Kromotripsis
Chromothripsis är en mutationsprocess genom vilken upp till tusentals klustrade kromosomala omarrangemang sker i en enda händelse i lokaliserade och begränsade genomiska regioner i en eller ett fåtal kromosomer , och är känd för att vara involverad i både cancer och medfödda sjukdomar. Det sker genom en massiv genomisk omarrangering under en enda katastrofal händelse i cellens historia. Man tror att för att cellen ska kunna motstå en sådan destruktiv händelse måste förekomsten av en sådan händelse vara den övre gränsen för vad en cell kan tolerera och överleva. Fenomenet chromothripsis motsätter sig den konventionella teorin att cancer är det gradvisa förvärvet av genomiska omarrangemang och somatiska mutationer över tid.
Den enklaste modellen för hur dessa omarrangemang sker är genom samtidig fragmentering av distinkta kromosomala regioner (brytpunkter visar en icke-slumpmässig fördelning) och sedan efterföljande ofullkomlig återmontering av DNA-reparationsvägar eller avvikande DNA-replikationsmekanismer . Chromothripsis inträffar tidigt i tumörutvecklingen och leder till cellulär transformation genom förlust av tumörsuppressorer och onkogenamplifieringar . År 2015 fann man att kromotripis också kan vara botande: en kvinna som hade WHIM (vårtor, hypogammaglobulinemi, infektioner och myelokathexis) syndrom, en extremt sällsynt autosomal dominant kombinerad immunbristsjukdom, fann att hennes symtom försvann under 30-årsåldern efter kromotripomes av kromotrips. 2 raderade sjukdomsallelen.
Chromothripsis är en neologism som kommer från de grekiska orden chromo som betyder färg (och representerar kromosomer eftersom de är starkt färgade av speciella färgämnen) och thripsis som betyder "att splittras i bitar".
Första observationen
Chromothripsis observerades först vid sekvensering av genomet av en kronisk lymfatisk leukemi . Genom parad ändsekvensering hittades 55 kromosomala omarrangemang i den långa armen av kromosom 8 och ett betydande antal omarrangemang hittades i regionerna av kromosomerna 7, 12 och 15. Efterföljande undersökningar med användning av genomomfattande parade sekvensanalys och SNP- sekvensering har hittat liknande mönster av kromotrips i olika humana cancerformer, t.ex. melanom , sarkom och kolorektal- , lung- och sköldkörtelcancer . I efterföljande undersökningar visade cirka 25 % av de studerade skelettcancersjukdomarna tecken på kromotrips. Chromothripsis har kopplats till genereringen av onkogena fusioner i supratentoriellt ependymom , kondromyxoid fibrom och Ewing-sarkom , de två sistnämnda är bentumörer. Chromothripsis har setts i 2–3 % av cancerfallen i alla undertyper.
Karakteristiska egenskaper
- Ett stort antal komplexa omarrangemang i lokaliserade regioner av enkla kromosomer eller kromosomarmar (visas av hög densitet och klustrade brytpunkter) vilket tyder på att kromosomer måste kondenseras t.ex. i mitos för att kromotripis ska uppstå.
- lågt antal kopior - växling mellan 2 tillstånd (ibland 3) vilket tyder på att omarrangemang inträffade under en kort tidsperiod.
- I kromotriptiska områden, en växling av regioner som bibehåller heterozygositet -två kopior (ingen förlust eller vinst), med regioner som har förlust av heterozygositet - en kopia (heterozygot deletion). Detta tyder på att omarrangemang ägde rum vid en tidpunkt då båda föräldrarnas kopior av kromosomen var närvarande och därmed tidigt i utvecklingen av cancercellen . Detta stöder också det faktum att kromotripis inträffar som en katastrofal händelse i cellens historia, eftersom när heterozygositeten väl är förlorad kan den i allmänhet inte återvinnas; därför är det heterozygota tillståndet med två kopior som förekommer i fläckar i hela den kromotriptiska regionen svårt att förklara.
- Flera ytterligare kriterier för slutsatsen av kromotripsis-händelser har beskrivits: klustring av kromosomala brytpunkter; prevalens av omarrangemang som påverkar en enda haplotyp; slumpmässighet av fragmentförband (det vill säga en ungefär lika fördelning av svans-till-huvud, huvud-till-svans, huvud-till-huvud och svans-till-svans segmentella anslutningar som uppstår i samband med kromotripis); och slumpmässig ordning av DNA-fragment längs den resulterande derivatkromosomen. Dessutom, om alla DNA-omarrangemang i en region med kromotrips är detekterbara, kan den relativa ordningen i vilken segmenten förenas rekonstrueras och kromotripshändelser identifieras genom "derivata kromosomvandringar".
Brottning och reparation av kromosomer
Den mest allmänt accepterade och enkla modellen för kromotripis är att inom en enskild kromosom blir distinkta kromosomregioner fragmenterade/sönderslagna nästan samtidigt och sedan återförenas i en felaktig orientering. Deletering av vissa fragment, inklusive deletioner som är några hundra baspar långa , och därmed gensegment är möjlig och följaktligen produktionen av dubbla minutkromosomer . När flera kromosomer är inblandade i kromotripis, sammanfogas fragment av båda kromosomerna genom parad ändförbindning och utbyte av fragment mellan de ursprungliga kromosomerna.
Återförening av fragment kräver mycket minimal eller till och med ingen sekvenshomologi och antyder följaktligen att icke-homologa eller mikrohomologa reparationsmekanismer såsom icke-homolog ändförbindning (NHEJ) och mikrohomologi-medierad brottinducerad reparation (MMBIR) dominerar dubbelsträngad brottreparation och är involverade i modellering det kromotriptiska landskapet, i motsats till homolog rekombination som kräver sekvenshomologi . Sammanfogning av fragment och omarrangemang har också visat sig ske på faderns kromosomer.
Förutom i cancerceller har kromotripsis även rapporterats hos patienter med utvecklings- och medfödda defekter , det vill säga könscellsceller . Genom att använda flera molekylära tekniker av dessa könscellsceller som har förefallit ha genomgått en kromotripsis-liknande process, såväl som inversioner och translokationer , sågs även duplikationer och triplikationer och därmed ökningar i antal kopior . Detta kan tillskrivas replikativa processer som involverar restaurering av kollapsade replikeringsgafflar , såsom gaffelavstängning och mallbytemodell (FoSTES) eller mikrohomologimedierad brytningsinducerad replikering (MMBIR). Detta gör att det verkar vara mer lämpligt att namnge fenomenet "kromoanasyntes" som betyder kromosomrekonstitution snarare än kromotripis. De flesta prover som uppvisar kromotrips som analyseras har dock låga kopiatillstånd och har därför parade ändförbindande dominerande reparationsmekanismer.
Ytterligare studier av kromotrips-händelser och kromotriptiska prover krävs för att förstå den relativa betydelsen av parad ändskarvning och replikativ reparation vid kromotrips.
Mekanism
En av de huvudsakliga egenskaperna hos kromotripis är ett stort antal komplexa omarrangemang som förekommer i lokaliserade regioner av enkla kromosomer. Förmågan att orsaka sådana begränsade skador tyder på att kromosomer måste kondenseras t.ex. i mitos , för att kromotripis och kromosomomläggningar ska initieras.
Mekanismerna för kromotripis är inte väl förstått. Det finns flera idéer om hur kromotripis uppstår. [ citat behövs ]
Mikrokärnor modell
Micronuclei-modellen är den mest accepterade modellen för hur och när brott och reparation i kromotripis inträffar. I cancerceller har fragmentering av kromosomer korrelerats med närvaron av mikrokärnor . Mikrokärnor är strukturer som bildas av mitotiska fel i övergången från metafas till anafas. Celler med defekt kromosomsegregation kommer att bilda mikrokärnor som innehåller hela kromosomer eller fragment av kromosomer. Segregeringen av enkla kromosomer till individuella mikrokärnor förklarar varför DNA-fragmentering isoleras till enstaka kromosomer i kromotripis.
Dessa mikrokärnor genomgår defekt DNA-replikation , vilket är långsammare än DNA-replikation i huvudkärnan och orsakar att ett proximalt DNA-skadesvar (DDR) initieras. DNA-reparation och cellcykelkontrollpunktsaktivering misslyckas dock . Följaktligen blir kromosomer som inte replikeras korrekt i mikrokärnor fragmenterade. Mekanismen genom vilken pulveriseringen av dessa kromosomer sker är inte helt klarlagd, men den tros vara orsakad antingen av avvikande DNA-replikation eller av för tidig kromosomkondensation , vilket innebär att semireplikerade kromosomer komprimeras av cyklinberoende kinasaktivitet . De resulterande fragmenterade kromosomsegmenten kan sammanfogas för att ge upphov till en omarrangerad kromosom, som sedan kan återinföras i huvudkärnan i en dottercell . Den nya kromosomen kan bestå i flera generationer av cellcykeldelningar och bidra till utvecklingen av en cancercell .
Även om mikrokärnmodellen är lämplig, kommer andra faktorer sannolikt att bidra till kromotripis för olika cancergenom.
Joniserande strålning under mitos
Kromosomsplittring utlöses och återmontering av kromosomfragment i omedelbar närhet orsakas av miljöstimuli såsom högenergijoniserande strålning som påträffas under mitos .
Avbruten apoptos
Stressstimuli såsom strålning, näringsbrist eller syrebrist som orsakar apoptos kommer att leda till fragmentering av kromatin och få de flesta celler att apoptosera. En liten delmängd av celler kommer dock att överleva apoptos . Detta klyvda DNA kommer att kräva reparation, och när detta görs felaktigt kommer omarrangemang att införas i kromosomen. Det finns för närvarande spekulationer om att kromotripis kan drivas av virus som y-herpesvirus som orsakar cancer , möjligen genom hämning av apoptos . Denna spekulation kräver dock ytterligare utredning.
Telomer dysfunktion
Telomeriska dubbelsträngade avbrott eller telomer dysfunktion genereras av exogena medel eller replikativ stress. Telomeriska dysfunktioner är kända för att främja kromosomavvikelser associerade med cancerceller. Till exempel kan telomeriska dubbelsträngade avbrott/telomera dysfunktioner orsaka systerkromatid /änd-till-änd-fusion och bildandet av anafasbryggor vilket resulterar i dicentriska kromosomer som kan resultera i ytterligare omarrangemang. Detta är en mer rimlig förklaring eftersom kromotripis har setts mest involvera telomera regioner.
Anlag
Mutationer i TP53-genen kan predisponera en cell för kromotripsis. [ citat behövs ]
Genom genomsekvensering av en Sonic hedgehog medulloblastom (SHH-MB) hjärntumör har ett signifikant samband mellan TP53-mutationer och kromotripsis i SHH-MBs hittats. Ytterligare studier av sambandet mellan TP53 och kromotripis har betytt en roll för p53 , ett tumörsuppressorprotein , i den massiva genomiska omarrangemang som äger rum i kromotripis. Därför finns det ett starkt samband mellan p53-status och kromotripis, vilket ger en inblick i varför vissa cancerformer är mer aggressiva.
Det har också visats att TP53-mutationsinnehållande celler uppvisar en preferens för reparationsmekanismer med låg trohet, såsom icke-homolog ändfogning . TP53-mutationer har också uttryckts i celler som uppvisar kortare [ förtydligande behövs ] och är mer benägna för fusion i slutänden. Det antas också att TP53-mutationer kan vara inblandade i för tidig kromosomkondensation . TP53 kan också bidra till cellers förmåga att överleva den katastrofala händelsen som normalt skulle anses vara för destruktiv för att stå emot.
Samband med cancer
Chromothripsis har setts orsaka onkogenamplifiering , amplifiering av onkogeninnehållande regioner och förlust av tumörsuppressorer .
Kromosomsegregationsfel kan leda till DNA-skador och kromosomavvikelser såsom aneuploidi som är kopplad till tumörutveckling. Bildandet av mikrokärnor sker i allmänhet samtidigt med aneuploidi och aneuploidiceller styrs av mekanismer som involverar p53 . För att mikrokärnor ska gå vidare genom cellcykeln och inducera kromosomskada har minskade nivåer av p53 setts behövas. Genom ytterligare utredning har kromotriptiska tumörer setts uppstå hos patienter med p53-mutationer.
Defekter i DNA-skadarespons kan orsaka ökad frekvens av mikrokärnbildning och därmed uppkomsten av kromotripis. Det finns många exempel på hur DDR-vägar påverkar kromotrips och därmed orsakar tumörutveckling och cancer.
- Blooms syndrom : Mutationer i BLM-genen som kodar för en familj av RecQ DNA-helikaser orsakar ackumulering av mikrokärnor som ger upphov till Blooms syndrom som predisponerar patienter för cancer .
- Fanconi-anemi : Fanconi-anemi är en sjukdom som predisponerar patienter för cancer på grund av dess effekt på DNA-reparationsvägar . Mutationer i FANCM -genen orsakar ökad mikronukleusbildning och därmed extrem kromotripsis.
Förutom celler som omfattar DDR-defekter har de sannolikt undertryckta apoptotiska mekanismer som ytterligare kommer att förstärka förekomsten av mutationer och aneuploidi .
Prognostik och diagnostik
Forskning på patienter med chromothripsis-associerade cancerformer kan ge viss information om prognos. TP53- mutationer och kromotripis har kopplats ihop hos SHH-medulloblastompatienter. Dåliga kliniska resultat i neuroblastom (som de som orsakas av deletion av FANC -genen i Fanconi-anemi) har kopplats till frekvent förekomst av kromotrips. Screening av biopsimaterial för kromotrips kan leda till goda prognosuppskattningar och bättre resultat för patienter. [ citat behövs ]
Etymologi
Termen är en neologism som myntats av forskare vid Wellcome Trust Sanger Institute och kommer från "kromosom" och "thripsis", det grekiska ordet för att bryta något i små bitar.
Kritik
Det påpekades att initiala beräkningssimuleringar som ligger till grund för kromotripsis, som är centrala i teorin, inte nödvändigtvis bevisade förekomsten av en enda händelse, och att kända modeller för progressiv cancerutveckling inte motsäger förekomsten av komplex. omarrangemang. Det har också föreslagits att det inte finns någon enskild traumatisk händelse, utan att upprepade brott-fusion-bro-cykler kan orsaka de komplexa genetiska mönstren.
Experimentella bevis för kromotripis
Under 2015 presenterade flera forskargrupper experimentella bevis för att kromotripis verkligen orsakas av en enda katastrofal händelse. Med hjälp av en kombination av levande cellavbildning och encellsgenomsekvensering av manuellt isolerade celler, visades det att mikrokärnbildning kan generera ett spektrum av genomiska omarrangemang, av vilka några rekapitulerar alla kända egenskaper hos kromotripis. Dessutom visade forskningsstudier som inducerade telomerkriser följt av sekvensering av de resulterande klonerna komplexa DNA-omarrangemang som direkt recapitulerade den enstaka kromosomala katastrofmodellen av kromotripis.
Se även