Под термином «мутация» в онкологии и гематологии обычно понимаются такие варианты нуклеотидных последовательностей, отличные от референсных, которые характерны только для опухолевого процесса и имеют клиническую значимость.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это генетический материал клетки, который содержится в хромосомах и расположен в ядре клетки и митохондриях.
РНК (рибонуклеиновая кислота) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
За исключением определенных клеток (сперматозоидов, яйцеклеток и эритроцитов), ядро клетки человека содержит 46 хромосом (23 пары). Каждая хромосома содержит много различных генов.
Ген — это участок ДНК, содержащий код для построения молекул белка или РНК.
РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК для программирования синтеза белков.
Молекула ДНК представляет собой длинную закрученную двойную спираль, напоминающую спиральную лестницу. В ней две нити, состоящие из молекул углевода (дезоксирибозы) и фосфата, соединены парами из четырех молекул, называемых основаниями, которые образуют ступеньки лестницы. На этих ступеньках аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. Каждая пара оснований удерживается вместе водородной связью. Ген состоит из последовательности оснований. Последовательность трех оснований кодирует определенную аминокислоту или другую информацию. Аминокислоты являются строительными кирпичиками белков.
Соматические и герминальные мутации
Мутации, если речь идет о ЗНО (злокачественных новообразованиях), делятся на два основных типа в зависимости от наследуемости:
• соматические (приобретенные, характерные для опухоли);
• герминальные (наследуемые).
Герминальные патогенные мутации возникают в половых клетках и наследуются в последующих поколениях. Такие наследственные мутации обнаруживаются во всех клетках организма, а для их диагностики чаще всего используется венозная кровь пациента. Доля герминальных патогенных мутаций в общей популяции невелика, но в некоторых онкологических нозологиях частота встречаемости патогенных мутаций, формирующих наследственные онкологические синдромы, может составлять 5–15 %.
Соматические мутации могут возникать в любых клетках организма, за исключением яйцеклеток и сперматозоидов, и не наследуются в следующих поколениях. Для диагностики соматических мутаций используются непосредственно опухолевые клетки.
Генные, хромосомные и геномные мутации
В зависимости от размера изменений в ДНК мутации подразделяются на:
• генные или точечные;
• хромосомные;
• геномные.
Генные мутации
Генные мутации возникают внутри одного гена. Для обнаружения генных мутаций наиболее эффективен метод NGS (секвенирование нового поколения), но также иногда может быть использован и более старый метод секвенирования по Сэнгеру.
Структурно генные мутации делят на:
1. Замену нуклеотида:
а. синонимичная замена — не приводит к замене аминокислоты, но может вызвать нарушения в сплайсинге мРНК.
б. несинонимичная замена — приводят к замене аминокислоты, при этом замена аминокислоты не всегда ведет к изменениям в структуре белка.
2. Инсерции (вставку) нуклеотида / нуклеотидов;
3. Делеции (выпадение) нуклеотида.
По эффекту, который генные мутации оказывают на триплет (комбинацию из 3-х нуклеотидов, кодирующих 1 аминокислоту), выделяют:
1. Сайленс-мутации — не приводят к изменениям в белковой структуре клетки и фенотипе организма. Часто такими мутациями выступают синонимичные замены, однако в некоторых случаях сайленс-мутацией может быть несинонимичная замена, не вызывающая изменений в структуре и функции белка.
2. Миссенс-мутации — наиболее частый вариант несинонимичных замен.
3. Фреймшифт-мутации — приводят к сдвигу рамки считывания, в результате чего последовательность нуклеотидов в гене прочитывается неверно. К таким мутациям относятся инсерции и делеции менее трех нуклеотидов.
4. Нонсенс-мутации — один из вариантов несинонимичной замены, который способствует появлению стоп-кодона, на котором происходит преждевременный обрыв синтеза белка.
5. Мутации сайта сплайсинга — один из вариантов несинонимичной замены, который происходит на интрон-экзонной границе и влекут за собой изменения в сплайсинге незрелой пре-мРНК, при которых происходит потеря экзона или включение интрона.
Хромосомные мутации
Хромосомные мутации затрагивают несколько белок-кодирующих генов и включают изменения в структуре целой хромосомы. В результате выделяют следующие мутации:
1. Транслокация — фрагмент одной хромосомы встраивается в новое положение на другой хромосоме.
2. Делеция — выпадение участка хромосомы.
3. Дупликация — создаются дополнительные копии генов на хромосоме.
4. Инверсия — отдельный участок хромосомы встраивается обратно в противоположном направлении. При этом перицентрическая инверсия происходит на участке центромеры, а парацентрическая инверсия на коротком либо длинном плече хромосомы.
5. Изохромосома — удвоение короткого либо длинного плеча хромосомы.
6. Вариации числа копий (copy number variation, CNV) (выделяют отдельной группой) — явление при котором в геноме повторяются хромосомные сегменты размером от 1 тыс. до нескольких млн. пар оснований. Мутации CNV возникают в результате несбалансированных хромосомных перестроек, таких как делеции и дупликации.
Анализ хромосомных мутаций с помощью NGS затруднителен из‑за небольших размеров прочтений последовательности ДНК. Поэтому данный метод для выявления хромосомных мутаций рекомендуется использовать в сочетании с другими (цитогенетическими, молекулярно-цитогенетическими, секвенированием третьего поколения — TGS), а также использовать при обработке полученных данных дополнительные алгоритмы анализа.
Геномные мутации
Геномные мутации влекут за собой изменения в числе хромосом. При этом различают:
1. полиплоидию — кратное увеличение гаплоидного набора хромосом;
2. анеуплоидию — некратное изменение числа хромосом.
Определение плоидности опухолевых клеток является важным прогностическим фактором и для этого также может применятся метод NGS. Однако анализ данных в этом случае требует введения дополнительных алгоритмов, определяющих плоидность, а также клональную гетерогенность опухолевых клеток.
Драйверные мутации
Существуют также классификации непосредственно для соматических мутаций. Так, в зависимости от эффекта мутации на канцерогенез клеток, выделяют:
• Драйверные мутации — дают преимущество в росте и развитии несущим их клонам опухолевых клеток.
• Пассажирcкие мутации — не оказывают существенного влияния на развитие клонов опухолевых клеток. Такие мутации присутствуют в клетках-предшественниках опухолевых клеток, когда те приобретают драйверные мутации, а потому распространяются среди клонов наравне с драйверными.
При этом драйверные мутации можно разделить функционально:
1. на активирующие;
2. инактивирующие.
Активирующие мутации (gain-of-function, GoF) приводят к повышенной выработке сигнальных белков. Пример подобных мутаций — замена одной аминокислоты на другую, приводящая к аутофосфорилированию тирозинкиназных белков EGFR (рецептор эпидермального фактора роста) или ATM (мутантный при атаксии-телеангиэктазии белок). Аутофосфорилирование способствует стимуляции активности тирозинкиназ и передачи клеточных сигналов к росту и делению.
Инактивирующие мутации (loss-of-function, LoF) способствуют снижению или полному подавлению активности генов онкосупрессоров, таких как RB1 (ген ретинобластомы), TP53 (опухолевый белок 53), BCL2 (В-клеточная лимфома 2), APC (аденоматозный полипоз кишки) и др. Потеря функций онкосупрессоров влечет за собой нарушения в клеточном росте и делении. При этом вклад инактивирующих мутаций в геномную нестабильность опухолевой клетки существенно выше по сравнению с активирующими мутациями.
При подготовке статьи использованы материалы:
Гордиев М.Г., Бровкина О.И., Еникеев Р.Ф., Сакаева Д.Д., Никитин А.Г. «Руководство по интерпретации клинически значимых нуклеотидных вариантов при солидных опухолях …» Международный ежеквартальный научно-практический журнал по онкологии. ISSN 2587-6813