Genomisk ustabilitet ( engelsk genomic instability ) (også "genetisk ustabilitet" ( engelsk genetisk ustabilitet ) eller "genominstabilitet" ( engelsk Genome instability )) bestemmes af den høje frekvens af mutationer i cellelinjens genom. Disse mutationer kan omfatte ændringer i nukleinsyresekvensen , kromosomale omlejringer eller aneuploidi . Genomisk ustabilitet er en central faktor i carcinogenese [1] , men også en faktor i nogle neurodegenerative sygdomme som amyotrofisk lateral sklerose eller den neuromuskulære sygdom myotonisk dystrofi .
Kilderne til genomisk ustabilitet er først for nylig blevet belyst. Den høje frekvens af eksternt forårsaget DNA- skade [2] kan være en af kilderne til genomisk ustabilitet, da DNA-skader kan føre til unøjagtig syntese gennem beskadigelse eller reparationsfejl, der fører til mutation. En anden kilde til genomisk ustabilitet kan være epigenetisk eller mutationel reduktion i ekspressionen af DNA- reparationsgener . Fordi endogen (metabolisme-induceret) DNA-skade er så almindelig, at den i gennemsnit forekommer mere end 60.000 gange om dagen i humane cellegenomer , vil enhver reduktion i DNA-reparation sandsynligvis være en vigtig kilde til genomisk ustabilitet.
Generelt præsenterer alle celler fra et individ af en given art (plante eller dyr) et konstant antal kromosomer , som danner det, der er kendt som den karyotype , der definerer denne art, selvom nogle arter har en ret høj variabilitet i karyotype. Hos mennesker forekommer mutationer , der ville ændre aminosyren i et protein i den kodende region af genomet, i gennemsnit kun 0,35 generationer (mindre end ét mutant protein pr. generation) [3] .
Nogle gange, hos arter med en stabil karyotype, kan der observeres tilfældige ændringer, der ændrer det normale antal kromosomer. I andre tilfælde er der strukturelle ændringer ( kromosomale translokationer , deletioner ...), der ændrer standardkromosomsættet. I disse tilfælde er det angivet, at den berørte organisme udviser genomisk ustabilitet (også genetisk ustabilitet eller endda kromosomal ustabilitet ). Processen med genomisk ustabilitet resulterer ofte i en situation med aneuploidi , hvor celler har et antal kromosomer over eller under det normale for arten.
Af omkring 200 neurologiske og neuromuskulære lidelser har 15 en klar sammenhæng med en arvelig eller erhvervet defekt i en af DNA-reparationsvejene eller overdreven genotoksisk oxidativ stress [4] [5] . Fem af dem ( pigmentosa tør hud , Cockaynes syndrom , trichothiodystrofi , Downs syndrom og triple syndrom har en defekt i udskæringen af nukleotid-DNA-reparationsvejen. Seks ( spinocerebellar ataksi med axonal neuropati 1, Huntingtons sygdom , Alzheimers sygdom , Parkinsons sygdom , Downs syndrom og amyotrofisk lateral sklerose ) ser ud til at være resultatet af øget oxidativt stress og den underliggende udskæringsreparationsvejs manglende evne til at behandle DNA-skader. Fire af disse ( Huntingtons sygdom , forskellige spinale og cerebellære ataksier , Friedreichs ataksi og myotonic ) dystrofi type 1 og 2) har ofte usædvanlige gentagne forstørrelsessekvenser i DNA, der sandsynligvis kan tilskrives genomisk ustabilitet. Fire ( ataxia telangiectasia , ataxia telangiectasia as a disorder, Nijmegen damage syndrome og Alzheimers sygdom ) er defekter i gener involveret i DNA-dobbelt- reparation af trådbrud. stress er hovedårsagen til genomisk ustabilitet i hjernen. Sjældne neurologiske sygdomme opstår, når den vej, der normalt forhindrer oxidativt stress, er mangelfuld, eller den DNA-reparationsvej, der normalt reparerer skader forårsaget af oxidativt stress, er mangelfuld.
Ved cancer kan genomisk ustabilitet forekomme før eller som et resultat af transformation [6] . Genomisk ustabilitet kan referere til akkumulering af ekstra kopier af DNA eller kromosomer , kromosomale translokationer , kromosomale inversioner , kromosomale deletioner , enkeltstrengede brud i DNA, dobbeltstrengede brud i DNA, interkalationer af fremmede stoffer i DNA-dobbelthelixen eller evt. patologiske ændringer i den tertiære struktur af DNA, der kan resultere i enten tab af DNA eller fejludtryk af gener . Situationer med genomisk ustabilitet (såvel som aneuploidi ) er udbredt i cancerceller, og de betragtes som et "visitkort" for dem. Den uforudsigelige karakter af disse begivenheder er også en væsentlig bidragyder til de heterogeniteter, der observeres mellem tumorceller.
Det er nu generelt accepteret, at sporadiske tumorer (ikke-familiære) opstår på grund af akkumulering af flere genetiske fejl [7] . I gennemsnit kan bryst- eller tyktarmskræft have fra 60 til 70 proteinmutationsændringer, hvoraf omkring 3 eller 4 kan være "driveren" af mutationen, og resten - "passagererne" af mutationen [8] . Enhver genetisk eller epigenetisk skade vil føre til en stigning i mutationshastigheden, som et resultat - til en stigning i erhvervelsen af nye mutationer, hvilket øger sandsynligheden for tumorudvikling [9] . Om processen med carcinogenese , er det kendt, at diploide celler erhverver mutationer i de gener, der er ansvarlige for at opretholde integriteten af genomet), såvel som i de gener, der direkte styrer celleproliferation [10] . Genetisk ustabilitet kan forekomme på grund af mangler i DNA-reparation eller på grund af tab eller stigning i antallet af kromosomer eller på grund af kromosomomlægninger i stor skala. Tab af genetisk stabilitet vil fremme tumorudvikling, da det favoriserer en generation af mutanter, der kan selekteres i miljøet [11] .
De proteinkodende regioner i det menneskelige genom, samlet omtalt som exome , udgør kun 1,5% af det samlede genom [12] . Som nævnt ovenfor er der normalt kun et gennemsnit på 0,35 exome-mutationer pr. generation (forælder-barn) hos mennesker . I hele genomet (inklusive ikke-kodende regioner) er der kun omkring 70 nye mutationer pr. generation hos mennesker [13] [14] .
Sandsynligvis er den vigtigste årsag til mutationer i cancer DNA- skader [15] . For eksempel, i tilfælde af lungekræft, er DNA-skader forårsaget af midler af eksogen genotoksisk tobaksrøg (fx acrolein, formaldehyd, acrylonitril, 1,3-butadienacetaldehyd, ethylenoxid og isopren) [16] . Endogen (metabolisk-induceret) DNA-skade er også meget almindelig og forekommer i gennemsnit mere end 60.000 gange om dagen i genomerne af menneskelige celler. Eksternt og endogent forårsagede tab kan omdannes til mutationer ved unøjagtig syntese gennem beskadigelse eller unøjagtig DNA-reparation (for eksempel ved at tilføje ikke-homologe slutninger ). Derudover kan DNA-skader også føre til epigenetiske ændringer under DNA-reparation [17] [18] [19] . Både mutationer og epigenetiske ændringer (epimutationer) kan bidrage til udviklingen af kræft.
Som nævnt ovenfor forekommer omkring 3 eller 4 mutationsdrivere og 60 mutationspassagerer i exomet (kodende ( proteinregionen ) af en cancer [8] . Imidlertid forekommer et meget større antal mutationer i ikke-proteinkodende områder af DNA . Gennemsnitligt antal mutationer i en DNA-sekvens er det samlede genom af en brystkræftvævsprøve omkring 20.000 [20] I en gennemsnitlig melanomvævsprøve (hvor melanomer har en højere eksommutationshastighed [8] ), er det samlede antal DNA-sekvenser med mutationer er omkring 80.000 [21] .
Den høje genomomfattende mutationsrate i cancer tyder på, at mangel på DNA-reparation ofte tidligt kan være årsagen til kræftfremkaldende ændringer . Hyppigheden af mutationer stiger signifikant (nogle gange med 100 gange) i celler, der er defekte med hensyn til DNA-reparationsmismatch [ 22] [23] eller i homolog rekombinationel DNA-reparation [24] . Derudover fører kromosomale omlejringer og en stigning i aneuploidi af BLM genet hos en person med en defekt i DNA-reparation [25] til dette .
DNA-reparationsmangel kan i sig selv tillade DNA-skader at akkumulere, og tilbøjelig til syntesefejl gennem beskadigelse i nogle af dem kan føre til mutationer. Derudover kan manglende reparation af disse akkumulerede DNA-skader føre til epigenetiske ændringer eller epimutationer. Mens mutationer eller epimutationer i et DNA-reparationsgen ikke i sig selv har en selektiv fordel, kan for eksempel en reparationsdefekt bæres som passager i en celle, når cellen erhverver en yderligere mutation/epimutation for at give en proliferativ fordel. Celler såsom dem med en proliferativ fordel og en eller flere DNA-reparationsdefekter (der forårsager en høj mutationshastighed) resulterer sandsynligvis i de 20.000 til 80.000 totale genommutationer, der ofte ses i cancer.
I somatiske celler skyldes mangler i DNA-reparation nogle gange mutationer i DNA-reparationsgener, men meget oftere fra epigenetiske reduktioner i ekspressionen af disse gener. Ud af 113 kolorektale cancersekvenser havde kun fire somatiske missense-mutationer i MGMT DNA- reparationsgenet , mens de fleste af disse cancere reducerede MGMT-ekspression på grund af methylering af MGMT -promotorregionen [26] .
Tilsvarende for 119 tilfælde af kolorektal cancer klassificeret som mangelfuld DNA-reparationsmismatch og mangel på PMS2-genekspression, var Pms2 mangelfuld i 6 tilfælde på grund af mutationer i PMS2-genet, mens PMS2-ekspressionen i 103 tilfælde var mangelfuld, fordi dens parrede MLH1-partneren var undertrykt at methylere promotoren (protein (PMS2 er ustabilt i fravær af MLH1) [27] . I yderligere 10 tilfælde skyldtes tab af PMS2-ekspression sandsynligvis epigenetisk overekspression af miRNA, Mir-155, som regulerer MLH1 [28] .
En delvis liste over epigenetiske mangler fundet i DNA-reparationsgener i sporadiske kræftformer omfatter en forekomst mellem 13 % -100 % af epigenetiske defekter i generne: BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 og ATM , inklusive bryst, æggestok, tyktarm, hoved og hals. To eller tre epigenetiske mangler i ekspressionen af ERCC1, XPF og/eller PMS2 har vist sig at forekomme samtidigt i størstedelen af 49 tyktarmskræftformer [29] . Nogle af disse DNA-reparationsmangler kan være forårsaget af epimutationer i miRNA'er.