Генные мутации, вызывающие заболевания

Типы генетических мутаций и их функциональные последствия

Мутации можно классифицировать на нескольких уровнях. На уровне нуклеотидов: замены (миссенс, нонсенс или синонимы), вставки и делеции, причем последние две вызывают сдвиг рамки, если они не кратны трем. На хромосомном уровне: амплификации (увеличение числа копий гена), делеции (потеря хромосомных сегментов) и транслокации (перестановки между хромосомами).

Функциональное последствие зависит от местоположения, а не только от типа. Миссенс-мутация кодона 12 KRAS создает конститутивно активный онкопротеин, который блокирует KRAS в GTP-связанном состоянии и управляет конститутивной передачей сигналов BRAF/MEK/ERK и PI3K/AKT. Миссенс-мутация TP53 R175H приводит к образованию стабильного, но нефункционального белка с доминантно-негативными эффектами. Контекст — эволюционная консервативность, структура белкового домена и положение сигнальной сети — определяет патогенность.

• ·Миссенс-мутации: аминокислотная замена - может активировать онкогены (KRAS G12D) или инактивировать опухолевые супрессоры (TP53 R175H).
• ·Нонсенс-мутации: преждевременный стоп-кодон — укороченный белок, обычно потеря функции (часто встречается у APC, BRCA1)
• ·Вставки/удаления со сдвигом кадра: измененный кадр считывания в нисходящем направлении — обычно потеря функции (сдвиг кадра BRCA2)
• ·Мутации сайта сплайсинга: аберрантный сплайсинг, пропуск экзона или удержание интрона - часто встречаются в TP53, BRCA1.
• ·Амплификация числа копий: сверхэкспрессия гена - амплификация HER2, амплификация EGFR при GBM
• ·Слияния генов: химерные онкопротеины — BCR-ABL при ХМЛ, EML4-ALK при НМРЛ.

Мутации водителя и пассажира

Геном раковой клетки содержит тысячи мутаций, но только небольшая часть — драйверные мутации — обеспечивают избирательное преимущество роста и причинно участвуют в онкогенезе. Остальные являются мутациями-пассажирами, приобретенными в ходе эволюции опухоли без функциональных последствий. Чтобы отличить водителей от пассажиров, требуется статистический анализ больших групп больных раком, направленный на поиск закономерностей мутаций, превышающих фоновые показатели.

Атлас генома рака (TCGA) и Международный консорциум генома рака (ICGC) каталогизировали драйверные мутации в тысячах опухолей. Мутации TP53 возникают гораздо чаще, чем ожидалось случайно, примерно в 50% всех случаев рака, что твердо подтверждает, что они являются движущей силой панрака. Мутации кодонов 12 и 13 KRAS группируются в определенных позициях — признак положительного отбора, указывающий на то, что именно эти специфические аминокислотные изменения, а не случайные мутации, приводят к раку.

Зародышевая линия против соматических мутаций

Зародышевые мутации наследуются через зародышевую линию и присутствуют в каждой клетке организма в результате оплодотворения. Они лежат в основе наследственных раковых синдромов — BRCA1/2 при наследственном раке молочной железы и яичников, синдрома Линча (MLH1, MSH2) при наследственном колоректальном раке и TP53 при синдроме Ли-Фраумени. Носители зародышевой линии выявляются посредством генетического тестирования и контролируются с помощью стратегий эпиднадзора и снижения риска.

Соматические мутации возникают в отдельных клетках после оплодотворения и накапливаются на протяжении всей жизни в результате ошибок репликации, воздействия мутагенов окружающей среды и дефектов репарации. Они присутствуют только в мутировавшей клетке и ее потомках — опухоли. Частота соматических мутаций составляет примерно 1 мутацию на деление клетки для замен оснований, но сильно варьируется в зависимости от типа рака: меланомы, поврежденные УФ-излучением, могут нести более 100 000 мутаций, тогда как острые лейкозы у детей несут только десятки.

Как мутации активируют онкогены

Активация онкогена требует мутации с целью увеличения функции — ген приобретает новую или усиленную активность, которая способствует пролиферации. Тремя основными механизмами являются точечные мутации (KRAS G12C, BRAF V600E), амплификация (амплификация MYC при нейробластоме, амплификация HER2 при раке молочной железы) и хромосомная транслокация, создающая слитые онкопротеины (BCR-ABL при ХМЛ, EML4-ALK при НМРЛ).

BRAF V600E представляет собой хрестоматийный пример точковой мутации с целью усиления функции: замена глутамата имитирует фосфорилирование в петле активации, конститутивно активируя киназу без входного сигнала RAS. Этого единственного нуклеотидного изменения достаточно для трансформации нормальных меланоцитов в клетки меланомы в экспериментальных моделях.

Амплификации генов вызывают сверхэкспрессию, пропорциональную числу копий. Амплификация HER2 производит в 10–30 раз больше рецепторного белка на поверхности клетки, создавая конститутивную кластеризацию рецепторов и последующую передачу сигналов даже при низких концентрациях лигандов. Терапевтическое окно, которое это создает — нормальные клетки с 2 копиями HER2 по сравнению с опухолевыми клетками с 30+ копиями — используется трастузумабом и трастузумабом дерукстеканом.

Как мутации инактивируют супрессоры опухоли

Инактивация опухолевого супрессора обычно требует потери функции обоих аллелей. Наиболее распространенными механизмами являются точечные мутации, генерирующие усеченные или нефункциональные белки, делеции, полностью удаляющие ген, и эпигенетическое молчание посредством метилирования промотора — функционально эквивалентно мутации, но без изменения последовательности ДНК.

Миссенс-мутации TP53 особенно сложны: ~75% мутаций TP53, связанных с раком, производят полноразмерный, но конформационно измененный белок. Многие из этих мутантов не только лишены активности р53 дикого типа, но и оказывают доминантно-негативные эффекты на оставшуюся аллель дикого типа и приобретают новые онкогенные функции — способствуют инвазии, устойчивости к химиотерапии и изменению метаболизма.

Мутации BRCA1 иллюстрируют спектр механизмов потери функции. Вредные варианты BRCA1 включают мутации сдвига рамки считывания (наиболее распространенные), нонсенс-мутации, мутации сайта сплайсинга и миссенс-мутации, затрагивающие консервативные домены BRCT или RING. Варианты неопределенного значения (VUS) в BRCA1 представляют собой клиническую проблему, требующую функциональных анализов и данных совместной сегрегации для классификации.

Клинические последствия: от мутации к лечению

Идентификация драйверных мутаций превратила лечение рака из эмпирической химиотерапии в прецизионную терапию, направленную на биомаркеры. Мутации EGFR предсказывают чувствительность к ингибиторам EGFR; KRAS G12C нацелен на соторасиб; BRAF V600E от вемурафениба/дабрафениба; BCR-ABL иматиниба. Сопоставление конкретных мутаций с конкретными лекарствами, а не гистология, определяет современную онкологию.

Помимо прямого нацеливания, мутации определяют механизмы устойчивости и стратегии комбинирования. Комутации KRAS предсказывают устойчивость к ингибиторам EGFR. Потеря RB1 предсказывает устойчивость к ингибиторам CDK4/6. Комплексное геномное профилирование опухолей — посредством секвенирования нового поколения — теперь определяет решения о лечении практически каждого типа рака.

Тестирование зародышевой линии имеет не менее важное значение. Тестирование BRCA1/2 определяет использование ингибиторов PARP, хирургическое вмешательство по снижению риска и каскадное тестирование членов семьи. Тестирование синдрома Линча при колоректальном раке выявляет пациентов для иммунотерапии иммунных контрольных точек (высокая микросателлитная нестабильность предсказывает ответ на блокаду PD-1) и семейного консультирования.