ژن‌های پاسخ به آسیب DNA یا DDR چیستند؟ اهمیت در سرطان و تفاوت با ژن‌های HR

در بدن ما حدود 37 تریلیون سلول انسانی وجود دارد و همه سلول‌ها به‌جز اریتروسیت‌ها، یعنی گلبول‌های قرمز، مولکول DNA دارند. این DNA دستورهای بنیادی زندگی را در خود دارد و پیوسته به دلیل عوامل درونی و بیرونی گوناگون آسیب می‌بیند. چون DNA حامل رمز زندگی است، محافظت از آن در برابر این آسیب‌ها و ترمیم آن اهمیتی حیاتی دارد.

چرا DNA آسیب می‌بیند؟

علت‌های متعددی برای آسیب DNA وجود دارد؛ از جمله عوامل محیطی، سبک زندگی، چاقی، فرایندهای متابولیسم سلولی، مواد شیمیایی به‌ویژه دود سیگار و تابش. برای مثال:

• فرایندهای سلولی: خطاهای هنگام همانندسازی (کپی‌شدن) DNA و تقسیم سلولی می‌توانند سبب آسیب DNA شوند. هرچه سلول بیشتر تقسیم شود، بیشتر در معرض خطاست. سلول‌های اپیتلیال و سلول‌های بنیادی خون، بیشترین تقسیم را دارند. سلول‌های اپیتلیال با سرطان پستان و دستگاه گوارش و سلول‌های بنیادی خون با لوسمی‌ها و لنفوم‌ها مرتبط‌اند. با افزایش سن، خطاهای DNA مرتبط با این تقسیم‌ها انباشته می‌شوند یا به‌اندازه کافی ترمیم نمی‌شوند؛ بنابراین سالمندی مهم‌ترین عامل خطر سرطان است.
• رادیکال‌های آزاد: رادیکال‌های آزاد تولیدشده در متابولیسم سلولی می‌توانند به DNA آسیب اکسیداتیو بزنند. تصور می‌شود چاقی با متابولیسم سلولی، ایجاد آسیب اکسیداتیو بیشتر را در پی داشته باشد.
• مواد شیمیایی: مواد شیمیایی دود سیگار یا برخی مواد شیمیایی صنعتی می‌توانند به مولکول‌های DNA آسیب بزنند.
• پرتوهای فرابنفش: بخش فرابنفش (UV) نور خورشید می‌تواند سبب دایمری‌شدن بازهای DNA شود.
• تابش: درمان‌های پزشکی مانند پرتودرمانی یا مواد رادیواکتیو می‌توانند به DNA آسیب برسانند.

DNA و سازوکارهای ترمیم

بدن برای حفظ یکپارچگی DNA، سازوکارهای ترمیمی گوناگون دارد. این سازوکارها آسیب DNA را شناسایی، بخش آسیب‌دیده را ترمیم و حفظ درست اطلاعات ژنتیکی را تضمین می‌کنند. فرایندهایی مانند نوترکیبی همولوگ (HR)، ترمیم برداشت نوکلئوتیدی و ترمیم برداشت باز از سازوکارهای ترمیم هستند. عزیز سانجار به دلیل کشفیات خود در ترمیم برداشت نوکلئوتیدی، شایسته جایزه نوبل شیمی شناخته شد.

ژن‌های DDR چیستند؟

ژن‌های پاسخ به آسیب DNA (DDR= DNA damage response)، گروهی از ژن‌ها هستند که پاسخ‌های زیستی سلول به آسیب DNA را تنظیم می‌کنند. این ژن‌ها سازوکارهای تشخیص آسیب مولکول DNA، جلوگیری از گسترش آسیب و آغاز فرایندهای ترمیم را دربر می‌گیرند. ژن‌های DDR با حفاظت از ماده ژنتیکی سلول، کنترل چرخه سلولی را فراهم می‌کنند و در صورت نیاز DNA آسیب‌دیده را ترمیم می‌کنند.

ژن‌های نوترکیبی همولوگ (HR) چیستند؟

ژن‌های نوترکیبی همولوگ (HR) بخش مهمی از سازوکارهای ترمیم آسیب DNA سلول هستند و زیرگروهی از ژن‌های DDR محسوب می‌شوند. این ژن‌ها به‌ویژه در ترمیم شکست‌های دو‌رشته‌ای DNA نقش حیاتی دارند. فرایند HR شامل ترمیم DNA آسیب‌دیده با استفاده از الگویی از کروموزوم همولوگ یا کروماتید خواهری است. به‌ویژه ژن‌های BRCA1 و BRCA2 از شناخته‌شده‌ترین ژن‌های HR هستند و در خطر سرطان پستان و تخمدان نقشی مهم دارند.

نقص ژن‌های HR وضعیتی به نام HRD ایجاد می‌کند و مثبت‌بودن HRD به‌ویژه در سرطان تخمدان، در پیش‌بینی پاسخ به درمان و انتخاب دارو مهم است. 

35 ژن DDR و کارکردهای ترمیمی آن‌ها

در این بخش، 35 ژن DDR مرتبط با سرطان و کارکردهای ترمیمی آن‌ها توضیح داده شده‌اند. این ژن‌ها در ترمیم برداشت باز، حسگر آسیب، کم‌خونی فانکونی، نوترکیبی همولوگ، ترمیم عدم تطابق، ترمیم برداشت نوکلئوتیدی، بازآرایی کروماتین SWI/SNF و مسیر TP53 نقش دارند.

در ادامه، ژن‌های DDR و کارکردهای آن‌ها در ترمیم فهرست شده‌اند:

• ترمیم برداشت باز (Base excision repair): MUTYH, PARP1
• حسگر آسیب (Damage sensor): ATM, ATR, CHEK1, CHEK2
• کم‌خونی فانکونی: FANCA, FANCC, FANCG, FANCL, XRCC2
• نوترکیبی همولوگ (HRR): BARD1, BRCA1, BRCA2, BRIP1, NBN, PALB2, RAD51, RAD51B, RAD51C, RAD51D, RAD52, RAD54L
• ترمیم عدم تطابق (Mismatch repair، مرتبط با سندرم لینچ): MLH1, MSH2, MSH3, MSH6, PMS2, 
• ترمیم برداشت نوکلئوتیدی (Nucleotide excision repair): ERCC4, POLE
• بازآرایی کروماتین SWI/SNF: ARID1A, SMARCA4
• مسیر TP53: MDM2, MDM4, TP53

DDR و HR – شباهت‌ها و تفاوت‌ها

شباهت‌ها

• نقش در ترمیم آسیب DNA: هر دو گروه ژن‌های HR و DDR در فرایندهای تشخیص و ترمیم آسیب DNA نقش دارند.
• ارتباط با ایجاد سرطان: اختلال عملکرد هر دو گروه ژنی می‌تواند خطر سرطان را افزایش دهد.
• اثرگذاری در پاسخ به استرس سلولی: هر دو گروه ژنی در پاسخ سلول‌ها به استرس نقش دارند و چرخه سلولی را در واکنش به آسیب DNA تنظیم می‌کنند.

تفاوت‌ها

• سازوکارهای ترمیم: ژن‌های HR به‌ویژه شکست‌های دو‌رشته‌ای DNA را از راه نوترکیبی همولوگ ترمیم می‌کنند، در حالی که ژن‌های DDR طیف گسترده‌تری از پاسخ به آسیب DNA را دربر می‌گیرند.
• تنوع عملکردی: ژن‌های DDR کارکردهای متنوع‌تری مانند تشخیص و پیام‌رسانی آسیب DNA دارند.
• ارتباط با بیماری‌های ژنتیکی: برخی جهش‌های مشخص ژن‌های HR مستقیماً با انواع معینی از سرطان مرتبط شده‌اند.

ژن‌های DDR چگونه آزمایش می‌شوند؟

برای شناسایی تغییرهای ژنی DDR از روش‌های مختلف استفاده می‌شود.

1. ایمونوهیستوشیمی (IHK) و هیبریداسیون درجا با فلورسانس (FISH) از روش‌های سنتی هستند؛ افزون بر آن‌ها، فناوری‌های پیشرفته‌تر نیز برای شناسایی تغییرهای ژن‌های پاسخ به آسیب DNA (DDR) به کار می‌روند. برای نمونه، «پروفایل‌سازی جامع ژنومی (Comprehensive Genomic Profiling)» (CGP) روشی برای شناسایی تغییرهای ژن‌های DDR است.
2. در سال‌های اخیر، برای شناسایی تغییرهای ژن‌های DDR، فناوری «توالی‌یابی نسل جدید» (next-generation sequencing، NGS) به‌طور گسترده استفاده می‌شود. NGS روشی است که تغییرهای ژنتیکی را با حساسیت بالا شناسایی می‌کند و به ابزاری مهم در این زمینه تبدیل شده است.
3. همچنین برای شناسایی تغییرهای ژن‌های DDR از روش‌های مولکولی مانند «واکنش زنجیره‌ای پلیمراز کمی» (quantitative polymerase chain reaction، qPCR) و «ساترن بلات» (Southern blotting) استفاده می‌شود.

2 پژوهش قابل‌توجه درباره ژن‌های DDR و نتایج آن‌ها

مقاله 1.: «Genomic and Molecular Landscape of DNA Damage Repair Deficiency across The Cancer Genome Atlas» – Cell Reports، آوریل 2018

یافته‌های مهم:

• تغییرهای ژن‌های ترمیم آسیب DNA (DDR= DNA Damage Repair) در بسیاری از سرطان‌های انسان شایع‌اند.
• نوترکیبی همولوگ (HR) و ترمیم مستقیم، فرایندهایی هستند که بیشتر تغییر می‌کنند.
• از دست رفتن عملکرد DDR با فراوانی و انواع ناهنجاری‌های ژنومی سرطان ارتباط دارد.
• تغییرهای عملکرد HR بسته به نوع سرطان می‌توانند با پیامدهای بهتر یا بدتر مرتبط باشند.

در ادامه، خلاصه تصویری این مطالعه دیده می‌شود:

خلاصه:

• تغییرهای سوماتیک ژن‌های DDR بر خطر سرطان، پیشرفت و پاسخ به درمان اثر می‌گذارند.
• جهش و از دست رفتن هتروزیگوسیتی در ژن‌های DDR مانند TP53 و BRCA1/2 شایع است.
• TP53 در میان تمام سرطان‌ها، ژن DDR با بیشترین تغییر بود (68,1%).
• خاموشی اپی‌ژنتیکی در ژن‌های ترمیم مستقیم مانند EXO5، MGMT و ALKBH3 با فراوانی حدود 20% یافت می‌شود.
• HRD در بسیاری از سرطان‌ها، به‌ویژه سرطان تخمدان، با فراوانی‌های متفاوت وجود دارد.
• پیامدهای عملکردی جهش‌های نادر و تکرارشونده DDR را می‌توان با تحلیل‌های مبتنی بر ساختار پروتئین پیش‌بینی کرد.
• طبقه‌بندی‌کننده تازه مبتنی بر یادگیری ماشین برای شناسایی جهش‌های زیان‌آور TP53 توسعه یافته است.

مقاله 2.: «Relationship among DDR Gene Mutations, TMB and PD-L1 in Solid Tumour Genomes Identified Using Clinically Actionable Biomarker Assays» – Nature Precision Oncology، اکتبر 2023

یافته‌های مهم:

• جهش‌های ژنی DDR می‌توانند بار جهشی تومور (TMB) را افزایش دهند؛ زیست‌نشانگری که سود درمانی ایمنی‌درمانی‌های ضد PD-1/PD-L1 را پیش‌بینی می‌کند.
• ارتباط جهش‌های مشخص DDR با TMB و بیان PD-L1 باید برای بهبود راهبردهای ترجمانی بهتر درک شود.

خلاصه:

• بی‌نظمی مسیر DDR بخش مهمی از بی‌ثباتی ژنومی تومور است.
• این مطالعه فراوانی تغییرهای ژنومی را در ژن‌های DDR انتخاب‌شده به‌عنوان زیست‌نشانگرهای مهم بالینی تعیین کرده است.
• جهش در ژن‌های بازآرایی کروماتین SWI/SNF، یعنی ARID1A و SMARCA4، در چند نوع تومور ارتباط معناداری با TMB بالا نشان داد.
• جهش‌های ژن ATR با TMB بالا در سرطان کولورکتال و پروستات مرتبط بودند.
• ارتباط میان جهش‌های منفرد DDR و بیان بالای PD-L1 نادر و وابسته به نوع تومور است.
• ارتباط ضعیفی میان TMB بالا و بیان بالای PD-L1 یافت شد که بر عملکرد آن‌ها به‌عنوان زیست‌نشانگرهای پیش‌بینی‌کننده مستقل تأکید می‌کند.

این دو مطالعه نشان می‌دهند تغییرهای ژن‌های DDR اثرهای مهمی در زیست‌شناسی و درمان سرطان دارند و پژوهش‌های این زمینه برای آینده درمان سرطان اهمیتی حیاتی دارند.

*

توضیح تصویر: تصویر مقاله به‌وسیله Microsoft Copilot با دستور زیر ساخته شده است: «ربات‌های زیستی که DNA را ترمیم می‌کنند»