje chromothripsis. [ potrzebne źródło ]
Model mikrojąder
Model mikrojąder jest najbardziej akceptowanym modelem tego, jak i kiedy dochodzi do pęknięcia i naprawy w chromothripsis. W komórkach nowotworowych fragmentacja chromosomów została skorelowana z obecnością mikrojąder . Mikrojądra to struktury utworzone przez błędy mitotyczne w przejściu z metafazy do anafazy. Komórki z wadliwą segregacją chromosomów będą tworzyć mikrojądra, które zawierają całe chromosomy lub fragmenty chromosomów. Segregacja pojedynczych chromosomów na pojedyncze mikrojądra wyjaśnia, dlaczego fragmentacja DNA jest izolowana do pojedynczych chromosomów w chromothripsis.
Te mikrojądra przechodzą wadliwą replikację DNA , która jest wolniejsza niż replikacja DNA w głównym jądrze i powoduje zainicjowanie proksymalnej odpowiedzi na uszkodzenie DNA (DDR). Jednak naprawa DNA i aktywacja punktu kontrolnego cyklu komórkowego nie następują. W konsekwencji chromosomy, które nie są prawidłowo replikowane w mikrojądrach, ulegają fragmentacji. Mechanizm, za pomocą którego dochodzi do sproszkowania tych chromosomów, nie jest w pełni zrozumiały, ale uważa się, że jest spowodowany albo nieprawidłową replikacją DNA , albo przedwczesną kondensacją chromosomów , co pociąga za sobą zagęszczanie częściowo replikowanych chromosomów przez aktywność kinazy zależnej od cyklin . Powstałe fragmentaryczne segmenty chromosomów można łączyć ze sobą, dając początek przegrupowanemu chromosomowi, który następnie można ponownie włączyć do głównego jądra komórki potomnej . Nowy chromosom może przetrwać kilka pokoleń cyklu komórkowego i przyczynić się do rozwoju komórki nowotworowej .
Chociaż model mikrojądrowy jest odpowiedni, inne czynniki prawdopodobnie przyczynią się do chromothripsis dla różnych genomów raka.
Promieniowanie jonizujące podczas mitozy
Rozbijanie chromosomów jest wyzwalane, a ponowne składanie fragmentów chromosomów w bliskiej odległości jest spowodowane bodźcami środowiskowymi, takimi jak wysokoenergetyczne promieniowanie jonizujące napotykane podczas mitozy .
Przerwana apoptoza
Bodźce stresowe, takie jak promieniowanie, pozbawienie składników odżywczych lub brak tlenu, które powodują apoptozę , doprowadzą do fragmentacji chromatyny i spowodują apoptozę większości komórek. Jednak mały podzbiór komórek przetrwa apoptozę . To rozszczepione DNA będzie wymagało naprawy, a jeśli zostanie to zrobione nieprawidłowo, do chromosomu zostaną wprowadzone przegrupowania. Obecnie spekuluje się, że chromothripsis może być napędzany przez wirusy, takie jak wirusy opryszczki γ , które powodują raka , prawdopodobnie przez hamowanie apoptozy . Jednak ta spekulacja wymaga dalszych badań.
Dysfunkcja telomeru
Telomerowe pęknięcia dwuniciowe lub dysfunkcja telomerów są generowane przez czynniki egzogenne lub stres replikacyjny. Wiadomo, że dysfunkcje telomerowe promują nieprawidłowości chromosomalne związane z komórkami nowotworowymi. Na przykład, dwuniciowe pęknięcia telomeru / dysfunkcje telomeru mogą powodować chromatyd siostrzanych / końca do końca i tworzenie mostków anafazowych , co skutkuje chromosomami dicentrycznymi , które mogą skutkować dalszymi rearanżacjami. Jest to bardziej prawdopodobne wyjaśnienie, ponieważ zaobserwowano, że chromothripsis obejmuje głównie regiony telomerowe.
predyspozycje
Mutacje w genie TP53 mogą predysponować komórkę do chromothripsis. [ potrzebne źródło ]
Dzięki sekwencjonowaniu genomu guza mózgu Sonic hedgehog medulloblastoma (SHH-MB) stwierdzono istotny związek między mutacjami TP53 a chromothripsis w SHH-MB. Dalsze badania nad związkiem między TP53 a chromothripsis wskazują na rolę p53 , białka supresorowego nowotworu , w masowych rearanżacjach genomowych zachodzących w chromothripsis. Stąd istnieje silny związek między statusem p53 a chromothripsis, co daje wgląd w to, dlaczego niektóre nowotwory są bardziej agresywne.
Wykazano również, że komórki zawierające mutację TP53 wykazują preferencję dla mechanizmów naprawy o niskiej wierności, takich jak łączenie niehomologicznych końców . Mutacje TP53 zostały również wyrażone w komórkach, które wykazują krótsze [ wymagane wyjaśnienie ] i są bardziej podatne na fuzję końców. Postawiono również hipotezę, że mutacje TP53 mogą być zaangażowane w przedwczesną kondensację chromosomów . TP53 może również przyczyniać się do zdolności komórek do przetrwania katastrofy, która normalnie byłaby uważana za zbyt destrukcyjną, aby mogła się jej przeciwstawić.
Związek z kancerogenezą
Zaobserwowano, że Chromothripsis powoduje amplifikację onkogenu , amplifikację regionów zawierających onkogen i utratę supresorów guza .
Błędy segregacji chromosomów mogą prowadzić do uszkodzenia DNA i aberracji chromosomowych, takich jak aneuploidia , która jest powiązana z rozwojem guza. Tworzenie mikrojąder na ogół zachodzi równocześnie z aneuploidią , a komórki aneuploidalne są kontrolowane przez mechanizmy obejmujące p53 . Aby mikrojądra przechodziły przez cykl komórkowy i powodowały uszkodzenia chromosomów, potrzebne są obniżone poziomy p53. Dzięki dalszym badaniom zaobserwowano występowanie guzów chromotryptycznych u pacjentów z mutacjami p53.
Defekty odpowiedzi na uszkodzenia DNA mogą powodować zwiększoną częstość tworzenia się mikrojąder, a tym samym występowanie chromothripsis. Istnieje wiele przykładów tego, jak szlaki DDR wpływają na chromothripsis, a tym samym powodują rozwój guza i raka.
- Zespół Blooma : Mutacje w genie BLM kodującym rodzinę helikaz DNA RecQ powodują akumulację mikrojąder , co prowadzi do zespołu Bloomsa, który predysponuje pacjentów do raka .
- Anemia Fanconiego : Anemia Fanconiego jest zaburzeniem, które predysponuje pacjentów do raka ze względu na wpływ na szlaki naprawy DNA . Mutacje w FANCM powodują zwiększone tworzenie mikrojąder, a tym samym ekstremalną chromothripsis.
Podobnie jak komórki obejmujące defekty DDR, prawdopodobnie mają one stłumione mechanizmy apoptotyczne, co dodatkowo zwiększy występowanie mutacji i aneuploidii .
Prognostyka i diagnostyka
Badania na pacjentach z nowotworami związanymi z chromothripsis mogą dostarczyć pewnych informacji na temat rokowania. Mutacje TP53 i chromothripsis zostały powiązane u pacjentów z rdzeniakiem SHH. Słabe wyniki kliniczne w nerwiakach niedojrzałych (takie jak te spowodowane delecją genu FANC w niedokrwistości Fanconiego) zostały powiązane z częstym występowaniem chromothripsis. Badanie przesiewowe biopsyjnych pod kątem chromothripsis może prowadzić do dobrych szacunków rokowania i lepszych wyników dla pacjentów. [ potrzebne źródło ]
Etymologia
Termin ten jest neologizmem wymyślonym przez naukowców z Wellcome Trust Sanger Institute i wywodzi się od „chromosomu” i „thripsis”, greckiego słowa oznaczającego łamanie czegoś na małe kawałki.
Krytyka
Zwrócono uwagę, że wstępne symulacje obliczeniowe leżące u podstaw pojedynczego zdarzenia chromothripsis, które są kluczowe dla tej teorii, niekoniecznie dowodzą istnienia pojedynczego zdarzenia, a znane modele postępującego rozwoju raka nie zaprzeczają występowaniu złożonych przegrupowania. Zasugerowano również, że nie ma jednego traumatycznego zdarzenia, ale powtarzające się cykle pękania-fuzji-mostu mogą powodować złożone wzorce genetyczne.
Eksperymentalne dowody na chromothripsis
W 2015 roku kilka grup badawczych przedstawiło eksperymentalne dowody na to, że chromothripsis jest rzeczywiście spowodowany pojedynczym katastroficznym wydarzeniem. Wykorzystując kombinację obrazowania żywych komórek i sekwencjonowania genomu pojedynczej komórki ręcznie wyizolowanych komórek, wykazano, że tworzenie mikrojąder może generować spektrum rearanżacji genomowych, z których niektóre podsumowują wszystkie znane cechy chromothripsis. Ponadto badania badawcze indukujące telomerów , po których następowało sekwencjonowanie powstałych klonów, wykazały złożone rearanżacje DNA, które bezpośrednio rekapitulowały model chromothripsis z jednorazową katastrofą chromosomalną.
Zobacz też