Замена нуклеотидов и точечные мутации при раке

Обновлено: 18.05.2024

Сигнальный путь EGFR и мутации генов семейства RAS при колоректальном раке

Постоянная активация сигнального каскада рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) является одной из ведущих причин опухолевой трансформации и прогрессии.

Причинами подобной активации могут быть:

Увеличение количества молекул рецептора на мембране клеток.
Мутации в структуре рецептора, позволяющие ему генерировать сигнал без участия лиганда.
Мутации других генов-участников каскада, способных активировать его вне зависимости от статуса EGFR.

Для колоректального рака характерны 1 и 3 пути активации.

Блокада сигнального каскада EGFR с помощью моноклональных антител, связывающихся с рецептором, показала высокую клиническую эффективность при целом ряде опухолей, в том числе при колоректальном раке. Однако использование этих препаратов в неселектированной группе больных приводило к ответу на лечение лишь у 25% пациентов.

Первоначальный молекулярный анализ образцов пациентов, участвовавших в исследованиях OPUS и CRYSTAL, показал, что существенную роль в резистентности опухоли к терапии моноклональными антителами играют мутации гена KRAS, одного из участников внутриклеточной части сигнального каскада EGFR.

Однако дальнейшие исследования показали, что не меньшее значение в определении полноты противоопухолевого ответа играют и другие участники сигнального пути, начинающегося с рецептора EGFR: гены RAS-RAF-MEK-ERK-МАРК.

Сигнальный путь RAS

В RAS-зависимом сигнальном пути ключевую роль играют белки семейства RAS. Фиксированные на внутренней стороне клеточной мембраны, белки RAS являются первыми членами каскада киназ, которые приводят к активации сигнальных путей и транскрипции генов, регулирующих дифференцировку и пролиферацию клетки.

Роль белка RAS в сигнальном пути EGFR

Семейство генов RAS (Retrovirus Associated DNA Sequences) включает 3 гена: KRAS, HRAS, NRAS. Первые два гена получили название от своих гомологов, выделенных из линий вирусов мышиной саркомы Kirsten и Harvey, последний был идентифицирован в клеточной линии нейробластомы. Три гена кодируют четыре варианта протеинов - два типа KRAS, А и В (наиболее часто распространенный), и по одному типу HRAS и NRAS.4 Все они относятся к белкам, связывающим энергетическую молекулу ГТФ. RAS-белки могут существовать в двух формах: неактивной, GDP- и активной, GTP-связанной. Благодаря собственной GTP-азной активности, а также под действием факторов обмена (Sos и др.), белок RAS циклически переходит из GTP-связанной активной формы в GDP-связанную неактивную и обратно.

Нормальный RAS находится преимущественно в неактивной, GDP-связанной форме. Активация RAS регулируется рецепторной тирозинкиназой EGFR. После связывания рецепторной внеклеточной части тирозинкиназы с фактором роста и ее димеризации происходит взаимное фосфорилирование ее внутриклеточных доменов. Фосфорилирование создает активную конформацию киназы. Образование активного комплекса RAS-GTP происходит в присутствии активирующего GTP-азу белка GAP, в сотни раз ускоряющего гидролиз. После гидролитического превращения GTP в GDP RAS снова инактивируется. Сигнал прерывается. Чтобы воспринять новый сигнал, если он еще существует вне клетки, цикл реактивации должен быть повторен.

Таким образом, каскадная последовательность реакций сигнального пути RAS действует как включатель, определяющий регуляцию генной экспрессии, требующуюся для реализации деления или дифференцировки клетки.

Нарушение систем передачи сигнала и канцерогенез

RAS-белки часто упоминают как протоонкогенные продукты: их постоянная активация ведет к злокачественному перерождению клеток. Характерный механизм перерождения RAS - точечные мутации в соответствующих генах. Наиболее частыми онкогенными мутациями генов всего семейства RAS являются мутации в 12 и 61 кодонах.

Мутации в гене KRAS в опухолях толстой кишки встречаются в 30-60% случаев. Наиболее часто мутации KRAS определяются в экзоне 2, кодонах 12 и 13. Однако описаны мутации в экзоне 3, кодоне 61, и в экзоне 4, кодонах 117 и 146. Мутации в гене NRAS (в идентичных экзонах и кодонах) при КРР составляют до 5%. Мутации в гене HRAS при аденокарциноме толстой кишки не описаны.

Мутации генов семейства RAS при злокачественных опухолях
(по базе данных COSMIC)

Орган	Тип опухоли	Мутации (%)
Орган	Тип опухоли	HRAS	KRAS	NRAS
Колоректальный рак	Аденокарцинома	0	42	5
Желчные пути	Аденокарцинома	0	35	2
Мочевой пузырь	Уротелиальная карцинома	12	4	2
Печень	Гепатоцеллюлярный рак	0	4	4
Легкое	Крупноклеточный рак	4	21	4
Легкое	Аденокарцинома	0	16	1
Поджелудочная железа	Протоковая аденокарцинома	0	69	1
Поджелудочная железа	Эндокринные опухоли	0	1	75
Кожа	Меланома	1	2	20

Точечные мутации онкогенов RAS при мКРР

Значение различных мутаций RAS

Как уже говорилось выше, при колоректальном раке почти 90% всех нарушений представляют собой точечные замены одного нуклеотида на другой во втором экзоне генов KRAS и NRAS, в последовательностях, кодирующих 12 и 13 аминокислоты. В норме в обеих позициях располагается глицин, единственная аминокислота, не имеющая боковой цепи. Любое изменение этой последовательности приводит к замене глицина на разветвленные аминокислоты, что ведет к нарушению пространственной конформации протеина. В результате этого блокируется способность специальных белков инактивировать комплекс RAS с ГТФ путем гидролиза энергетической молекулы. Сигнал начинает передаваться от активированного RAS к другим участникам каскада независимо от статуса EGFR.

Около 10% мутаций этой гена в колоректальных опухолях происходят в 3 и 4 экзонах, с одинаковой частотой в 61 и 146 кодонах и крайне редко - в 117 кодоне. Мутации, затрагивающие 61 кодон, нарушают водородные связи между RAS и белками-инактиваторами, приводя к тому же эффекту, что и при нарушениях в 12 и 13 кодонах гена. Мутации 146 кодона не сопровождаются существенными изменениями активности протеина.

Тем не менее, эти мутации оказывают свое негативное воздействие в результате накопления дефектного белка на фоне аллельного дисбаланса - увеличения копийности мутантного гена или перехода его в гомозиготное состояние, что весьма характерно для опухолей с мутациями генов семейства RAS.

Возрастающая роль сигнального пути RAS в индивидуализированной терапии мКРР

Самым известным биомаркером в таргетной анти-EGFR терапии пациентов c мКРР является статус мутаций кодонов 12 и 13 гена KRAS. Доказано, что активация KRAS за счет мутации сводит на нет эффект ингибирования EGFR моноклональными антителами. Таким образом, наличие мутантных аллелей гена KRAS является независимым предсказательным маркером эффективности терапии ингибиторами EGFR. Поэтому панитумумаб и цетуксимаб назначают только больным мКРР с диким типом гена KRAS.

Влияние дополнительных мутаций гена KRAS и новых мутаций гена NRAS, а также мутаций гена BRAF на эффективность таргетной терапии ингибиторами EGFR изучалось в исследованиях с панитумумабом и цетуксимабом пациентов мКРР:

Анализ мутаций генов KRAS/NRAS и мутации гена BRAF в исследовании 3 фазы PRIME: комбинации панитумумаб+FOLFOX4 в сравнении с FOLFOX4 в 1-й линии терапии метастатического колоректального рака
Oliner K, Douillard JY, Siena S, et al. Analysis of KRAS/NRAS and BRAF mutations in the phase III PRIME study of panitumumab (pmab) plus FOLFOX versus FOLFOX as first-line treatment (tx) for metastatic colorectal cancer (mCRC). ASCO 2013 (poster discussion): 3511
Анализ мутаций генов RAS/RAF в исследовании 2 фазы PEAK: комбинации панитумумаба с mFOLFOX6 в сравнении с бевацизумабом в комбинации с mFOLFOX6 в 1-й линии терапии пациентов с метастатическим колоректальным раком с WTKRAS
Schwartzberg LS, Rivera F, Karthaus M, et al. PEAK (study 20070509): A randomized phase II study of mFOLFOX6 with either panitumumab (pmab) or bevacizumab (bev) as first-line (tx) in patients (pts) with unresectable wild type (WT) KRAS metastatic colorectal cancer (mCRC). J Clin Oncol 2013; 30 (Suppl 34): 446
Анализ влияния мутаций генов семейства RAS (2 экзона KRAS и других RAS-мутаций) в исследовании CRYSTAL: комбинации цетукпсимаба с FOLFIRI в сравнении с FOLFIRI в 1-й линии терапии пациентов с метастатическим колоректальным раком на выживаемость пациентов без прогрессии и общую выживаемость
Van Cutsem et al. Fluorouracil, leucovorin, and irinotecan plus cetuximab treatment and RAS mutations in colorectal cancer. J Clin Oncol. 2015 Mar 1; 33(7): 692-700

Все исследования показали, что, несмотря на то, что индивидуализация терапии антителами по статусу генов семейства RAS предусматривает сужение круга пациентов (примерно 50/50 вместо 60/40 при отборе только лишь по статусу 2 экзона гена KRAS), пациенты с диким типом генов KRAS и NRAS в опухоли получат максимальную пользу от терапии антителами в комбинации со стандартной химиотерапией, по сравнению с пациентами без мутаций гена KRAS во 2 экзоне. Пока нет достаточных доказательств негативного влияния мутаций генов BRAF, PI3K, PTEN и других участников сигнального пути RAS-RAF-MEK-ERK-МАРК по результатам крупных проспективных рандомизированных исследований, однако не исключено, что появление таких исследований вновь существенно изменит наши представления о группе пациентов, для которых применение анти-EGFR антител окажется наиболее выгодным.

В связи с этим целью программы является максимально широкое внедрение генетического тестирования при колоректальном раке в ежедневную практику онкологов, как одного из важнейших условий проведения современной эффективной терапии у целевой группы пациентов.

Генетические маркеры

Все изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, независимо от локализации и влияния на жизнеспособность клетки, - мутации. Нейтральные мутации или полиморфизмы - последовательности ДНК, не приводящие к заметным нарушениям функций.

Существуют две классификации мутаций (Strachan T., Read A., 2003). Одна базируется на функциональной характеристике и не рассматривает характер самой мутации. Вторая классифицирует мутации по структурным изменениям в ДНК и РНК.

Функциональная классификация подразделяет мутации:

связанные с потерей функции белка;
связанные с приобретением новой аномальной функции белка;
в регуляторных областях гена, приводящие к количественным изменениям первичного белкового продукта.

Структурная классификация выделяет следующие типы:

нонсенс-мутация - изменение в нуклеотидной последовательности ДНК кодирующей области гена, приводящее к возникновению стоп-кодона и преждевременному прекращению синтеза белка;
миссенс-мутация - изменение в нуклеотидной последовательности ДНК кодирующей области гена, приводящее к изменению одной аминокислоты, что не нарушает процесс синтеза белка;
мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания белка и возникновению стоп-кодона на некотором расстоянии от самой мутации, что приводит к преждевременной терминации синтеза белка. Мутации сдвига рамки считывания вызываются делециями и инсерциями, не кратными трем (кодон = 3) нуклеотидам;
мутации в сайтах сплайсинга приводят к тому, что нарушается процессинг мРНК, что ведёт к: а) делеции всего или части экзона; б) обычно удаляемые интронные области могут стать смысловыми. Такая патология приводит к сдвигу рамки считывания и появлению стоп-кодона. В результате белковый продукт гена не только укорачивается, но и может оказаться совершенно аномальным.

Для злокачественных опухолей характерны все типы мутаций. Высокоинформативными структурными ДНК-маркерами, позволяющими проводить раннюю диагностику опухолевого процесса, определять прогноз развития заболевания и подбирать наиболее эффективные варианты терапии, являются характерные нарушения нуклеотидной последовательности белок-кодирующих генов в некоторых типах опухоли.

ДНК-диагностика мутаций может быть косвенной и прямой (Strachan T., Read A., 2003).

При прямой диагностике предметом анализа являются мутации гена. Прямые методы возможны лишь при наличии информации об экзон-интронной организации или полноразмерной нуклеотидной последовательности ДНК гена.

ПЦР с использованием определенного фермента гидролиза ДНК возможна при стандартной мутации с изменением сайта рестрикции, если без изменения сайта рестрикции - аллель-специфическая ПЦР.

Определение нуклеотидной последовательности фрагмента ДНК, показавшего аномальную электрофоретическую подвижность, и заключительным этапом анализа мутаций является их секвенирование. Прямое секвенирование позволяет с 100% эффективностью определить мутацию.

В косвенной диагностике мутаций используются несколько методов. Наиболее просто при электрофоретическом анализе обнаруживаются мутации, изменяющие длину амплифицированных фрагментов ДНК.

Для выявления точковых мутаций, небольших делеций и инсерций в исследуемых генах используется множество различных подходов, основанных на методе полимеразной цепной реакции. При ПЦР возможно многократно увеличить уникальную последовательность ДНК, а затем проанализировать её на наличие мутации.

Метод конформационного полиморфизма однонитевой ДНК (SSCP) - один из наиболее простых в исполнении высокочувствительных методов поиска однонуклеотидных замен в исследуемом участке геномной ДНК. Оптимальный размер исследуемого фрагмента ДНК 200-250 п.н., при котором вероятность обнаружения мутаций составляет 70-95%.

Вероятность идентификации точковых мутаций методом гетеродуплексов достигает 80-90% при длине фрагментов ДНК не более 300 п.н. Метод основан на том, что за счет конформационных особенностей в местах несовпадения нуклеотидов электрофоретическая подвижность гетеродуплексов, образующихся при комплиментарном взаимодействии мутантной и нормальной ДНК отличается от подвижности гомодуплексов нормальных фрагментов ДНК.

Наиболее распространенным способом скрининга мутаций, позволяющим выявить точковые мутации почти в 100% случаев и не требующим больших затрат времени, считается комбинация анализа гетеродуплексов и метода однонитевого конформационного полиморфизма.

Мутации при раке

Тело человека состоит примерно из 37 триллионов клеток. Информация о строении и функциях каждой из них закодирована в ДНК. Любая злокачественная опухоль является результатом нарушения работы тех или иных генов, а главная причина этого кроется в мутациях. Некоторые из них человек получает с рождения, и они присутствуют во всех клетках тела. А некоторые возникают уже в течение жизни под влиянием тех или иных факторов — эти мутации будут обнаруживаться только в потомках той клетки, в которой изначально возникла «поломка».

На этой странице мы собрали всю информацию о генетических нарушениях, связанных с онкологическими заболеваниями, представленную на нашем сайте.

Как часто в клетках тела человека происходят мутации?

Мутагенез — процесс непрерывный. Он происходит на всех этапах развития любого организма: в половых клетках, с самых первых дней существования эмбриона и на протяжении всей жизни. К счастью, далеко не все мутации вредны. Многие из них нейтральные (то есть не приносят ни вреда, ни пользы), а некоторые даже дают организму определенные преимущества.

Мутации — это главный двигатель эволюции живых организмов. В 2018 году были опубликованы результаты исследования, во время которого ученые обнаружили, что у 20-летних людей на одну клетку слизистой оболочки пищевода в среднем приходится по 100 мутаций, а у людей более старшего возраста — по 2000. Большинство из них не опасны, но некоторые затрагивают онкогены.

Чаще всего рак связан именно с соматическими, приобретенными, мутациями. Согласно современным представлениям, наследственные мутации ответственны за развитие лишь 5-10% онкопатологий. А по результатам исследования, опубликованного в 2020 году, наследственные мутации, связанные с раком, встречаются у каждого восьмого онкологического больного.

Почему мутации приводят к онкологическим заболеваниям?

Конечно же, далеко не все мутации и далеко не во всех генах приводят к развитию онкологических заболеваний. Чтобы нормальная клетка стала злокачественной, нарушения должны произойти в определенных генах:

Протоонкогены

Это гены, которые в результате мутаций способны превращаться в онкогены. В свою очередь, онкогены — это дефектные гены, которые способствуют развитию злокачественной опухоли, например, путем бесконтрольного размножения клеток. Характерный пример — EGFR.

Гены-супрессоры опухолевого роста

В норме они «сдерживают» клетки и не дают им стать злокачественными. Когда в этих генах возникают мутации, они перестают выполнять свои функции. Например, к этой категории относится ген TP53, кодирующий белок p53.

Гены репарации ДНК

Чаще всего их относят к генам-супрессорам опухолевого роста, но иногда выделяют в отдельную группу. Белки, кодируемые этими генами, исправляют «ошибки», возникающие в ДНК. Например, продукты генов BRCA1 и BRCA2 восстанавливают двухцепочечные разрывы в ДНК путем гомологичной рекомбинации — процесса, при котором поврежденная хромосома использует свою «сестру-близнеца» в качестве шаблона для репарации. Когда эти гены перестают правильно работать из-за мутаций, ДНК не может нормально восстанавливаться, и в ней накапливается еще больше повреждений.

Что способствует развитию мутаций, которые приводят к раку?

Мутации, связанные с онкозаболеваниями, бывают двух основных видов. Наследственные мутации происходят в половых клетках, и затем они будут присутствовать во всех клетках тела ребенка. Соматические мутации присутствуют только в клетках, в которых они изначально возникли, и в их потомках — например, только в злокачественной опухоли.

Обычно, чтобы нормальная клетка превратилась в злокачественную, в ней должен возникнуть целый набор мутаций. В каждом конкретном случае невозможно точно сказать, что именно послужило причиной. Скорее всего, единой причины и нет. На организм человека постоянно действует множество факторов, и многие из них могут способствовать поломкам в генах.

Вот список некоторых распространенных факторов риска, способствующих развитию рака:

Некоторые инфекции, например, ВПЧ

Неблагоприятная экологическая ситуация, воздействие вредных веществ на работе

Пол — многие онкологические заболевания чаще встречаются у мужчин или женщин

Семейный анамнез: рак у близких родственников

Большое количество красного и обработанного мяса (говядина, свинина, баранина, фастфуд, сосиски и колбасы, бекон и пр.)

Распространенные мутации при раке

Мутации в гене EGFR — белка-рецептора эпидермального фактора роста, который находится на поверхности клеток и активирует их размножение

T790M — один из вариантов мутации в гене EGFR

Мутации в гене ROS1 — белка, который встроен в клеточную мембрану и передает сигналы, играющие роль в росте и дифференцировке клеток

Мутации в гене BRAF. Белок, который он кодирует, участвует в регуляции делений клеток путем активации специфического сигнального пути.

Слияние генов с участием NTRK — когда из двух генов получается “неправильный”, гибридный. Гены NTRK кодируют белки Trk, которые выполняют разные функции, в том числе защищают клетки от апоптоза.

Мутации в гене ALK — белка, встроенного в клеточную мембрану, который передает сигналы, связанные с ростом, миграцией клеток, образованием новых кровеносных сосудов

Мутации в генах BRCA — белков, которые помогают восстанавливать ДНК, когда в обеих ее цепочках происходят разрывы

Мутации в генах RAS — белков, которые передают сигналы внутри клеток и регулируют клеточные деления. Семейство RAS включает три гена: KRAS, NRAS и HRAS.

Мутации в PIK3CA — гене, который кодирует белок PI3K, участвующий в регуляции важных процессов в клетках

Мутации в HRR — группе генов, продукты которых участвуют в репарации ДНК при двухцепочечных разрывах

Мутации в TP53 — гене, кодирующем белок p53, «страж генома», который останавливает размножение клеток с поврежденной ДНК и «приказывает» им совершить «самоубийство».

Результатом некоторых мутаций может стать микросателлитная нестабильность — состояние, при котором нарушается восстановление ДНК, и она приобретает повышенную склонность к мутациям.

Почему важно изучать мутации при онкологических заболеваниях?

Для врачей-онкологов важно знать, какие мутации произошли в раковых клетках у конкретного пациента. Это помогает решать важные задачи:

судить о степени агрессивности рака, выстраивать прогноз;
определять тип, подтип некоторых злокачественных опухолей;
подбирать наиболее эффективные противоопухолевые препараты;
назначать персонализированную терапию при запущенном раке, когда не помогают стандартные схемы лечения из протоколов.

Выявление мутаций, связанных с раком, у здоровых людей помогает оценивать риск развития онкологического заболевания, проводить профилактику и решать, кому назначать дополнительные скрининговые исследования.

А ученым знания о мутациях в опухолевых клетках помогают создавать новые лекарства.

Как определяют мутации при раке?

В федеральной сети клиник экспертной онкологии «Евроонко» доступны все современные исследования для выявления мутаций при раке:

Что такое эпигенетические изменения, и какую роль они играют в онкологии?

Не меньшую (а может быть, даже и более важную) роль, чем мутации, в развитии рака играют эпигенетические изменения. Этим термином называют такие модификации, которые не меняют последовательность генетического кода, но влияют на активность генов.

Чаще всего встречаются две разновидности эпигенетических изменений (но есть и другие):

Метилирование ДНК — присоединение к ее определенным участкам метильных групп. Чаще всего они заставляют «молчать» определенные гены. В норме у человека метилирован 1% всего генома. В некоторых раковых клетках этот показатель ниже. За счет этого в них могут «включаться» онкогены.
Модификации гистонов. ДНК организована таким образом, что напоминает бусы — эта структура называется нуклеосомой. В качестве бусинок выступают особые белки — гистоны. Они обмотаны нитями ДНК и влияют на активность генов. Даже небольшие изменения в гистонах могут сильно повлиять на регуляцию работы генов, заставить некоторые из них «замолчать» или, напротив, активировать.

Эпигенетика — очень интересная наука. Возможно, со временем она поможет ученым создать еще больше эффективных препаратов для лечения рака.

Почему у многих курильщиков не развивается рак легких? 20 апреля 2022

С возрастом у людей накапливается много мутаций, способных привес. 27 декабря 2021

Как родинка превращается в меланому? 08 декабря 2021

Лечение пациентов проводится в соответствии со стандартами и рекомендациями наиболее авторитетных онкологических сообществ. «Евроонко» является партнёром Фонда борьбы с раком. ВНИМАНИЮ ПАЦИЕНТОВ: Рекомендации по лечению даются только после консультации у специалиста. Ваши персональные данные обрабатываются на сайте в целях его корректного функционирования. Если вы не согласны с обработкой ваших персональных данных, просим вас покинуть сайт. Оставаясь на сайте, вы даёте согласие на обработку ваших персональных данных.

Сведения и материалы, размещенные на сайте , подготовлены исключительно в информационных целях и не являются медицинской консультацией или заключением. Авторы информационных материалов сайта не могут гарантировать применимость такой информации для целей третьих лиц и не несут ответственности за решения третьих лиц и связанные с ними возможные прямые или косвенные потери и/или ущерб, возникшие в результате использования информации или какой-либо ее части, содержащейся на сайте.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ТОЧЕЧНЫЕ МУТАЦИИ. ПАТОЛОГИИ, ВЫЗВАННЫЕ ИМИ. ПЕРСПЕКТИВЫ РЕДАКТИРОВАНИЯ ГЕНОМА.

1 Тюменский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской федерации

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Проблема наследственных заболеваний существовала всегда. Миллионы людей страдают из-за ошибок в своих генах. Современная медицина способна помочь в некоторых случаях облегчить их состояние, но в корне изменить ситуацию - пока невозможно, хотя это становится все ближе и ближе с каждым днем.

Одной из причин наследственных заболеваний являются точечные мутации, происходящие на уровне гена. Гипотез об их возникновении достаточно много, но точного ответа дать невозможно, если рассматривать, что причинами могут стать множество факторов.

Патологии, вызванные точечными мутациями, могут быть смертельными. Поэтому крайне важно найти способ устранения мутаций. И одним из таких способов может стать редактирование генома.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ МУТАЦИЙ. ПАТОЛОГИИ

Точечная мутация - это мутация в ДНК или РНК, характеризующаяся заменой одного азотистого основания на другое. Различают транзицию и трансверсию. Транзиция - это замена одного пуринового основания на другое (например, аденин на гуанин), либо одного пиримидинового на другое пиримидиновое (например, цитозин на тимин). Трансверсия - это замена пиримидинового основания на пуриновое, либо наоборот (например, аденин на тимин). Точечные мутации сдвига рамки чтения гена классифицируют на делеции и инсерции. Делеция — в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов. Инсерция — в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов.

По эффекту, оказываемому изменением нуклеотида на триплет, точечные мутации делятся на: сайленс-мутации, нонсенс-мутации и миссенс-мутации. При сайленс-мутации кодон продолжает кодировать ту же аминокислоту из-за такого свойства генетического кода как вырожденность, что не несет последствий. При остальных мутациях возникают патологии.

В результате нонсенс-мутации происходит преждевременная терминация (появляется стоп-кодон) синтеза определенного белка. Такие мутации приводят к следующим заболеваниям из-за нарушения кодирования специфических белков:

Муковисцидоз (кистозный фиброз) - заболевание, обусловленное мутацией гена трансмембранного регулятора муковисцидоза. Характеризуется поражением желез внешней секреции и органов дыхания;

Миодистрофия Дюшенна - заболевание, обусловленное мутацией в гене, который кодирует белок дистрофин. Основное проявление - слабость мышц, из-за этого нарушения осанки и движений;

Бета-талассемия (β-глобин) - заболевание, в основе которого лежит снижение синтеза полипептидных цепей, входящих в структуру нормального гемоглобина. Из-за мутации нарушается синтез эритроцитов, что может привести к анемии;

Синдром Гурлер - лизосомная болезнь накопления. Проявляется в виде различных дефектов костной, хрящевой, соединительной тканей.

В результате миссенс-мутации кодон начинает кодировать другую аминокислоту. Различают приемлемые, частично приемлемые и неприемлемые миссенс-мутации в зависимости от свойств измененных протеинов. Патологии, вызванные миссенс-мутациями:

Боковой амиотрофический склероз - неизлечимое дегенеративное заболевание центральной нервной системы, при котором поражаются двигательные нейроны, что приводит к параличам и атрофии мышц;

Серповидно-клеточная анемия - наследственное нарушение структуры изменения гемоглобина, в молекуле которого в β-цепи в шестом положении вместо глутаминовой кислоты находится валин. У людей с заболеванием наблюдатеся повышенное разрушение эритроцитов и кислородная недостаточность;

Синдром Марфана - наследственная патология соединительной ткани, вызванная мутацией гена, кодирующего синтез гликопротеина;

Гипофосфатазия - жизнеугрожающее заболевание, характеризующее нарушением минерализации костей скелета и зубов и системными осложнениями. Вызвано мутацией в гене тканенеспецифичной щелочной фосфатазы.

Точечные мутацию могут возникать в процессе репликации ДНК, репарации ДНК и транскрипции. А также причиной могут стать мутагены. Например, воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучения, химические вещества и высокая температура. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственная причина образования мутаций замены оснований — спорадические ошибки ДНК-полимераз.

Точечные мутации представляют собой достаточно серьезные причины ряда заболеваний, некоторые из которых являются смертельными. Это в свою очередь требует поиска возможных методов для устранения мутаций, для устранения патологии и нормального существования человека без заболевания.

И один из таких методов уже существует, и является достаточно перспективным, так как в будущем может стать действенным оружием против заболеваний, удаляя из организма дефектные гены.

CRISPR/Cas9 — это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. Бактериальная ДНК состоит из ряда одинаковых повторов CRISPR, между которыми располагаются спейсеры - отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК, которые соответствуют вирусам (бактериофагам), атакующим эти бактерии. Попавший в клетку вирус опознается специализированными Cas-белками (CRISPR-associated sequence — последовательность, ассоциированная с CRISPR), связанными с CRISPR РНК. Если в спейсере есть информация о данном вирусе, то Cas-белки разрезают чужеродную ДНК, уничтожая ее. Данные о новом побежденном вирусе бактерия сохраняет, вставляя в CRISPR-кассету, фрагменты вирусной ДНК становятся спейсерами.

В начале 2013 года группы ученых показали, что данная система может работать не только в клетках бактерий, но и в клетках высших организмов, что дало толчок к пониманию, что CRISPR/Cas-системы могут стать основой для лечения наследственных заболеваний человека, исправляя ошибки в последовательности генов.

В основе метода, применяемого для человеческого организма, будет лежать принцип комплементарности. То есть на месте вырезанного фрагмента одной цепи ДНК участок будет достраиваться по правилу Чаргаффа.

2012 году группы Шарпентье и Дженнифер Дудны из Университета Беркли опубликовали статью о том, что можно перепрограммировать систему CRISPR/Cas так, что она сможет целенаправленно разрезать участки ДНК, выбранные учеными. Таким образом, белок Cas9 становится «молекулярным скальпелем», который с помощью введенных в организм специально созданных РНК-гидов, последовательность которых совпадает с искомыми местами, вносит разрыв в нужное место генома.

С помощью системы можно делать мультикомплексное редактирование генома, достаточно ввести разные РНК-гиды, которые направят Cas9-белки к собственным мишеням, и вместе они устранят проблему.

На метод возлагают большие надежды.

Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии. Кроме лечения генных заболеваний, он поможет избавиться от некоторых инфекционных болезней, например, малярии. А также уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов.

Однако в данный момент метод пока подходит для лечения моногенных заболеваний, природа которых ясна и понятна. А для заболеваний типа алкоголизм и шизофрения существует множество вариаций генов и их проявлений. Кроме этого, в геноме может существовать множество вариантов последовательностей-мишеней, а система просто закроет глаза на несходства, и проявится нецелевая активность, неправильное узнавание, разрезание и редактирование. И непонятен сценарий, по которому идет репарация в клетке. Поэтому задача усложняется. Но ученые ведут исследования и вполне возможно, что в скором времени все генетические заболевания станут излечимыми благодаря данному методу.

С развитием знаний о нашей генетике в будущем станет возможным не только исправлять генетические дефекты, но и задавать желаемый цвет глаз и волос, улучшать физические и умственные способности, исправлять иммунитет человека, делать его устойчивым к множеству заболеваний.

Важным применением технологии CRISPR/Cas9 становится применение ее в генной терапии лечения наследственных заболеваний уже у взрослых организмов. У лабораторных мышей она уже вылечила наследственную мышечную дистрофию. С помощью метода можно вылечить и рак.

Тарасов В. А. Молекулярные механизмы репарации и мутагенеза. — М.: Наука, 1982.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. — М.: «Мир», 1993.

Ершов А. (2016). «Просто это очень красиво». Константин Северинов о новом типе CRISPR-систем и последних трендах в редактировании геномов. Сайт N+1

Немудрый А. А., Валетдинова К. Р., Медведев С. П., Закиян С. М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas — инструменты открытий // Acta Naturae. — 2014. — № 3 (22).

Введение: Мутации - изменения генотипа, которые происходят под влиянием факторов внешней и внутренней сред. Наследуются и передаются из поколения в поколение, и не имеют направленного характера. Генные мутации возникаю чаще, чем хромосомные и геномные, но менее значительно меняют структуру ДНК.

Актуальность: В связи с тем, что генные мутации являются самыми распространёнными, необходимо иметь представление о генных мутациях, видах и механизмов их возникновения.

Цель данной работы является изучение в теоретических источниках информации о генных мутациях и их влияния на ген.

Задача: изучить генные мутации, их влияние на гены, а также последствия, к которым они приводят.

Генные мутации - это изменения последовательности нуклеотидов одного гена, приводящие к возникновению новых видов его аллелей. Причинами мутаций являются выпадение, удвоение, вставка, замена или перестановка нуклеотидов. В результате чего изменяется порядок генов, и становиться не возможным правильный синтез белка.

Генные мутации имеют ряд особенностей:

способность преобратиться по наследству;

могут спровоцировать трансформацию генетических сведений;

в ряде случаев изменения могут быть нейтральными;

определенный ген может мутировать в несколько разных состояний.

Значимость генных мутаций для жизнеспособности организма неодинакова. Различные изменения в нуклеотидной последовательности ДНК по-разному проявляются в фенотипе. Некоторые «молчащие мутации» не оказывают влияния на структуру и функцию белка. Примером такой мутации может служить замена нуклеотидов, не приводящая к замене аминокислот.

По функциональному значению выделяют генные мутации:

ведущие к полной потере функции;

в результате которых происходят количественные изменения мРНК и первичных белковых продуктов;

доминантно-негативные, изменяющие свойства белковых молекул таким образом, что они оказывают повреждающее действие на жизнедеятельность клеток.

По месту локализации различают:

Миссенс-мутациисвязаны с заменой нуклеотидов в кодирующей части гена. Проявляется в виде замены аминокислоты в белке. В зависимости от природы аминокислот и функциональной значимости нарушенного участка, наблюдается полная или частичная потеря функциональной активности белка.

Нонсенс мутации - замена 1 нуклеотида в триплете на другой приведет к тому, что генетически значащий триплет превратится в стоп кодон, что приводит к обрыву синтеза полипептидной цепи белка.

Сеймсенс мутации - замена нуклеотида в триплете приводит к появлению триплета-синонима, который кодирует тот же самый белок. Это связано с вырожденностью генетического кода.

Сплайсинговые мутациизатрагивают сайты на стыке экзонов и интронов и сопровождаются либо вырезанием экзона и образованием делегированного белка, либо вырезанием интронной области и трансляцией бессмысленного измененного белка. Как правило, такие мутации обусловливают тяжелое течение болезни.

Регуляторные мутациисвязаны с количественным нарушением в регуляторных областях гена. Они не приводят к изменениям структуры и функции белков. Фенотипическое проявление таких мутаций определяется пороговым уровнем концентрации белка, при котором еще сохраняется его функция.

Динамические мутации или мутации экспансиипредставляют собой патологическое увеличение числа тринуклеотидных повторов, локализованных в кодирующих и регуляторных частях гена. Многие тринуклеотидные последовательности характеризуются высоким уровнем популяционной изменчивости. Фенотипическое нарушение проявляется в случае превышения определенного критического уровня по числу повторов.

Механизмы возникновения генных мутаций (замена, вставка, выпадение).

ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей. Сначала изменение возникает в 1-й цепи ДНК - это полумутационное состояние или “первичное повреждение ДНК”.

Когда повреждение переходит на вторую цепь ДНК то, говорят о том, что произошла фиксация мутации, то есть возникла “полная мутация”.

Первичные повреждения ДНК возникают при нарушении механизмов репликации, транскрипции, кроссинговера.

Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Такие болезни называются генными или моногенными. К моногенным заболеваниям относятся: гемофилия, фенилкетонурия, нейрофиброматоз, муковисцедоз, миопатия Дюшенна—Беккера и многие другие.

Заключение:

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, однако встречаются довольно часто. В результате генных мутаций происходят выпадение, удвоение, вставка, замена или перестановка нуклеотидов, изменения свойств и функций гена.

Список использованной литературы:

Клиническая генетика : учебник / Н. П. Бочков, В. П. Пузырев, С. А. Смирнихина ; под ред. Н. П. Бочкова. 2013. 582 с.

Генетика человека с основами медицинской генетики : учеб. для студ. учреждений сред. проф. учеб. заведений, 2012. — 240 с.

Читайте также: