Variação somática humana - Human somatic variation
As variações somáticas humanas são mutações que ocorrem nas células somáticas tanto nos estágios iniciais de desenvolvimento quanto nas células adultas. Essas variações podem levar a fenótipos patogênicos ou não, mesmo que sua função em condições saudáveis ainda não esteja completamente esclarecida.
O termo mosaico (do latim medieval musaicum , que significa "trabalho das Musas") tem sido usado desde a antiguidade para se referir a uma colcha de retalhos artística de pedras ornamentais, vidro, pedras preciosas ou outro material precioso. À distância, a imagem coletiva aparece como se fosse uma pintura; somente em uma inspeção detalhada os componentes individuais se tornam reconhecíveis. Em sistemas biológicos, o mosaicismo implica a presença de mais de uma linha celular geneticamente distinta em um único organismo . A ocorrência desse fenômeno não só pode resultar em grandes mudanças fenotípicas, mas também revelar a expressão de mutações genéticas letais .
Mutações genéticas envolvidas no mosaicismo podem ser decorrentes de fatores endógenos, como transposons e alterações de ploidia, ou fatores exógenos, como radiação ultravioleta e nicotina.
Mosaicismo somático em tecidos humanos saudáveis
O mosaicismo somático surge como resultado de alterações genômicas (ou mesmo mitocondriais ) de diferentes tamanhos, desde um único nucleotídeo até ganhos ou perdas cromossômicas dentro das células somáticas. Essas alterações dentro das células somáticas começam em um estágio inicial (pré- implantação ou concepção) e continuam durante o envelhecimento, dando origem à heterogeneidade fenotípica dentro das células, o que pode levar ao desenvolvimento de doenças como o câncer. Novas técnicas baseadas em array para a triagem de variantes do número de cópias do genoma e perda de heterozigosidade em células individuais mostraram que aneuploidias cromossômicas , disomias uniparentais, deleções segmentares , duplicações e amplificações ocorrem frequentemente durante a embriogênese . Porém, nem todas as mutações somáticas são propagadas ao indivíduo adulto, devido ao fenômeno da competição celular.
Alterações genéticas envolvendo ganhos ou perda de cromossomos inteiros ocorrem predominantemente durante o estágio de anáfase da divisão celular. Mas eles são incomuns em células somáticas porque geralmente são selecionados contra devido às suas consequências deletérias. Variações somáticas durante o desenvolvimento embrionário podem ser representadas por gêmeos monozigotos, uma vez que carregam diferentes perfis de número de cópias e marcas epigenéticas que continuam aumentando com a idade.
Pesquisas iniciais sobre mutações somáticas no envelhecimento mostraram que deleções, inversões e translocações de material genético são comuns em camundongos em envelhecimento e os genomas em envelhecimento tendem a conter alterações cromossômicas visíveis, recombinação mitótica , deleções de genes inteiros, deleções intragênicas e mutações pontuais . Outros fatores incluem a perda de metilação , aumentando a heterogeneidade da expressão gênica correlacionada a anormalidades genômicas e encurtamento dos telômeros. É incerto se o reparo do DNA baseado na transcrição participa da manutenção de mutações somáticas em tecidos envelhecidos.
Em algumas células, as alterações adquiridas somaticamente podem ser revertidas para alelos de tipo selvagem por mosaicismo de reversão . Isso pode ser devido ao mecanismo endógeno, como recombinação homóloga , substituição de códons , mutações supressoras de segundo local, deslizamento de DNA e elementos móveis .
Mutações associadas ao câncer somático em tecidos normais
O advento das tecnologias de sequenciamento de última geração aumentou a resolução da detecção de mutações e levou à revelação de que indivíduos mais velhos não apenas acumulam alterações cromossômicas, mas também abundantes mutações nos genes direcionadores do câncer.
O acúmulo de alterações cromossômicas associado à idade foi documentado com uma variedade de abordagens citogenéticas, de pinturas de cromossomos a matrizes de polimorfismo de nucleotídeo único ( SNP ).
Numerosos estudos demonstraram que as populações clonais podem levar à perda da saúde do organismo por meio do declínio funcional do tecido e / ou promoção de processos de doenças, como o câncer. Esta é a razão pela qual a expansão clonal aberrante (ECA) resultante de mutações associadas ao câncer são comuns em tecidos não cancerosos e se acumulam com a idade. Isso é universal na maioria dos organismos e afeta vários tecidos.
No compartimento hematopoiético, as mutações incluem grandes alterações cromossômicas estruturais e mutações pontuais que afetam genes associados ao câncer. Algumas translocações parecem ocorrer muito cedo na vida. A frequência desses eventos é baixa em pessoas com menos de 50 anos (<0,5%), mas essa frequência aumenta rapidamente para 2% a 3% dos indivíduos na faixa dos 70 e 80 anos. Este fenômeno foi denominado hematopoiese clonal . Vários fatores ambientais, como tabagismo, infecções virais e exposição a pesticidas, podem contribuir não apenas pela indução da mutação, mas também pela modulação da expansão clonal.
Caso contrário, a detecção de variantes somáticas em tecidos sólidos normais tem se mostrado historicamente difícil. As principais razões são o índice replicativo geralmente mais lento, arquitetura de tecido clonalmente restritiva, dificuldade de acesso ao tecido e baixa frequência de ocorrência de mutação. Recentemente, a análise de mutações somáticas em tecidos benignos adjacentes a tumores revelou que 80% das amostras abrigam mutações clonais, com maior frequência associada à idade avançada, tabagismo e mutações simultâneas em genes de reparo de DNA. Com o advento do NGS, tornou-se cada vez mais claro que as mutações somáticas se acumulam com o envelhecimento no tecido normal, mesmo em indivíduos sem câncer .
Isso sugere que as expansões clonais impulsionadas pelos genes do câncer são uma característica quase universal do envelhecimento. As tecnologias NGS revelaram que as expansões clonais de mutações associadas ao câncer são uma condição muito comum em tecidos somáticos.
Variações somáticas humanas no cérebro
Por meio de vários estudos recentes, foi destacada a prevalência de variações somáticas, tanto no sistema nervoso patológico quanto no saudável.
Aneuploidia somática , como SNVs ( variações de nucleotídeo único ) e CNVs ( variações de número de cópias ), foram particularmente observadas e associadas a disfunções cerebrais quando surgiram no desenvolvimento cerebral pré-natal; de qualquer forma essas aneuploidias somáticas têm sido observadas em taxas de 1,3-40%, aumentando potencialmente com a idade e por isso têm sido propostas como um mecanismo para gerar diversidade genética normal entre os neurônios .
A confirmação dessa hipótese tem sido obtida por meio de estudos de sequenciamento unicelular , que permitem uma avaliação direta de genomas neuronais únicos, de forma que seja possível uma caracterização sistemática das aneuploidias somáticas e CNVs subcromossômicas dessas células. Usando cérebros post-mortem de humanos saudáveis e doentes, foi possível estudar como as CNVs mudam entre esses dois grupos. Descobriu-se que as aneuploidias somáticas em cérebros saudáveis são bastante raras, mas as CNVs somáticas, em vez disso, não são.
Esses estudos também mostraram que CNVs clonais existem em cérebros patológicos e saudáveis. Isso significa que algumas CNVs podem surgir no início do desenvolvimento sem causar doenças, embora, quando comparadas às CNVs que surgem em outros tipos de células, como os linfoblastos , as do cérebro sejam mais frequentemente privadas. Essa evidência pode ser dada pelo fato de que, enquanto os linfoblastos podem gerar CNVs clonais por um longo período à medida que continuam a proliferar, os neurônios adultos não se replicam mais, então os CNVs clonais que eles carregam devem ter sido gerados em um estágio inicial de desenvolvimento.
Os dados destacaram uma tendência dos neurônios para a perda, em vez de para o ganho de cópias, quando comparados aos linfoblastos. Essas diferenças podem sugerir que os mecanismos moleculares das CNVs que surgem nesses dois tipos de células são completamente diferentes.
Mosaicismo associado a L1 em células cerebrais
O retrotransposon LINE-1 (elemento longo intercalado 1, L1) é um elemento transponível que colonizou a linha germinativa de mamíferos. A retrotransposição de L1 pode ocorrer também em células somáticas causando mosaicismo (SLAVs - variações associadas a L1) e em câncer. A retrotransposição é um processo de copiar e colar no qual o modelo de RNA é retrotranscrito no DNA e integrado aleatoriamente no genoma. Em humanos existem cerca de 500.000 cópias de L1 e ocupam 17% do genoma. Seu mRNA codifica duas proteínas; um deles em particular tem uma atividade de transcriptase reversa e endonuclease que permite a retrotransposição em cis. De qualquer forma, a maior parte dessas cópias são imobilizadas por mutações ou truncamento 5 ', deixando cerca de 80-100 L1 móveis por genoma humano e apenas cerca de 10 são consideradas L1s quentes, capazes de se mobilizar com eficiência.
A transposição L1 usando um mecanismo chamado TPRT (transcrição reversa iniciada por alvo) é capaz de inserir um motivo de endonuclease L1, duplicações de local alvo (TSD) e uma cauda poli-A com uma preferência cis.
Foi visto no passado que há mobilização de L1 em progenitores neurais durante a neurogênese fetal e adulta, sugerindo que o cérebro pode ser um ponto crítico de mosaicismo de L1. Além disso, alguns estudos sugeriram que também os neurônios que não se dividem podem suportar a mobilização de L1. Isso foi confirmado por estudos genômicos de uma única célula .
Os experimentos de sequenciamento de extremidade pareada de célula única descobriram que os SLAVs estão presentes tanto nos neurônios quanto na glia do hipocampo e no córtex frontal . Qualquer célula neural tem uma probabilidade semelhante de conter um SLAV, sugerindo que as variações somáticas são um fenômeno aleatório, não focado em um grupo específico de células. Estima-se que a ocorrência de SLAVs no cérebro seja de 0,58-1 SLAVs por célula e envolva 44-63% das células cerebrais.
Uma vez que os experimentos mostraram que metade dos SLAVs analisados não tem duplicação de local de destino (TSD), outro tipo de variante associada a L1 pode ocorrer. Na verdade, essas sequências não têm uma atividade de endonuclease, mas ainda têm motivos de endonuclease para que possam ser retrotranspostas em trans .
Uma aplicação do estudo do mosaicismo somático no cérebro poderia ser o rastreamento de células cerebrais específicas. De fato, se as inserções somáticas L1 ocorrerem em uma célula progenitora , a variante única poderia ser usada para rastrear o desenvolvimento, localização e disseminação da célula progenitora através do cérebro. Ao contrário, se a inserção somática de L1 ocorrer tarde no desenvolvimento, ela estará presente apenas em uma única célula ou em um pequeno grupo de células. Portanto, rastrear variações somáticas pode ser útil para entender em que ponto de desenvolvimento elas ocorreram. Mais experimentos são necessários para entender o papel do mosaicismo somático na função cerebral, uma vez que pequenos grupos de células ou mesmo células isoladas podem afetar a atividade da rede .
Variações somáticas humanas e o sistema imunológico
Mutações somáticas humanas (HSMs) são intensamente exploradas pelo sistema imunológico para a produção de anticorpos. HSMs, recombinação em particular, são de fato a razão pela qual os anticorpos podem identificar um epítopo com tal alta especificidade e sensibilidade.
Os anticorpos são codificados por células B. Cada anticorpo é composto por duas cadeias pesadas (IgH, codificada pelo gene IGH) e duas cadeias leves (IgL, codificada pelo gene IGL ou IGK). Cada cadeia é então composta por uma região constante (C) e uma região variável (V). A região constante (C) na cadeia pesada é importante na sinalização do BCR e determina o tipo de imunoglobulina (IgA, IgD, IgE, IgG ou IgM). A região variável (V) é responsável pelo reconhecimento do epítopo alvo e é o produto dos processos de recombinação nos loci relacionados.
Após a exposição de um antígeno , as células B começam a se desenvolver. O genoma das células B sofre repetidos processos de recombinação nos genes Ig até que o reconhecimento do epítopo seja aperfeiçoado. A recombinação envolve primeiro o locus IGH e depois os loci IGL e IGK. Todos os genes IGL, IGK e IGH são produtos do processo de recombinação V (D) J. Esta recombinação envolve os segmentos variável (V), diversidade (D) e junção (J). Todos os três segmentos (V, D, J) estão envolvidos na formação da cadeia pesada, enquanto apenas os produtos de recombinação V e J codificam para a cadeia leve.
A recombinação entre essas regiões permite a formação de 10 12 –10 18 potenciais sequências diferentes. No entanto, esse número é uma superestimativa, uma vez que muitos fatores contribuem para limitar a diversidade do repertório de células B, em primeiro lugar o número real de células B no organismo.
Mosaicismo cardíaco
O mosaicismo somático foi observado no coração. O sequenciamento sugeriu variação em mosaico na proteína da junção comunicante em três pacientes de 15 pode contribuir para a fibrilação atrial, embora relatos subsequentes em um grande número de pacientes não tenham encontrado exemplos entre um grande painel de genes. Em Stanford , uma equipe liderada por Euan Ashley demonstrou mosaicismo somático no coração de um recém-nascido apresentando arritmia com risco de vida. O sequenciamento do genoma baseado na família , bem como o sequenciamento do RNA do tecido e técnicas de genômica de célula única foram usados para verificar a descoberta. Um modelo combinando equações diferenciais parciais e ordinárias com entradas de experimentos heterólogos de eletrofisiologia de canal único da variante genética recapitulou certos aspectos da apresentação clínica.