Ce sunt genele de răspuns la leziunile DNA (DDR)? Importanța în cancer și diferențele față de genele HR

În corpul nostru există aproximativ 37 de bilioane de celule umane și, cu excepția eritrocitelor, adică globulele roșii, toate celulele conțin molecula DNA . Acest DNA cuprinde instrucțiunile fundamentale ale vieții și este lezat continuu de diverși factori externi și interni. Deoarece DNA poartă codul vieții, protejarea și repararea sa împotriva acestor leziuni sunt vitale.

De ce este lezat DNA?

Există numeroase cauze ale leziunilor DNA: factori de mediu, stil de viață, obezitate, procese ale metabolismului celular, substanțe chimice, în special cele din fumat, și radiații. De exemplu:

• Procese celulare: Erorile apărute în replicarea (copierea) DNA și în diviziunea celulară pot provoca leziuni DNA. Cu cât o celulă se divide mai mult, cu atât este mai expusă erorilor. Celulele care se divid cel mai mult sunt cele epiteliale și celulele stem sanguine. Celulele epiteliale sunt asociate cancerelor mamare și intestinale, iar celulele stem sanguine leucemiilor și limfoamelor. Odată cu înaintarea în vârstă, erorile DNA legate de diviziunea celulară se acumulează sau nu sunt reparate suficient; de aceea, vârsta înaintată este cel mai important factor de risc pentru cancer.
• Radicali liberi: Radicalii liberi formați în metabolismul celular pot produce leziuni oxidative ale DNA. Se consideră că obezitatea determină mai multe leziuni oxidative prin metabolismul celular.
• Substanțe chimice: Substanțele chimice din fumul de țigară sau unele substanțe industriale pot deteriora moleculele DNA.
• Raze ultraviolete: Componenta ultravioletă (UV) a luminii solare poate provoca dimerizarea bazelor din DNA.
• Radiații: Tratamente medicale precum radioterapia sau substanțele radioactive pot produce leziuni DNA.

DNA și mecanismele de reparare

Pentru a păstra integritatea DNA, organismul dispune de diverse mecanisme de reparare. Acestea detectează leziunile DNA, repară regiunea afectată și asigură păstrarea corectă a informației genetice. Printre mecanisme se numără recombinarea omoloagă (HR), repararea prin excizia nucleotidelor și repararea prin excizia bazelor. Aziz Sancar a primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru descoperirile privind repararea prin excizia nucleotidelor.

Ce sunt genele DDR?

Genele de răspuns la leziunile DNA (DDR= DNA damage response) sunt un grup de gene care reglează răspunsurile biologice ale celulelor la leziunile DNA. Aceste gene cuprind mecanisme ce detectează leziunile moleculei DNA, împiedică extinderea lor și inițiază repararea. Protejând materialul genetic al celulelor, genele DDR asigură controlul ciclului celular și repară DNA lezat atunci când este necesar.

Ce sunt genele de recombinare omoloagă (HR)?

Genele de recombinare omoloagă (HR) reprezintă o parte importantă a mecanismelor celulare de reparare a DNA și sunt un subgrup al genelor DDR. Ele au roluri esențiale mai ales în repararea rupturilor dublului lanț DNA. Procesul HR presupune repararea DNA lezat folosind un șablon provenit din cromozomul omolog sau dintr-o cromatidă soră. BRCA1 și BRCA2 sunt printre cele mai cunoscute gene HR și au un rol important în riscul de cancer mamar și ovarian.

Defectele genelor HR produc starea numită HRD iar pozitivitatea HRD este importantă pentru prezicerea răspunsului la tratament și alegerea medicamentelor, în special în cancerul ovarian. 

35 de gene DDR și funcțiile lor de reparare

Această secțiune detaliază 35 de gene DDR asociate cancerului și funcțiile lor de reparare. Ele participă la repararea prin excizia bazelor, detectarea leziunilor, anemia Fanconi, recombinarea omoloagă, repararea nepotrivirilor, repararea prin excizia nucleotidelor, remodelarea cromatinei SWI/SNF și calea TP53 .

Mai jos sunt enumerate genele DDR și funcțiile lor de reparare:

• Reparare prin excizia bazelor (Base excision repair): MUTYH, PARP1
• Detector de leziuni (Damage sensor): ATM, ATR, CHEK1, CHEK2
• Anemie Fanconi: FANCA, FANCC, FANCG, FANCL, XRCC2
• Recombinare omoloagă (HRR): BARD1, BRCA1, BRCA2, BRIP1, NBN, PALB2, RAD51, RAD51B, RAD51C, RAD51D, RAD52, RAD54L
• Repararea nepotrivirilor (Mismatch repair, asociată sindromului Lynch): MLH1, MSH2, MSH3, MSH6, PMS2, 
• Reparare prin excizia nucleotidelor (Nucleotide excision repair): ERCC4, POLE
• Remodelarea cromatinei SWI/SNF: ARID1A, SMARCA4
• Calea TP53: MDM2, MDM4, TP53

DDR și HR – Asemănări și diferențe

Asemănări

• Rol în repararea leziunilor DNA: Atât genele HR, cât și genele DDR participă la detectarea și repararea leziunilor DNA.
• Asociere cu dezvoltarea cancerului: Disfuncția oricărui grup de gene poate determina creșterea riscului de cancer.
• Implicare în răspunsul la stres celular: Ambele grupuri participă la răspunsurile celulare la stres și reglează ciclul celular ca reacție la leziunile DNA.

Diferențe

• Mecanisme de reparare: Genele HR repară în special rupturile dublului lanț DNA prin recombinare omoloagă, în timp ce genele DDR cuprind un spectru mai larg al răspunsului la leziunile DNA.
• Diversitate funcțională: Genele DDR au funcții mai variate, precum detectarea și semnalizarea leziunilor DNA.
• Asociere cu boli genetice: Unele mutații specifice ale genelor HR au fost asociate direct anumitor tipuri de cancer.

Cum sunt testate genele DDR?

Pentru identificarea modificărilor genelor DDR sunt utilizate diverse metode.

1. Imunohistochimia (IHK) și hibridizarea fluorescentă in situ (FISH) sunt tehnici tradiționale, alături de care sunt utilizate tehnologii mai avansate pentru detectarea modificărilor genelor de răspuns la leziunile DNA (DDR). De exemplu, „Comprehensive Genomic Profiling” (CGP) este o metodă utilizată pentru identificarea modificărilor genelor DDR.
2. În ultimii ani, pentru detectarea modificărilor genelor DDR este utilizată pe scară largă tehnologia "next-generation sequencing" (NGS) . NGS este o tehnică ce poate identifica modificările genetice cu sensibilitate ridicată și a devenit un instrument important în acest domeniu.
3. De asemenea, pentru identificarea modificărilor genelor DDR sunt folosite și tehnici moleculare precum "quantitative polymerase chain reaction" (qPCR) și "Southern blotting" .

2 cercetări remarcabile despre genele DDR și rezultatele lor

1. Articol: "Genomic and Molecular Landscape of DNA Damage Repair Deficiency across The Cancer Genome Atlas" - Cell Reports, aprilie 2018

Constatări importante:

• Modificările genelor de reparare a leziunilor DNA (DDR= DNA Damage Repair) sunt frecvente în multe tipuri de cancer uman.
• Recombinarea omoloagă (HR) și repararea directă sunt procesele cel mai frecvent modificate.
• Pierderea funcției DDR este legată de frecvența și tipurile anomaliilor genomice ale cancerului.
• Modificările funcției HR pot fi asociate cu rezultate mai bune sau mai slabe, în funcție de tipul cancerului.

Mai jos este prezentat rezumatul grafic al acestui studiu :

Rezumat:

• Modificările somatice ale genelor DDR influențează riscul de cancer, progresia și răspunsul la tratament.
• Mutațiile și pierderea heterozigozității sunt frecvente în gene DDR precum TP53 și BRCA1/2.
• TP53 a fost gena DDR cel mai frecvent modificată în toate cancerele (68,1%).
• Reducerea epigenetică la tăcere a genelor de reparare directă, precum EXO5, MGMT și ALKBH3, apare în aproximativ 20% dintre cazuri.
• HRD este prezentă cu frecvențe diferite în multe cancere, în special în cancerul ovarian.
• Consecințele funcționale ale mutațiilor DDR rare și recurente pot fi prezise prin analize bazate pe structura proteinelor.
• Un nou clasificator bazat pe învățare automată a fost dezvoltat pentru identificarea mutațiilor TP53 nocive.

2. Articol: "Relationship among DDR Gene Mutations, TMB and PD-L1 in Solid Tumour Genomes Identified Using Clinically Actionable Biomarker Assays" - Nature Precision Oncology, octombrie 2023

Constatări importante:

• Mutațiile genelor DDR pot crește încărcătura mutațională tumorală (TMB) , un biomarker care prezice beneficiul terapeutic al imunoterapiilor anti-PD-1/PD-L1.
• Relația dintre anumite mutații DDR, TMB și expresia PD-L1 trebuie înțeleasă mai bine pentru îmbunătățirea strategiilor translaționale.

Rezumat:

• Dereglarea căii DDR este o componentă esențială a instabilității genomice tumorale.
• Studiul a determinat frecvențele modificărilor genomice în genele DDR selectate ca biomarkeri importanți clinic.
• Mutațiile genelor de remodelare a cromatinei SWI/SNF ARID1A și SMARCA4 au prezentat o asociere semnificativă cu TMB ridicat în mai multe tipuri tumorale.
• Mutațiile genei ATR au fost asociate cu TMB ridicat în cancerele colorectale și de prostată.
• Asocierile dintre mutațiile DDR individuale și expresia PD-L1 ridicată sunt rare și specifice tipului tumoral.
• S-a identificat o asociere slabă între TMB ridicat și expresia PD-L1 ridicată, subliniind funcționarea lor ca biomarkeri predictivi independenți.

Cele două studii arată că modificările genelor DDR au efecte importante asupra biologiei și tratamentului cancerului și că cercetările în acest domeniu sunt esențiale pentru viitorul terapiei oncologice.

*

Explicația imaginii: Imaginea articolului a fost creată de Microsoft Copilot cu următoarea instrucțiune: "Roboți biologici care repară DNA"