С учетом специфики организации повторяющихся элементов генома человека, которые предположительно участвуют в организации и стабильности генома [15], было сделано предположение о том, что вариабельность и локализация некодирующей сателлитной ДНК могут влиять на прогрессирование хромохелкозиса. Эта идея выглядит особенно перспективной в свете анализа перицентромерной сателлитной ДНК хромосом человека, вариации (хромосомные варианты) которой на протяжении долгих лет ассоциируют с различными процессами, обеспечивающими сохранность структуры и числа хромосом, продление жизни клетки, а также с различными патологическими состояниями (болезнями мозга, малигнизацией, бесплодием). Несмотря на это, достоверных данных относительно непосредственного функционального значения перицентромерной сателлитной ДНК, формирующей участки хромосомных вариантов, представлено не было [16, 17]. Поскольку хромохелкозис за счет прогрессирования может затрагивать данные последовательности, возникает потребность изучения роли участия хромосомных вариантов в процессах сохранения стабильности генома на хромосомном уровне. В связи с этим было проведено исследование хромосомных вариантов у детей с хромохелкозисом. Хромосомные варианты (по хромосомам: 1, 9, 13, 15, 16, 21, 22 и У) обнаружены у 24 (42,1%) пациентов из 57 детей с хромохелкозисом (рис. 2). В 16 случаях (28,1%) это были одиночные (изолированные) хромосомные варианты: по хромосоме 15 - 4 случая (7%); по хромосомам 9 и Y - по 3 случая (5,3%); по хромосомам 13 и 21 - по 2 случая (3,5%); по хромосомам 1 и 22 - по 1 случаю (1,75%). Сочетанные хромосомные варианты выявлялись в 8 случаях из 57 (14%): 1 случай - 9qh+,16qh+; 3 случая - 9 phqh,21ps+; 4 случая - 9 phqh,9qh-. Во всех сочетанных случаях выявлена хромосома 9 в виде перицентромерных инверсий и увеличения/уменьшения перицентромерного гетерохроматина. Всего было обнаружено 14 различных хромосомных вариантов, включая сочетанные и одиночные: Ц^, 9phqh, 9ph, 9qh+, 9qh-, 13р8+, 15cenh+, 15ps+, 16qh+, 2^+, 21pss, 22ps+, Yqh+, Yqh-. В большинстве случаев (п=11) изолированных и сочетанных вариантов выявлена хромосома 9 (с хромосомами 21 и 16 в сочетанном виде). Рассматривая корреляцию наличия хромосомных вариантов и хромохелкозиса, мы пришли к выводу о том, что перицентромерная сателлитная ДНК может выступать, своего рода, «защитником» от прогрессирующей нестабильности, которая разрушает хроматиновые структуры, обеспечивающие функции центромеры.
Рис. 2. Хромосомные варианты у детей с хромохелкозисом: (А) частота хромосомных вариантов в группе детей с хромохелкозисом (п=57); (Б) вклад изменений гетерохроматиновых участков по отдельным хромосомам в общее число хромосомных вариантов у детей с хромохелкозисом
Учитывая, что соматическая вариабельность генома ассоциирована с широким спектром различных процессов, происходящих в организме человека в норме и при патологии [18], ее моделирование может иметь исключительное значение для понимания механизмов генетически обусловленных заболеваний. Мы полагаем, что хромохелкозис может представлять модель вариабельности соматического генома в виде хромосомной нестабильности и мозаицизма. Было предположено, что делеции при хромохелкозисе вызывают локальную нестабильность в точках разрыва, ведущую к прогрессирующей потере соседних хромосомных областей. В результате этого мозаичные делеции обладают большим размером, чем регулярные. Этот механизм подобен тому, который обусловливает разрывы за счет локальной нестабильности в участках ломкости хромосом [19]. Хромохелкозис происходит за счет подобной нестабильности в двух точках разрыва перестройки, в результате чего «разрыв» хромосомной ДНК распространяется проксимально и дистально по длине хромосомы. Если хромохелкозис затрагивает центромеру, то должна произойти потеря всей хромосомы при последующем делении клетки. Примечательно, что нарушение стабильности центромеры (например, «расщепление» центромеры) ранее ассоциировалось с хромосомной нестабильностью и соматической анеуплоидией [20, 21]. Более того, косвенные данные указывают на то, что перицентромерная сателлитная ДНК (конститутивный гетерохроматин) участвует в обеспечении стабильности генома/хромосом [22, 23]. Следовательно, последствия воздействия хромохелкозиса на последовательности ДНК конститутивного гетерохроматина приведут к соматической анеуплоидии (потере хромосомы или мозаичной моносомии). Поскольку теломерные ДНК сохраняют стабильность концевых участков хромосом [24], последствия воздействия хромохелкозиса на данные последовательности будут связаны с хромосомными перестройками, возникающими за счет нарушения терминальных участков. На рисунке 3 схематически показан предполагаемый механизм хромохелкозиса, связанный с делециями.
Рис. 3. Схематическое изображение механизма хромохелкозиса, связанного с делециями, и цитогеномной «теории всего». Хромосомная аномалия или СЫУ (делеция) вызывает нестабильность в точках разрыва, которая приводит к дальнейшему разрыву хромосомы: если разрыв затрагивает сателлитные ДНК, то возникает хромосомная нестабильность либо в виде анеуплоидии (потери хромосомы или моносомии) в случае нарушения перицентромерной ДНК, либо в виде структурных перестроек при нарушении теломерной ДНК
Хромохелкозис, связанный с дупликациями, вероятно, является причиной сбоев репарации хромосомной ДНК в точках разрыва, прогрессирующих из-за нарушения соответствующих геномных сетей и локальной нестабильности на молекулярном уровне. Похожие механизмы образования хромосомной нестабильности ранее предлагались для объяснения клональной эволюции геномных перестроек в раковых клетках [5, 20]. Эти дупликации могут также затрагивать кластеры повторяющейся (сателлитной) ДНК, обеспечивая прогрессирующий характер изменения структуры хромосом при хромохелкозисе. Вероятно, «превращение» делеций, подверженных хромохелкозису, в соматическую анеуплоидию (моносомию), приводящее к фактическому исчезновению самой делеции, обусловливает преобладание в исследованной группе дупликаций, которые увеличиваются в размере при данной форме хромосомной нестабильности.
Соматический мозаицизм и хромосомная нестабильность вносят значительный вклад в развитие организма человека и его гомеостаз (внутриутробное развитие плода и старение), обеспечивают межиндивидуальное и межклеточное разнообразие, а также являются распространенной генетической причиной многих заболеваний (онкологических заболеваний; болезней мозга; бесплодия; нарушения функционирования внутренних органов при старении) [1, 2, 4, 25-29]. Роль данных форм вариабельности генома довольно сложно переоценить. Учитывая высокую частоту хромохелкозиса среди детей с заболеваниями ЦНС и врожденными пороками развития, а также исключительное значение соматического мозаицизма и хромосомной нестабильности для нормального и аномального функционирования организма, мы предложили цитогеномную теорию (рис. 3), суть которой заключается в том, что в геноме каждого человека присутствует определенный набор СКУ, или перестроек, которые при нарушении генных сетей сохранности геномной стабильности могут быть подвержены хромохелкозису. Последствиями такого процесса могут стать вышеуказанные заболевания, а также патологические процессы, связанные со старением. На наш взгляд, предложенная теория напоминает «теорию всего», сформулированную Стивеном Хокингом и Леонардом Млодином [30], поскольку она также претендует на объяснение «почти всех» процессов, связанных с вариабельностью структуры хромосомы в онтогенезе. В связи с этим мы метафорично обозначили эту теорию словосочетанием «цитогеномная теория всего». Признавая существование возможных ограничений данной теории, мы, тем не менее, полагаем, что необходимы дальнейшие исследования хромохелкозиса для понимания структурной изменчивости и пластичности генома.
Заключение
В настоящей работе было выявлено сочетание регулярных и мозаичных аномалий (делеций/дупликаций) в одних и тех же хромосомных локусах. Подробное изучение этого феномена с помощью оригинальных методов системной геномики (биоинформатики) позволило обнаружить необычную форму хромосомной нестабильности -- хромохелкозис. Дальнейшее исследование хромохелкозиса привело к тому, что было обозначено функциональное значение классической/альфа-сателлитной ДНК («защита» центромеры от прогрессирующего разрыва хромосомы, вызванного хромохелкозисом), а также предложена «цитогеномная теория всего», объясняющая роль хромохелкозиса в генетически обусловленных болезнях мозга, онкологических заболеваниях и патологических процессах, связанных со старением. Предполагается, что хромохелкозис является результатом кумулятивного эффекта хромосомных перестроек (СКУ) и мутационной нагрузки, которая изменяет генные сети сохранности стабильности генома. Таким образом, целью ряда последующих цитогеномных исследований должно стать определение спектра вариаций генома, ведущих к хромохелкозису, и роли последнего в широком спектре заболеваний, ассоциированных с хромосомной нестабильностью и соматическим мозаицизмом.
Работа была частично поддержана грантом РФФИ и CITMA (Ciencia, Tecnologia y Medio Ambiente de la Republica de Cuba) в рамках научного проекта № 18-515-34005, а также частично Госзаданием Министерства науки и высшего образования России № AAAA-A19-119040490101-6 и частично Госзаданием Минздрава России № 121031000238-1.
Список литературы
1. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B., Kutsev S.I. Ontogenetic and pathogenetic views on somatic chromosomal mosaicism. Genes (Basel). 2019. Vol. 10. no.5. art.379. P. 10-25.
2. Potter H., Chial H.J., Caneus J., Elos M., Elder N., Borysov S., Granic A. Chromosome instability and mosaic aneuploidy in neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. Frontiers in Genetics. 2019. Vol. 10. art. 1092. P. 1-10.
3. Fukami M., Kurahashi H. Clinical consequences of chromothripsis and other catastrophic cellular events. Methods in Molecular Biology. 2018. Vol. 1769. P. 21-33.
4. Юров И.Ю., Ворсанова С.Г., Куринная О.С., Зеленова М.А., Васин К.С., Юров Ю.Б. Причины и последствия геномной нестабильности при психических и нейродегенеративных заболеваниях // Молекулярная Биология. 2021. Т. 55. № 1. С. 42-53.
5. Ye C.J.., Sharpe Z., Heng H.H. Origins and consequences of chromosomal instability: from cellular adaptation to genome chaos-mediated system survival. Genes (Basel). 2020. Vol. 11. no. 10. art. 1162. P. 1-13.
6. Carvalho C.M., Lupski J.R. Mechanisms underlying structural variant formation in genomic disorders. Nature Reviews Genetics. 2016. Vol. 17. no. 4. P. 224-238.
7. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B., Zelenova M.A., Kurinnaia O.S., Vasin K.S., Kutsev
S.I. The cytogenomic "theory of everything": chromohelkosis may underlie chromosomal instability and mosaicism in disease and aging. International Journal of Molecular Sciences. 2020. Vol. 21. art. 8328. P. 1-13.
8. Dahiya R., Hu Q., Ly P. Mechanistic origins of diverse genome rearrangements in cancer. Seminars in Cell & Developmental Biology. 2021. Vol. 3. P. S1084-9521(21)00035-5.
9. Vorsanova S.G., Kolotii A.D., Kurinnaia O.S., Kravets V.S., Demidova I.A., Soloviev I.V., Yurov Y.B., Iourov I.Y. Turner's syndrome mosaicism in girls with neurodevelopmental disorders: a cohort study and hypothesis. Molecular Cytogenetics. 2021. Vol. 14. no. 1. art. 9. P. 1-9.
10. Chaves T.F., Oliveira L.F., Ocampos M., Barbato I.T., de Luca G.R., Barbato Filho J.H., de Camargo Pinto L.L., Bernardi P., Maris A.F. Long contiguous stretches of homozygosity detected by chromosomal microarrays (CMA) in patients with neurodevelopmental disorders in the South of Brazil. BMC Medical Genomics. 2019. Vol. 12. no. 1. art. 50. P. 1-13.
11. Cai M., Lin N., Su L., Wu X., Xie X., Li Y., Chen X., Lin Y., Huang H., Xu L. Copy number variations associated with fetal congenital kidney malformations. Molecular Cytogenetics. 2020. Vol. 13. art. 11. P. 1-6.
12. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. In silico molecular cytogenetics: a bioinformatic approach to prioritization of candidate genes and copy number variations for basic and clinical genome research. Molecular Cytogenetics. 2014. Vol. 7 (1). art. 98. P. 1-11.
13. Zelenova M.A., Yurov Y.B., Vorsanova S.G., Iourov I.Y. Laundering CNV data for candidate process prioritization in brain disorders. Molecular Cytogenetics. 2019. Vol. 12. art. 54. P. 1-8.
14. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. The variome concept: focus on CNVariome. Molecular Cytogenetics. 2019. Vol. 12. art. 52. P. 1-6.
15. Padeken J., Zeller P., Gasser S.M. Repeat DNA in genome organization and stability. Current Opinion in Genetics & Development. 2015. Vol. 31. P. 12-19.
16. Ворсанова С.Г., Юров И.Ю., Соловьев И.В., Юров Ю.Б. Гетерохроматиновые районы хромосом человека: клинико-биологические аспекты. М.: Медпрактика, 2008. 300 с.
17. Liehr T. Benign and Pathological Chromosomal imbalances: microscopic and submicroscopic copy number variations (CNVs) in genetics and counseling. Academic Press. 2014. 199 p.
18. Vorsanova S.G., Yurov Y.B., Iourov I.Y. Dynamic nature of somatic chromosomal mosaicism, genetic-environmental interactions and therapeutic opportunities in disease and aging. Molecular Cytogenetics. 2020. Vol. 13. Art. 16. P. 1-6.
19. Ma K., Qiu L., Mrasek K., Zhang J., Liehr T., Quintana L.G., Li Z. Common fragile sites: genomic hotspots of DNA damage and carcinogenesis. International Journal of Molecular Sciences. 2012. Vol. 13. Is. 9. P. 11974-11999.
20. Hadi K., Yao X., Behr J.M., Deshpande A., Xanthopoulakis C., Tian H., Kudman S., Rosiene
J., Darmofal M., DeRose J., Mortensen R., Adney E.M., Shaiber A., Gajic Z., Sigouros M., Eng K., Wala J.A., Wrzeszczynski K.O., Arora K., Shah M., Emde A.K., Felice V., Frank M.O., Darnell R.B., Ghandi M., Huang F., Dewhurst S., Maciejowski J., de Lange T., Setton J., Riaz N., Reis-Filho J.S., Powell S., Knowles D.A., Reznik E., Mishra B., Beroukhim R., Zody M.C., Robine N., Oman K.M., Sanchez C.A., Kuhner M.K., Smith L.P., Galipeau P.C., Paulson T.G., Reid B.J., Li X., Wilkes D., Sboner A., Mosquera J.M., Elemento O., Imielinski M. Distinct classes of complex structural variation uncovered across thousands of cancer genome graphs. Cell. 2020. Vol. 183. no. 1. P. 197- 210.e32.
21. Yadav V., Sun S., Coelho M.A., Heitman J. Centromere scission drives chromosome shuffling and reproductive isolation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2020. Vol. 117. no. 14. P. 7917-7928.
22. Hartley G., O'Neill R.J. Centromere repeats: hidden gems of the genome. Genes (Basel). 2019. Vol. 10. Is. 3. art. 223. P. 1-22.
23. Louzada S., Lopes M., Ferreira D., Adega F., Escudeiro A., Gama-Carvalho M., Chaves R. Decoding the role of satellite DNA in genome architecture and plasticity-an evolutionary and clinical affair. Genes (Basel). 2020. Vol. 11. Is. 1. art. 72. P. 1-21.
24. Bolzan A.D. Using telomeric chromosomal aberrations to evaluate clastogen-induced genomic instability in mammalian cells. Chromosome Research. 2020. Vol. 28. no. 3-4. P. 259-276.
25. Bushman D.M., Chun J. The genomically mosaic brain: aneuploidy and more in neural diversity and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 2013. Vol. 24. no. 4. P. 357-369.