Онкологические заболевания возникают когда клетки организма теряют контроль над ростом и размножением. Их число постоянно увеличивается и они формируют опухоль. Во второй половине XX века учёные выяснили, что причиной сбоя жизненного цикла клетки являются генетические нарушения. Были открыты гены, мутации в которых напрямую активируют процессы деления в клетке, позволяют уклоняться от иммунной системы, фактически, делают её бессмертной1. Вместе с накоплением данных о природе рака стало понятно, что опухоли, возникающие в одном органе и схожие по симптомам, могут сильно отличаться на генетическом уровне, иметь разный прогноз по выживаемости, давать разный ответ на терапию. Это означает, что для каждого пациента нужно выбирать персонализированное лечение на основе данных о биологических особенностях его заболевания2. С этой целью проводят диагностику мутаций, чтобы в дальнейшем врач смог назначить таргетную или иммунную терапию. Один из анализов, помогающий подобрать иммунную терапию - определение микросателлитной нестабильности. Постараемся понять, почему она возникает и как меняет подходы к лечению.

Как связаны гены и белки

Жизнь каждой клетки в организме происходит по точному плану. У каждой из них есть чёткая инструкция — в каких ситуациях какие вещества вырабатывать, в какой момент расти и размножаться, а когда стоит погибнуть для выживания всего организма. Регуляция всех этих процессов происходит с помощью белков: рецепторов, ферментов, сигнальных молекул и т.д. Для понимания роли белков можно посмотреть упрощённую схему регуляции деления клетки.

post-8-img1.4605a812.jpg

На схеме, после присоединения белка фактора роста, в клетке запускается сложный процесс передачи сигнала, итогом которого становится запуск деления. Работа всех белков необходима для того чтобы процесс протекал правильно. Это как шестерёнки в часовом механизме — уберёшь одну, и стрелки не покажут времени. Информация о строении каждого белка записана в участке молекулы ДНК, называемой геном. Каждый ген отвечает за один свой белок, так ген 1 определяет структуру белка 1, а информация о белке 2 содержится в гене2.

Как устроен ген

С точки зрения химии, ДНК представляет собой длинную цепочку из миллионов соединённых между собой бусин-молекул азотистых оснований. Всего их 4: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В ДНК они расположены друг за другом в точной последовательности. Участок этой длинной цепи, в котором записана информация о строении определённого белка, и составляет ген. Но как по гену понять, каким должен быть белок? Группа из трёх расположенных по порядку нуклеотидов представляет собой уникальное сочетание, обозначающее одну из 20 аминокислот, из которых построены все белки нашего организма. Таким образом, последовательность нуклеотидов в гене описывает последовательность аминокислот в белке4.

post-8-img2.e75ec944.jpg

Последовательность нуклеотидов важна, и клетка старается сохранить её и передать своим потомкам. Нарушение в геноме клетки — мутация — может привести к непоправимым изменениям в строении и функции белка. Если нарушения коснутся регуляции роста и деления клетки, то это может привести к образованию опухоли.

Повреждения ДНК и «работа над ошибками»

Во время деления происходит копирование молекулы ДНК для дочерней клетки. В роли копировальной машины выступает фермент ДНК-полимераза. Она двигается по цепочке нуклеотидов и создаёт идентичную молекулу. Объём информации, с которым работает фермент, исчисляется миллиардами нуклеотидов5. Это делает ошибки неминуемыми. ДНК может повреждаться также из-за воздействия на клетку вредных факторов, таких как ультрафиолет, табачный дым. Подсчитано, что в ДНК каждой клетки может происходить до одного миллиона изменений в день.
Однако существуют системы репарации (починки) — защитные механизмы, которые отслеживают изменения и вовремя исправляют их, не допуская нарушений в белках6.

Микросателлиты — участки повышенного риска

При изучении последовательности нуклеотидов в ДНК учёные обнаружили места с продолжительно повторяющимися последовательностями нуклеотидов

post-8-img3.7f4aa332.jpg

Мотив ГЦЦ в этом примере может повторяться до 50 раз. Такие участки назвали микросателлитами. Интерес к ним возрос, когда выяснилось, что в этих последовательностях часто возникают ошибки при копировании ДНК, что повышает риск мутаций . При снятии копии микросателлитного участка ДНК-полимераза может пропустить один или несколько нуклеотидов8. Генетики называют это проскальзыванием. Чтобы представить, почему происходит эффект проскальзывания посмотрите на два банковских счета:

Кор счёт: 12348734768534986545
Кор счёт: 12345600000000077308

Какой из них легче назвать сотруднику банка? С первым не возникает никаких проблем, мы легко диктуем последовательность цифр для того, чтобы он перевёл нам деньги. Но вот глядя на второй от количества нулей начинает пестрить в глазах — мы начинаем их считать, пересчитывать и переживать, что неправильно посчитали. Похожий эффект происходит и при работе ДНК-полимеразы, которая может запутаться в постоянно повторяющейся последовательности нуклеотидов микросателлита.

Чем опасны нарушения в микросателлитах?

Микросателлиты встречаются в генах, поэтому нарушение их структуры при делении может привести к нарушениям строения и функции белка. Для примера представим ген с микросателлитной последовательностью.

ГЕН ДВА ГЕН ДВА ГЕН ДВА ДЛЯ СТА ДЕЛ

Если при копировании микросателлитной части ДНК-полимераза пропустит одну букву, возникнет мутация.

ГЕН ДВА ГЕН ДАГ ЕНД ВАД ЛЯС ТАД ЕЛ

Мы видим, что в буквах появилась полная неразбериха, существовавший смысл исчез, а последняя часть и вовсе не полная, а поэтому не может кодировать аминокислоту. Белок, который образуется на основе информации из такого гена, будет укорочен, состоять из совсем других аминокислот, что полностью изменит его строение. Его функция и роль в жизни клетки и организма неизвестна. Возможно, именно он вызовет неконтролируемый рост клетки и опухоль8.

Микросателлитная нестабильность

Несмотря на риск ошибок при копировании микросателлитных областей, в клетке существуют системы репарации, которые обнаруживают несоответствия копии оригиналу, вырезают неправильные участки и корректируют последовательность. Ситуация, при которой система репарации не работает, а в микросателлитных участках накапливаются мутации, называется микросателлитной нестабильностью (microsatellite instability, MSI).

Причиной микросателлитной нестабильности может быть нарушение функции белков репарации, что происходит при мутациях в кодирующих их генах. Чаще всего это происходит спонтанно, но также может быть следствием врождённых болезней, таких как синдром Линча.

Диагностика микросателлитной нестабильности

Микросателлитную нестабильность выявляют с помощью моллекулярно-генетических методов исследования. Самый доступный — иммуногистохимическое исследование (ИГХ), которое обнаруживает нарушения в белках репарации. Для его проведения нужен образец опухоли, полученный при биопсии. Более современный способ диагностики — секвенирование нового поколения (next generation sequencing - NGS). Метод обладает большей чувствительностью, что уменьшает вероятность ошибок при тестировании. С помощью него можно за один раз проверить множество биологических характеристик опухоли, что невозможно при ИГХ10. Для NGS также нужен образец опухоли, при его отсутствии можно использовать кровь из вены.

В результате исследования у пациента определяют степень микросателлитной нестабильности, которая может быть высокой MSI-H или низкой MSI-L  или микросателлитная стабильность MSS11. Это помогает в диагностике онкологического заболевания, выборе терапии и планировании семьи.

Микросателлитная нестабильность влияет на эффективность лечения

Врачи используют данные о микросателлитной нестабильности при выборе тактики лечения онкологических заболеваний.

  • Высокая степень (MSI-H) говорит о том, что опухоль будет хорошо реагировать на иммунотерапию11. Примером заболевания с высокой частотой нарушений является рак прямой кишки, который в 20% случаев связан с мутацией генов, отвечающих за репарацию. У пациентов с метастазами обнаружение микросателлитной нестабильности говорит о высокой вероятности эффективности иммунотерапии, поэтому врач может выбрать это лечение в первую очередь.

  • Высокая микросателлитная нестабильность может говорить о хорошем прогнозе заболевания. У пациентов с раком прямой кишки с MSI-H редко происходит рецидив заболеваний. Это позволяет отказаться от адъювантной химиотерапии после хирургического лечения, тем самым избежать дополнительных рисков лечения12.

  • Определение микросателлитной нестабильности может использоваться для профилактики онкологических заболеваний и планирования семьи. Так в 5% рак прямой кишки связан с наследственным дефицитом системы репарации — синдромом Линча12. Поэтому при обнаружении этого заболевания врач должен задуматься о генетическом нарушении. MSI-H говорит о высокой вероятности заболевания в семье. С вероятностью в 50% оно может передаться детям или есть у братьев и сестёр13. Из-за нарушения редактирования генетических ошибок у пациентов повышается риск развития рака прямой кишки эндометрия, яичников, желудка, тонкой кишки и поджелудочной железы9. В этом случае родственникам пациента нужно обратиться к онкологу для обследования и получению рекомендаций по снижению риска заболевания. Женщинам с синдромом Линча также нужно регулярно обследоваться для профилактики рака эндометрия.

Персонализированный подход к лечению рака — это будущее онкологии, которое уже началось. На этапе диагностики врач может определить, будет ли эффективна иммунотерапия, измерив ряд лабораторных показателей, таких как уровень лиганда запрограммированной клеточной гибели (PD–L1), мутационную нагрузку опухоли (TMB) и степень микросателлитной нестабильности (MSI). Понимание биологии опухоли позволяет выбрать самую эффективную стратегию лечения и повысить шанс на выздоровление.

В настоящее время клиническая практика в области онкологии смещается в сторону персонализированной медицины, при которой лечение основывается на индивидуальном подборе лекарственных препаратов для лечения каждого пациента с учетом генетических особенностей опухоли.

M-RU-00014161 Декабрь, 2023

Список литературы:

  1. Stratton, Michael R., Peter J. Campbell, and P. Andrew Futreal. «The cancer genome». Nature 458.7239 (2009): 719–724.
  2. Hoeben, Ann, Elbert AJ Joosten, and Marieke HJ van den Beuken-van Everdingen. «Personalized medicine: Recent progress in cancer therapy». Cancers 13.2 (2021): 242.
  3. Wang, Zhixiang. «Regulation of cell cycle progression by growth factor-induced cell signaling». Cells 10.12 (2021): 3327.
  4. Chaffey N. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. and Walter, P. Molecular biology of the cell. 4th edn. — 2003.
  5. Nurk S. et al. The complete sequence of a human genome // Science. — 2022. — Т. 376. — № . 6588. — С. 44–53.
  6. Clancy, S. «DNA damage & repair: mechaniСМС for maintaining DNA integrity. Nature Education 1 (1): 103 email DNA integrity is always under attack from environmental agents like skin cancer-causing UV rays». How do DNA repair Mech. Detect repair damaged DNA, what happens when they Fail (2008): 10–14.
  7. Wang, Jun, et al. «Developing microsatellite duplex PCR reactions for sterlet (Acipenser ruthenus) and their application in parentage identification». Scientific Reports 12.1 (2022): 12036.
  8. Kim, Tae-Min, Peter W. Laird, and Peter J. Park. «The landscape of microsatellite instability in colorectal and endometrial cancer genomes». Cell 155.4 (2013): 858–868.
  9. Kavun, Alexandra, et al. «Microsatellite Instability: A Review of Molecular Epidemiology and Implications for Immune Checkpoint Inhibitor Therapy». Cancers 15.8 (2023): 2288.
  10. Doig K. D. et al. Tumour mutational burden: an overview for pathologists // Pathology. — 2022. —  Т. 54. — № . 3. — С. 249–253.
  11. Amato, Martina, et al. «Microsatellite instability: from the implementation of the detection to a prognostic and predictive role in cancers». International Journal of Molecular Sciences 23.15 (2022): 8726.
  12. Рак прямой кишки. Клинические рекомендации МЗ РФ 2022.
  13. Family Health History and Lynch Syndrome. СDC. (Электронный ресурс) Режим доступа:https://www.cdc.gov/genomics/disease/colorectal_cancer/family_history_lynch.htm#:~:text=If%20you%20have%20Lynch%20syndrome%2C%20your%20parents%2C%20children%2C%20sisters,chance%20of%20having%20Lynch%20syndrome. Дата обращения — 21.08.2023