Микросателлитная нестабильность

Одна из вещей, о которых многие слышали, но мало кто видел. И несмотря на то что на сегодняшний день мы назначаем препараты, по механизму действия связанные с MSI (microsatellite instability), для многих она всё-таки остается мистической и не до конца понятной. Этот пост посвящен объяснению молекулярных основ этого состояния и его клинической значимости.

Начнем с самого простого: что из себя представляет microsatellite? Это повторяющаяся последовательность ДНК.

Человечество не так давно узнало, что наша ДНК содержит много повторов, которые разбросаны по всему геному. Вначале предположили, что они не играют никакую роль, так как не кодируют белков. Их считали мусорными ДНК, который образовался в процессе эволюции и является лишь ненужным остатком других сложных процессов организации генетического материала. Их функция до сих пор нам не полностью ясна, но уже известно, что эти повторы далеко не мусорные. Они играют важную роль в регуляции генетической изменчивости, и нарушение их функции приводит к различным заболеваниям (болезнь Хантингтона, к примеру).

Повторы в ДНК бывают разными. Они могут быть прямыми или обратными. Берем в качестве примера такую последовательность 4 нуклеотидов : TAGС. В этом случае у нас будет:

Повторы не всегда следуют друг за другом, они могут быть разделены спейсерами (некодирующие участки ДНК, которые отличаются от этих повторов). Повторы, следующие друг за другом, называются тандемными, а разбросанные повторы называются диспергированными.

Наша сегодняшняя тема касается тандемных повторов. Они, в свою очередь, делятся на сателлитные, минисателлитные и микросателлитные.

Сателлитные повторы представляют собой очень длинные последовательности ДНК, которые в основном локализуются в центромерах и гетерохроматине (конденсированный, не экспрессируемый хроматин). Состав сателлитных повторов (соотношение 4 видов азотистых оснований друг к другу) отличается от состава обычного, кодирующего ДНК. При центрифугировании и сепарировании ДНК по плотности они образуют отдельную полоску, которая находится немного дальше от основной ДНК, «сопровождая» её, откуда и произошло название «satellite».

Второй вид тандемных повторов — минисателлитные. Они похожие на предыдущие, но меньше по размеру (10-60 нуклеотидов), их можно найти и в центромерах, и в других участках генома.

Третий и самый интересный вид тандемных повторов — микросателлитные. Они еще меньше двух предыдущих, состоят менее чем из 10 нуклеотидов и находятся в различных локализациях, включая теломеры.

Микросателлиты, или короткие тандемные повторы, часто подвергаются мутациям и являются полиморфными, то есть их структура немного разнится от одного человека к другому. Благодаря этой характеристике они используются в анализах на отцовство и в судебной медицине в виде DNA typing by STR (short tandem repeats), где типируются образцы ДНК, взятые от отца/подозреваемого преступника и сравниваются с материалом с места преступления. Если повторы сходятся, значит, загадка решена.

Как мы упоминали выше, эти микросателлитные повторы изменчивы (часто мутируют), что с одной стороны хорошо для разнообразия генофонда, с другой стороны ─ повышает риск возникновения вредных мутаций. Для борьбы с этим в живом организме образовались различные белки, которые исправляют произошедшие во время репликации ДНК ошибки. К ним относятся 5 белков: MLH1, MSH2, MSH6, PMS2, EPCAM. Они специализируются на исправлении mismatch-ошибок (ошибочно спаренные нуклеотиды). В норме аденин образует водородные связи с тимином, а цитозин ─ с гуанином. Если аденин ошибочно образовал пару с цитозином, это считается mismatch ошибкой, и её нужно исправить. Для этого приходит сначала MLH1, за ним и MSH2, образуют комплекс с другими белками и вырезают неправильный нуклеотид, затем синтезируют новый, правильный, и лигируют его с цепями ДНК с двух сторон. Этот процесс называется mismatch repair (MMR).

Теперь рассмотрим противоположное состояние, когда механизм репарации MMR не работает в связи с тем, что гены, кодирующие эти белки, дефектны (это может быть наследственным, например при синдроме Линча, или приобретенным, когда мутация случилась в соматической клетке).

При этом клетки не могут справиться с mismatch-ошибками, которые чаще всего возникают в микросателлитных повторах, что делает эти повторы нестабильными. Это состояние мы и называем microsatellite instability (MSI).

В этом нестабильном состоянии вероятность возникновения вредных мутаций, которые приведут к образованию злокачественных опухолей, приближается к 100%. Из-за этого при синдроме Линча (наследственный неполипозный колоректальный рак) весьма вероятно развитие колоректального рака (40-70%), также имеется высокий риск возникновения рака эндометрия, яичников, желудка, тонкой кишки и желчевыводящих путей. В связи с этим у людей с такой врождённой мутацией меры профилактики обязательно включают колоноскопию каждые 1-2 года начиная с 30 лет и приём аспирина. Также рекомендована профилактическая субтотальная колэктомия и гистерэктомия после реализации репродуктивной функции матки.

Мутации в генах, отвечающих за MMR, могут быть и спорадическими, то есть соматическими, например, при колоректальном раке. В этом случае рак толстой кишки чаще возникает справа, имеет экзофитный рост, характерен лимфатический инфильтрат.

В зависимости от статуса микросателлитной стабильности/нестабильности колоректальный рак делится на две группы: MSI-H (high microsatellite instability) и MSS, или non-MSI (microsatellite stable). Наличие MSI ассоциируется с ответом на терапию ингибиторами контрольных точек клеточного цикла (пембролизумаб, ниволумаб, ипилимумаб).

Именно потому что наличие MSI влияет на тактику лечения, тестирование на его наличие считается необходимым. Выявить MSI можно двумя методами: 1) напрямую тестировать ДНК на наличии мутаций в генах, кодирующих MLH1, MSH2 и другие белки, относящиеся к этой группе, с помощью ПЦР; 2) посмотреть на продукты этих генов, то есть сами белки, и проверить с помощью иммуногистохимического исследования, присутствуют ли они в опухолевых клетках.

Материал подготовила: Навар Альмама

Источники:

1) DeVita, Hellman, and Rosenberg's: Cancer Principles and Practice of Oncology 11th ed. Molecular Biology of Colorectal Cancer. ISBN 9781496394637

2) C. Richard Boland and Ajay Goel. Microsatellite Instability in Colorectal Cancer. GASTROENTEROLOGY Vol. 138, No. 6. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2009.12.064

3) Ronald J Trent . Molecular Medicine (Third Edition). FORENSIC MEDICINE AND SCIENCE. https://doi.org/10.1016/B978-012699057-7/50009-6

4) Susan Richman. Deficient mismatch repair. https://doi.org/10.3892/ijo.2015.3119