Что такое гены ответа на повреждение ДНК (DDR)? Их роль при раке и отличие от генов HR

В организме около 37 триллионов человеческих клеток. За исключением эритроцитов, то есть красных кровяных клеток, все они содержат молекулу ДНК. В ДНК заключены основные инструкции жизни, и она постоянно повреждается под действием различных внешних и внутренних факторов. Поскольку ДНК содержит код жизни, ее защита от повреждений и восстановление жизненно важны.

Почему повреждается ДНК?

Повреждение ДНК имеет множество причин: факторы окружающей среды, образ жизни, ожирение, клеточный метаболизм, химические вещества, прежде всего табачный дым, и радиация. Например:

• Клеточные процессы: ошибки при репликации (копировании) ДНК и делении клеток могут повреждать ДНК. Чем чаще делится клетка, тем больше возможностей для ошибок. Наиболее активно делятся эпителиальные и кроветворные стволовые клетки. Эпителиальные клетки связаны с раком молочной железы и кишечника, а кроветворные стволовые клетки — с лейкозами и лимфомами. С возрастом ошибки ДНК, связанные с делением, накапливаются или недостаточно исправляются; поэтому старение — важнейший фактор риска рака.
• Свободные радикалы: образующиеся при клеточном метаболизме свободные радикалы могут вызывать окислительное повреждение ДНК. Предполагается, что ожирение усиливает такое повреждение через клеточный метаболизм.
• Химические вещества: вещества табачного дыма и некоторые промышленные химикаты могут повреждать молекулы ДНК.
• Ультрафиолетовые лучи: ультрафиолетовая (UV) составляющая солнечного света может вызывать димеризацию оснований ДНК.
• Радиация: медицинские процедуры, такие как лучевая терапия, и радиоактивные вещества могут повреждать ДНК.

ДНК и механизмы репарации

Для сохранения целостности ДНК организм располагает различными механизмами ее репарации. Они обнаруживают повреждение, восстанавливают поврежденный участок и обеспечивают правильное сохранение генетической информации. К ним относятся гомологичная рекомбинация (HR), нуклеотидная эксцизионная репарация и эксцизионная репарация оснований. Aziz Sancar удостоен Нобелевской премии по химии за открытия в области нуклеотидной эксцизионной репарации.

Что такое гены DDR?

Гены ответа на повреждение ДНК (DDR = DNA damage response) — группа генов, регулирующих биологические реакции клеток на повреждение ДНК. Они обеспечивают механизмы обнаружения повреждений, предотвращения их распространения и запуска восстановления. Защищая генетический материал клетки, гены DDR контролируют клеточный цикл и при необходимости восстанавливают поврежденную ДНК.

Что такое гены гомологичной рекомбинации (HR)?

Гены гомологичной рекомбинации (HR) — важная часть механизмов репарации ДНК клетки и подгруппа генов DDR. Они играют ключевую роль прежде всего в восстановлении двунитевых разрывов ДНК. В процессе HR поврежденная ДНК восстанавливается по матрице гомологичной хромосомы или сестринской хроматиды. Особенно известны гены HR BRCA1 и BRCA2, играющие важную роль в риске рака молочной железы и яичников.

Дефекты генов HR вызывают состояние, называемое HRD; положительный статус HRD важен для прогнозирования ответа и выбора препаратов, особенно при раке яичников. 

35 генов DDR и их функции репарации

В этом разделе подробно описаны 35 связанных с раком генов DDR и их функции репарации. Эти гены участвуют в эксцизионной репарации оснований, распознавании повреждений, анемии Fanconi, гомологичной рекомбинации, репарации неспаренных оснований, нуклеотидной эксцизионной репарации, ремоделировании хроматина SWI/SNF и сигнальном пути TP53.

Ниже перечислены гены DDR и их функции репарации:

• Эксцизионная репарация оснований (Base excision repair): MUTYH, PARP1
• Распознавание повреждений (Damage sensor): ATM, ATR, CHEK1, CHEK2
• Анемия Fanconi: FANCA, FANCC, FANCG, FANCL, XRCC2
• Гомологичная рекомбинация (HRR): BARD1, BRCA1, BRCA2, BRIP1, NBN, PALB2, RAD51, RAD51B, RAD51C, RAD51D, RAD52, RAD54L
• Репарация неспаренных оснований (Mismatch repair, связана с синдромом Lynch): MLH1, MSH2, MSH3, MSH6, PMS2, 
• Нуклеотидная эксцизионная репарация (Nucleotide excision repair): ERCC4, POLE
• Ремоделирование хроматина SWI/SNF: ARID1A, SMARCA4
• Путь TP53: MDM2, MDM4, TP53

DDR и HR — сходства и различия

Сходства

• Участие в восстановлении повреждений ДНК: и гены HR, и гены DDR участвуют в обнаружении и восстановлении повреждений ДНК.
• Связь с развитием рака: нарушение функции обеих групп генов может увеличивать онкологический риск.
• Участие в клеточном ответе на стресс: обе группы участвуют в стрессовых реакциях клеток и регулируют клеточный цикл в ответ на повреждение ДНК.

Различия

• Механизмы репарации: гены HR восстанавливают прежде всего двунитевые разрывы ДНК путем гомологичной рекомбинации, тогда как гены DDR охватывают более широкий спектр ответа на повреждение ДНК.
• Функциональное разнообразие: гены DDR имеют более разнообразные функции, включая обнаружение повреждений ДНК и передачу сигналов.
• Связь с генетическими заболеваниями: некоторые определенные мутации генов HR непосредственно связаны с конкретными видами рака.

Как исследуют гены DDR?

Для выявления изменений генов DDR применяются разные методы.

1. Иммуногистохимия (ИГХ) и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) — традиционные методы, наряду с которыми применяются более совершенные технологии для обнаружения изменений генов ответа на повреждение ДНК (DDR). Например, «комплексное геномное профилирование» (CGP) используется для определения изменений генов DDR.
2. В последние годы для выявления изменений генов DDR широко применяется технология «секвенирование нового поколения» (NGS). NGS позволяет с высокой точностью определять генетические изменения и стало важным инструментом в этой области.
3. Кроме того, для обнаружения изменений генов DDR используются «количественная полимеразная цепная реакция» (qPCR) и «Саузерн-блоттинг» и другие молекулярные методы.

2 примечательных исследования генов DDR и их результаты

1. Статья: «Genomic and Molecular Landscape of DNA Damage Repair Deficiency across The Cancer Genome Atlas» — Cell Reports, апрель 2018

Основные находки:

• Изменения генов репарации повреждений ДНК (DDR = DNA Damage Repair) распространены при многих видах рака человека.
• Гомологичная рекомбинация (HR) и прямая репарация — наиболее часто измененные процессы.
• Потеря функции DDR связана с частотой и типами геномных аномалий опухолей.
• Изменения функции HR могут быть связаны с лучшими или худшими исходами в зависимости от вида рака.

Ниже представлено графическое резюме этого исследования:

Резюме:

• Соматические изменения генов DDR влияют на риск рака, его прогрессирование и ответ на лечение.
• Мутации и потеря гетерозиготности в генах DDR, таких как TP53 и BRCA1/2, распространены.
• TP53 оказался наиболее часто измененным геном DDR среди всех видов рака (68,1%).
• Эпигенетическое выключение генов прямой репарации, таких как EXO5, MGMT и ALKBH3, встречается примерно в 20% случаев.
• HRD встречается с разной частотой при многих видах рака, особенно яичников.
• Функциональные последствия редких повторяющихся мутаций DDR можно прогнозировать с помощью анализа белковой структуры.
• Новый классификатор на основе машинного обучения разработан для выявления повреждающих мутаций TP53.

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

Основные находки:

• Мутации генов DDR могут увеличивать мутационную нагрузку опухоли (TMB), являющуюся биомаркером прогнозирования пользы иммунотерапии анти-PD-1/PD-L1.
• Необходимо лучше понять связь определенных мутаций DDR с TMB и экспрессией PD-L1 для совершенствования трансляционных стратегий.

Резюме:

• Нарушение регуляции пути DDR — важнейший компонент геномной нестабильности опухоли.
• В исследовании определена частота геномных изменений генов DDR, выбранных в качестве клинически значимых биомаркеров.
• Мутации генов ремоделирования хроматина SWI/SNF ARID1A и SMARCA4 показали значимую связь с высокой TMB при нескольких типах опухолей.
• Мутации гена ATR связаны с высокой TMB при колоректальном раке и раке предстательной железы.
• Связи отдельных мутаций DDR с высокой экспрессией PD-L1 редки и специфичны для типа опухоли.
• Выявлена слабая связь между высокой TMB и высокой экспрессией PD-L1, что подчеркивает их функцию как независимых прогностических биомаркеров.

Оба исследования показывают, что изменения генов DDR существенно влияют на биологию рака и его лечение, а дальнейшее изучение этой области имеет решающее значение для будущего онкологической терапии.

*

Описание изображения: изображение к статье создано Microsoft Copilot по следующему запросу: «Биологические роботы, восстанавливающие ДНК»