Instabilitatea genomică ( în engleză instabilitate genomică ) (de asemenea, „instabilitatea genetică” ( în engleză instabilitate genetică ) sau „instabilitatea genomului” ( în engleză Genome instability )) este determinată de frecvența mare a mutațiilor în genomul liniei celulare. Aceste mutații pot include modificări ale secvenței de acid nucleic , rearanjamente cromozomiale sau aneuploidie . Instabilitatea genomică este un factor central în carcinogeneză [1] , dar și un factor în unele boli neurodegenerative precum scleroza laterală amiotrofică sau boala neuromusculară distrofia miotonică .
Sursele instabilității genomice au fost elucidate abia recent. Frecvența ridicată a leziunilor ADN-ului cauzate extern [2] poate fi una dintre sursele de instabilitate genomică, deoarece deteriorarea ADN-ului poate duce la sinteza inexactă prin deteriorare sau repararea erorilor care duc la mutație. O altă sursă de instabilitate genomică poate fi reducerea epigenetică sau mutațională a expresiei genelor de reparare a ADN -ului . Deoarece deteriorarea ADN-ului endogene (indusă de metabolism) este atât de comună, care apare în medie de peste 60.000 de ori pe zi în genomul celulelor umane , orice reducere a reparării ADN-ului este probabil să fie o sursă importantă de instabilitate genomică.
În general, toate celulele unui individ dintr-o specie dată (plantă sau animal) prezintă un număr constant de cromozomi , care formează ceea ce este cunoscut sub numele de cariotipul care definește acea specie, deși unele specii prezintă o variabilitate destul de mare în cariotip. La om , mutațiile care ar schimba aminoacidul unei proteine din regiunea codificatoare a genomului apar în medie doar 0,35 generații (mai puțin de o proteină mutantă pe generație) [3] .
Uneori, la speciile cu un cariotip stabil, pot fi observate modificări aleatorii care modifică numărul normal de cromozomi. În alte cazuri, există modificări structurale ( translocații cromozomiale , deleții ...) care modifică setul standard de cromozomi. În aceste cazuri, este indicat că organismul afectat prezintă instabilitate genomică (de asemenea , instabilitate genetică , sau chiar instabilitate cromozomială ). Procesul de instabilitate genomică are ca rezultat adesea o situație de aneuploidie , în care celulele au un număr de cromozomi peste sau sub normal pentru specie.
Din aproximativ 200 de tulburări neurologice și neuromusculare, 15 au o asociere clară cu un defect ereditar sau dobândit în una dintre căile de reparare a ADN-ului sau stresul oxidativ genotoxic excesiv [4] [5] . Cinci dintre ele ( pigmentosa piele uscată , sindromul Cockayne , tricotiodistrofia , sindromul Down și sindromul triplu au un defect în excizia căii de reparare a ADN-ului nucleotid. Șase ( ataxie spinocerebeloasă cu neuropatie axonală 1, boala Huntington , boala Alzheimer , Boala Parkinson , sindromul Down și scleroza laterală amiotrofică ) pare să fie rezultatul stresului oxidativ crescut și al incapacității căii de reparare a exciziei subiacente de a procesa deteriorarea ADN-ului. Patru dintre acestea ( boala Huntington , diverse ataxii spinale și cerebeloase , ataxia lui Friedreich și miotonă ). distrofia tipurile 1 și 2) au adesea secvențe repetitive de mărire neobișnuită în ADN, care pot fi atribuite instabilității genomice. Patru ( ataxie telangiectazie , ataxie telangiectazie ca tulburare, sindromul de afectare Nijmegen și boala Alzheimer ) sunt defecte ale genelor implicate în dublarea ADN-ului. repararea ruperii firelor. Stresul este principala cauză a instabilității genomice a creierului. Bolile neurologice rare apar atunci când calea care previne în mod normal stresul oxidativ este deficitară sau calea de reparare a ADN-ului care repara în mod normal daunele cauzate de stresul oxidativ este deficitară.
În cancer , instabilitatea genomică poate apărea înainte sau ca urmare a transformării [6] . Instabilitatea genomică se poate referi la acumularea de copii suplimentare de ADN sau cromozomi , translocații cromozomiale , inversiuni cromozomiale , ștergeri cromozomiale , rupturi monocatenar în ADN, rupturi dublu -catenar în ADN, intercalări de substanțe străine în dublu helix ADN sau orice alte modificări patologice în structura terțiară a ADN-ului care pot duce fie la pierderea ADN-ului, fie la exprimarea greșită a genelor . Situațiile cu instabilitate genomică (precum și aneuploidie ) sunt larg răspândite în celulele canceroase și sunt considerate o „carte de vizită” pentru acestea. Natura imprevizibilă a acestor evenimente este, de asemenea, o contribuție majoră la eterogenitățile observate între celulele tumorale.
Acum este general acceptat că tumorile sporadice (non-familiale) apar din cauza acumulării mai multor erori genetice [7] . În medie, cancerul de sân sau de colon poate avea între 60 și 70 de modificări mutaționale de proteine, dintre care aproximativ 3 sau 4 pot fi „motorul” mutației, iar restul – „pasagerii” mutației [8] . Orice deteriorare genetică sau epigenetică va duce la o creștere a ratei mutațiilor, ca urmare - la o creștere a achiziției de noi mutații, crescând probabilitatea dezvoltării tumorii [9] . Despre procesul de carcinogeneză se știe că celulele diploide dobândesc mutații în genele responsabile de menținerea integrității genomului), precum și în genele care controlează direct proliferarea celulară [10] . Instabilitatea genetică poate apărea din cauza deficiențelor în repararea ADN-ului, sau din cauza pierderii sau creșterii numărului de cromozomi sau din cauza rearanjamentelor cromozomiale la scară largă. Pierderea stabilității genetice va promova dezvoltarea tumorii, deoarece favorizează o generație de mutanți care pot fi selectați în mediu [11] .
Regiunile de codificare a proteinei ale genomului uman, denumite colectiv exom , reprezintă doar 1,5% din totalul genomului [12] . După cum s-a menționat mai sus, există de obicei doar o medie de 0,35 mutații ale exomului pe generație (părinte-copil) la oameni . În întregul genom (inclusiv regiunile necodante), există doar aproximativ 70 de mutații noi pe generație la oameni [13] [14] .
Probabil că principala cauză a mutațiilor în cancer este deteriorarea ADN-ului [15] . De exemplu, în cazul cancerului pulmonar, deteriorarea ADN-ului este cauzată de agenți ai fumului de tutun genotoxic exogen (de exemplu, acroleină, formaldehidă, acrilonitril, 1,3-butadienă acetaldehidă, oxid de etilenă și izopren) [16] . De asemenea, leziunile endogene (induse metabolic) ale ADN-ului sunt foarte frecvente, apărând în medie de peste 60.000 de ori pe zi în genomul celulelor umane. Pierderile cauzate extern și endogen pot fi convertite în mutații prin sinteză inexactă prin deteriorare sau reparare inexactă a ADN-ului (de exemplu, prin adăugarea de terminații non-omoloage ). În plus, deteriorarea ADN-ului poate duce și la modificări epigenetice în timpul reparării ADN-ului [17] [18] [19] . Atât mutațiile, cât și modificările epigenetice (epimutații) pot contribui la dezvoltarea cancerului.
După cum s-a menționat mai sus, aproximativ 3 sau 4 mutații și 60 de pasageri de mutație apar în exom (codificarea ( regiunea proteică ) a unui cancer [8] .Cu toate acestea, un număr mult mai mare de mutații apar în regiunile ADN care nu codifică proteine . Numărul mediu de mutații într-o secvență de ADN, genomul total al unei probe de țesut de cancer de sân este de aproximativ 20.000 [20] Într-o probă medie de țesut de melanom (unde melanoamele au o rată mai mare de mutație a exomului [8] ), numărul total de secvențe de ADN cu mutații este de aproximativ 80.000 [21] .
Rata ridicată a mutațiilor la nivelul genomului în cancer sugerează că, adesea la început, lipsa reparării ADN-ului poate fi cauza modificărilor cancerigene . Frecvența mutațiilor crește semnificativ (uneori de 100 de ori) în celulele care sunt defecte în ceea ce privește nepotrivirea reparației ADN [ 22] [23] sau în repararea ADN-ului recombinațional omolog [24] . În plus, rearanjamentele cromozomiale și o creștere a aneuploidiei genei BLM la o persoană cu un defect în repararea ADN-ului [25] duc la aceasta .
Deficiența de reparare a ADN-ului , în sine, poate permite acumularea daunelor ADN și predispus la erori de sinteză prin deteriorarea unora dintre ele, poate duce la mutații. În plus, eșecul de a repara aceste daune acumulate de ADN poate duce la modificări epigenetice sau epimutații. În timp ce mutațiile sau epimutațiile dintr-o genă de reparare a ADN-ului nu au, prin ele însele, un avantaj selectiv, de exemplu, un defect de reparare poate fi transportat ca pasager într-o celulă atunci când celula dobândește o mutație/epimutare suplimentară pentru a oferi un avantaj proliferativ. Celulele precum cele cu un avantaj proliferativ și unul sau mai multe defecte de reparare a ADN-ului (care provoacă o rată mare de mutație) au ca rezultat probabil cele 20.000 până la 80.000 de mutații totale ale genomului observate adesea în cancer.
În celulele somatice, deficiențele în repararea ADN-ului rezultă uneori din mutații ale genelor de reparare a ADN-ului, dar mult mai des din reduceri epigenetice ale expresiei acestor gene. Astfel, din 113 secvențe de cancer colorectal , doar patru au avut mutații somatice missense în gena de reparare a ADN-ului MGMT , în timp ce majoritatea acestor cancere au redus expresia MGMT datorită metilării regiunii promotorului MGMT [26] .
În mod similar, pentru 119 cazuri de cancer colorectal clasificate ca nepotrivire deficitară de reparare a ADN-ului și lipsa expresiei genei PMS2, Pms2 a fost deficitar în 6 cazuri din cauza mutațiilor genei PMS2, în timp ce în 103 cazuri expresia PMS2 a fost deficitară deoarece perechea sa, partenerul MLH1 a fost reprimat. pentru a metila promotorul (proteina (PMS2 este instabilă în absența MLH1) [27] . În alte 10 cazuri, pierderea expresiei PMS2 s-a datorat probabil supraexprimării epigenetice a miARN, Mir-155, care reglează MLH1 [28] .
O listă parțială a deficiențelor epigenetice găsite în genele de reparare a ADN-ului în cancerele sporadice include o incidență între 13% -100% a defectelor epigenetice ale genelor: BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 și ATM , inclusiv sân, ovar, colon, cap și gât. Două sau trei deficiențe epigenetice în exprimarea ERCC1, XPF și/sau PMS2 s-au dovedit a apărea simultan în majoritatea a 49 de cancere de colon [29] . Unele dintre aceste deficiențe de reparare a ADN-ului pot fi cauzate de epimutații în miARN.