Нестабильность микроспутников - Microsatellite instability
Микросателлитная нестабильность ( MSI ) - это состояние генетической гипермутабельности (предрасположенности к мутации ), которое возникает в результате нарушения репарации несоответствия ДНК (MMR). Наличие MSI представляет собой фенотипическое свидетельство того, что MMR не функционирует нормально.
MMR исправляет ошибки, спонтанно возникающие во время репликации ДНК , такие как несоответствие отдельных оснований или короткие вставки и делеции . Белки, участвующие в MMR, исправляют ошибки полимеразы , формируя комплекс, который связывается с несовпадающим участком ДНК, устраняет ошибку и вставляет правильную последовательность на ее место. Клетки с аномально функционирующим MMR не могут исправить ошибки, возникающие во время репликации ДНК, и, следовательно, накапливают ошибки. Это вызывает создание новых фрагментов микроспутников . Анализы на основе полимеразной цепной реакции могут выявить эти новые микросателлиты и предоставить доказательства присутствия MSI.
Микросателлиты - это повторяющиеся последовательности ДНК. Эти последовательности могут состоять из повторяющихся единиц длиной от одной до шести пар оснований . Хотя длина этих микросателлитов сильно варьируется от человека к человеку и влияет на индивидуальный «отпечаток пальца» ДНК, у каждого человека есть микросателлиты определенной длины. Самый распространенный микросателлит у человека - это динуклеотидный повтор нуклеотидов C и A , который встречается в геноме десятки тысяч раз. Микросателлиты также известны как простые повторы последовательности (SSR).
Состав
Структура микросателлитной нестабильности состоит из повторяющихся нуклеотидов, чаще всего встречающихся в виде повторов GT / CA.
Исследователи еще не подтвердили точное определение структуры MSI. Хотя все исследователи согласны с тем, что микросателлиты являются повторяющимися последовательностями, длина этих последовательностей остается под вопросом. Некоторые исследования показывают, что MSI представляют собой короткие тандемные повторяющиеся последовательности ДНК от одной до шести пар оснований по всему геному, в то время как другие исследования показывают, что диапазон может быть от двух до пяти.
Хотя исследователи не согласны с конкретным порогом количества тандемных повторов, составляющих микросателлит, существует консенсус относительно их относительного размера. Более длинные последовательности называются мини- сателлитами , а еще более длинные последовательности называются сателлитными участками ДНК . Некоторые ученые различают три категории по минимальному количеству пар оснований, а другие используют минимальное количество повторяющихся единиц. Большинство повторов встречается в нетранслируемых областях, особенно в интронах . Однако микросателлиты, которые встречаются в кодирующих областях, часто препятствуют распространению большинства последующих событий. Микросателлиты составляют примерно три процента генома человека, или более миллиона фрагментов ДНК. Плотность микросателлитов увеличивается с увеличением размера генома и в два раза больше на концах плеч хромосом, чем в телах хромосом.
Форма и функция
Компания MSI была открыта в 1970-х и 1980-х годах.
В широком смысле MSI является результатом неспособности белков репарации ошибочного спаривания (MMR) исправить ошибку репликации ДНК. Репликация ДНК происходит в «S» фазе клеточного цикла ; ошибочное событие, создающее область MSI, происходит во время второго события репликации. Исходная цепь не повреждена, но дочерняя цепь претерпевает мутацию со сдвигом рамки считывания из-за проскальзывания ДНК-полимеразы. В частности, ДНК-полимераза скользит, создавая временную петлю вставки-удаления, которая обычно распознается белками MMR. Однако, когда белки MMR не функционируют нормально, как в случае MSI, эта петля приводит к мутациям со сдвигом рамки считывания либо через вставки, либо через делеции, приводя к нефункционирующим белкам.
MSI уникален для полиморфизмов ДНК тем, что ошибки репликации различаются по длине, а не по последовательности. Скорость и направление мутаций, приводящих к MSI, являются основными компонентами в определении генетических различий. На сегодняшний день ученые сходятся во мнении, что частота мутаций различается по положению локусов. Чем больше длина MSI, тем выше частота мутаций.
Хотя большинство мутаций MSI являются результатом мутаций со сдвигом рамки считывания, иногда события мутации, приводящие к MSI, происходят из-за гиперметилирования промотора hMLH1 (белка MMR). Гиперметилирование происходит, когда к нуклеотиду ДНК добавляется метильная группа, что приводит к подавлению гена, что приводит к MSI.
Исследователи показали, что окислительное повреждение приводит к мутациям со сдвигом рамки считывания, что приводит к MSI, но они еще не пришли к соглашению о точном механизме. Было показано, что чем больше окислительного стресса подвергается система, тем больше вероятность возникновения мутаций. Кроме того, каталаза уменьшает мутации, тогда как медь и никель усиливают мутации за счет увеличения количества пероксидов. Некоторые исследователи считают, что окислительный стресс в определенных локусах приводит к остановке ДНК-полимеразы в этих местах, создавая среду для проскальзывания ДНК.
Исследователи сначала полагали, что MSI был случайным, но есть данные, свидетельствующие о том, что цели MSI включают растущий список генов. Примеры включают ген рецептора трансформирующего фактора роста бета и ген ВАХ . Каждая мишень приводит к разным фенотипам и патологиям.
Клиническое значение
Нестабильность микросателлитов связана с раком толстой кишки, раком желудка, раком эндометрия, раком яичников, раком гепатобилиарного тракта, раком мочевыводящих путей, раком мозга и раком кожи. MSI чаще всего ассоциируется с раком толстой кишки. Ежегодно во всем мире регистрируется более 500 000 случаев рака толстой кишки. Основываясь на результатах более 7000 пациентов, стратифицированных для рака толстой кишки MSI-High (MSI-H), MSI-Low (MSI-L) или Micros по сравнению с опухолями MSI-L или MSS.
Колоректальные опухоли с MSI обнаруживаются в правой толстой кишке, связаны с плохо дифференцированной тканью, высокими муциногенами, лимфоцитами, инфильтрирующими опухоль, и наличием реакции хозяина, подобной Крону. Опухоли MSI-H, способствующие развитию колоректального рака, демонстрируют меньше метастазов, чем другие производные колоректального рака. Это продемонстрировано предыдущими исследованиями, показавшими, что опухоли MSI-H более репрезентативны для рака стадии II, а не стадии III.
Ученые исследовали связь белков вакуумной сортировки белков (VPS) с MSI. Как и MSI, VPS связан с раком желудка и толстой кишки. В одном исследовании сообщается, что белки VPS были связаны с раком MSI-H, но не с раком MSI-L, что ограничивает VPS специфическим раком MSI-H.
Статус MSI-H повышает вероятность синдрома Линча , но MSI-H также может возникать у пациентов без синдрома Линча, а для подтверждения синдрома Линча требуется тестирование ДНК зародышевой линии . Синдром Линча связан с MSI и увеличивает риск рака толстой кишки, эндометрия, яичников, желудка, тонкой кишки, гепатобилиарных путей, мочевыводящих путей, мозга и кожи.
В одном исследовании было проведено более 120 пациентов с синдромом Линча, приписавшего реакцию типа Крона (CLR), связанную с MSI, «опухолеспецифическими неопептидами, генерируемыми во время канцерогенеза MSI-H». Это исследование дополнительно подтвердило, что «наличие антиметастатической иммунной защиты у пациентов с MSI-H CRC может объяснить недавние открытия, что адъювантная химиотерапия 5-FU не имеет положительных или даже побочных эффектов в этом коллективе». Исследователи предполагают, что лимфоциты выполняют защитную роль против CRC MSI-H, предотвращая метастазирование опухоли.
Опухоли MSI в 15% случаев спорадического колоректального рака являются результатом гиперметилирования промотора гена MLH 1, тогда как опухоли MSI при синдроме Линча вызываются мутациями зародышевой линии в MLH 1, MSH 2, MSH 6 и PMS2.
MSI был очевиден в причине сальной карциномы. Карциномы сальных желез - это разновидность более крупной патологии, синдрома Мюира-Торре . MSI по-разному выражается при синдроме Мьюира-Торре, чаще всего выражается с общими патологиями у пациентов с раком толстой кишки. Кроме того, белки MMR MLH 1, MSH 2, MSH6 и PMS2 играют важную роль в периокулярной сальной карциноме, которая наблюдается на веках в 40% сальных карцином.
В мае 2017 года FDA одобрило иммунотерапевтическое средство под названием Keytruda ( пембролизумаб ) ( ингибитор PD-1 ) для пациентов с неоперабельными или метастатическими микросателлитными нестабильными опухолями с высокой (MSI-H) или несоответствующей репарацией (dMMR) солидными опухолями, которые прогрессировали после предшествующего лечения. Это показание не зависит от оценки экспрессии PD-L1 , типа ткани и локализации опухоли.
Диагностика нестабильности микроспутника
MSI является хорошим маркером для определения синдрома Линча и определения прогноза лечения рака. В 1996 году Национальный институт рака (NCI) провел международный семинар по синдрому Линча, который привел к разработке «Руководства Bethesda» и локусов для тестирования MSI. Во время этого первого семинара NCI согласовал пять микросателлитных маркеров, необходимых для определения присутствия MSI: два мононуклеотида, BAT25 и BAT26, и три динуклеотидных повтора, D2S123, D5S346 и D17S250. Опухоли MSI-H являются результатом MSI более 30% нестабильных локусов MSI (> 2 или более из 5 локусов). Опухоли MSI-L возникают из менее чем 30% нестабильных биомаркеров MSI. Опухоли MSI-L относятся к опухолям альтернативной этиологии. Несколько исследований демонстрируют, что пациенты с MSI-H лучше реагируют на только хирургическое вмешательство, а не химиотерапию и хирургическое вмешательство, что предотвращает ненужное прохождение пациентами химиотерапии.
Шесть лет спустя, во время второго семинара NCI, посвященного синдрому Линча в 2002 году, были пересмотрены рекомендации Bethesda (позже опубликованные в 2004 году), в которых были рекомендованы новые критерии для тестирования MSI. В частности, они определили, что пять мононуклеотидных локусов превосходят смесь моно- и динуклеотидных локусов, поскольку динуклеотидные локусы могут казаться сдвинутыми, хотя на самом деле это не так, что увеличивает вероятность ложноположительного результата MSI-H.
Первый коммерчески доступный набор был предоставлен Promega Corporation , Мэдисон, Висконсин, под названием Система анализа микросателлитной нестабильности 1.2 (RUO). С тех пор Promega MSI RUO получил широкое распространение с 2004 года: более 120 рецензируемых публикаций ссылаются на его глобальное положение в качестве золотого стандарта в определении статуса MSI раковой ткани.
Недавно на рынке были успешно представлены наборы для обнаружения MSI [1] на основе ПЦР в реальном времени . Одностадийный формат закрытой пробирки, высокая точность и чувствительность продуктов на основе ПЦР в реальном времени без какого-либо дополнительного анализа после амплификации ПЦР по сравнению с традиционными методами (ПЦР с последующим анализом фрагментов) считались критическими преимуществами.
Искусственный интеллект также использовался для прогнозирования MSI по появлению опухолей под микроскопом. Цифровая патология может быть передана в методы машинного обучения, а прогнозы относительно MSI могут быть сделаны без какого-либо молекулярного тестирования. Эти методы еще не дали результатов, которые можно было бы использовать в клинической практике.
Прямые и косвенные механизмы способствуют устойчивости к химиотерапии. Прямые механизмы включают пути метаболизма лекарственного средства, в то время как косвенные механизмы включают пути, которые реагируют на химиотерапевтическое лечение. Путь репарации ДНК NER играет существенную роль в обращении повреждения клеток, вызванного химиотерапевтическими агентами, такими как 5-FU.
Открытия с 2010 года
В мае 2017 года FDA одобрило иммунотерапевтическое средство под названием Keytruda ( пембролизумаб ) ( ингибитор PD-1 ) для пациентов с неоперабельными или метастатическими микросателлитными нестабильными опухолями с высокой (MSI-H) или несоответствующей репарацией (dMMR) солидными опухолями, которые прогрессировали после предшествующего лечения. Это показание не зависит от оценки экспрессии PD-L1 , типа ткани и локализации опухоли.
Исследователи обнаружили еще один MSI, называемый повышенными микросателлитными изменениями в выбранных тетрануклеотидных повторах (EMAST). Однако EMAST уникален тем, что он не является производным от MMR и обычно связан с мутациями TP53 .
EMAST наблюдается при различных формах рака, включая рак легких, головы и шеи, толстой кишки, кожи, мочевыводящих путей и репродуктивных органов. Сайты внешних органов имеют больший потенциал для EMAST. Некоторые исследователи считают, что EMAST может быть следствием мутагенеза. Положительные границы EMAST в других случаях отрицательные границы рака предполагают рецидив заболевания у пациентов.
использованная литература
дальнейшее чтение
- Дюваль А., Хамелин Р. (2002). «Генетическая нестабильность в человеческих раковых опухолях, дефицитных по репарации несоответствий». Annales de Genétique . 45 (2): 71–5. DOI : 10.1016 / s0003-3995 (02) 01115-2 . PMID 12119215 .