Введение
Ген, известный своей ролью в раке молочной железы, BRCA2 и BRCA2 (/b/r/æ/k/ə/'t/uː/) — это человеческие гены и их белковые продукты, соответственно. Официальный символ (BRCA2, курсивом для гена, не курсивом для белка) и официальное название (первоначально рак молочной железы 2; в настоящее время BRCA2, связанный с репарацией ДНК) поддерживаются Комитетом по номенклатуре генов HUGO. Один из альтернативных символов, FANCD1, отражает его связь с белковым комплексом FANC. Ортологи, обозначаемые Brca2 и Brca2, широко распространены у других видов позвоночных. BRCA2 — это человеческий ген-супрессор опухоли (в частности, ген-опекун), присутствующий у всех людей; его белок, также известный как синоним белок восприимчивости к раку молочной железы типа 2, отвечает за репарацию ДНК. BRCA2 и BRCA1 обычно экспрессируются в клетках молочной железы и других тканей, где они помогают восстанавливать поврежденную ДНК или уничтожать клетки, если репарация ДНК невозможна. Они участвуют в восстановлении повреждений хромосом, играя важную роль в безошибочной репарации разрывов двойной спирали ДНК. Если BRCA1 или BRCA2 повреждены мутацией в гене BRCA, поврежденная ДНК не восстанавливается должным образом, что повышает риск развития рака молочной железы. BRCA1 и BRCA2 были описаны как «гены восприимчивости к раку молочной железы» и «белки восприимчивости к раку молочной железы». Преобладающий аллель обладает нормальной функцией подавления опухоли, в то время как мутации с высокой пенетрантностью в этих генах приводят к потере функции подавления опухоли, что коррелирует с повышенным риском развития рака молочной железы. Ген BRCA2 расположен на длинном (q) плече хромосомы 13 в позиции 12.3 (13q12.3). Референсный ген BRCA2 человека содержит 27 экзонов, а кДНК состоит из 10 254 пар оснований, кодирующих белок из 3418 аминокислот.
BRCA2 and BRCA2 (,/b//r//æ//k//ə/'/t//uː/) are human genes and their protein products, respectively. The official symbol (BRCA2, italic for the gene, nonitalic for the protein) and the official name (originally breast cancer 2; currently BRCA2, DNA repair associated) are maintained by the HUGO Gene Nomenclature Committee. One alternative symbol, FANCD1, recognizes its association with the FANC protein complex. Orthologs, styled Brca2 and Brca2, are common in other vertebrate species. BRCA2 is a human tumor suppressor gene (specifically, a caretaker gene), found in all humans; its protein, also called by the synonym breast cancer type 2 susceptibility protein, is responsible for repairing DNA. BRCA2 and BRCA1 are normally expressed in the cells of breast and other tissue, where they help repair damaged DNA or destroy cells if DNA cannot be repaired. They are involved in the repair of chromosomal damage with an important role in the error free repair of DNA double strand breaks. If BRCA1 or BRCA2 itself is damaged by a BRCA mutation, damaged DNA is not repaired properly, and this increases the risk for breast cancer. BRCA1 and BRCA2 have been described as "breast cancer susceptibility genes" and "breast cancer susceptibility proteins". The predominant allele has a normal tumor suppressive function whereas high penetrance mutations in these genes cause a loss of tumor suppressive function, which correlates with an increased risk of breast cancer. The BRCA2 gene is located on the long (q) arm of chromosome 13 at position 12.3 (13q12.3). The human reference BRCA2 gene contains 27 exons, and the cDNA has 10,254 base pairs coding for a protein of 3418 amino acids.
Функция
Хотя структуры генов BRCA1 и BRCA2 очень различны, по крайней мере некоторые функции взаимосвязаны. Белки, производимые обоими генами, необходимы для восстановления поврежденной ДНК (см. рисунок этапов рекомбинационного восстановления). BRCA2 связывает одноцепочечную ДНК и напрямую взаимодействует с рекомбиназой RAD51, стимулируя и поддерживая инвазию цепи – жизненно важный этап гомологичной рекомбинации. Локализация RAD51 к месту разрыва двойной нити ДНК требует формирования комплекса BRCA1 PALB2 BRCA2. PALB2 (партнер и локализатор BRCA2) может функционировать синергически с химерой BRCA2 (называемой пикколо, или piBRCA2) для дальнейшего усиления инвазии цепи. Эти разрывы могут быть вызваны естественным и медицинским излучением или другими факторами окружающей среды, но также возникают при обмене генетическим материалом между хромосомами во время особого типа клеточного деления, приводящего к образованию сперматозоидов и яйцеклеток (мейоза). Разрывы двойных нитей также образуются при восстановлении перекрестных связей ДНК. Восстанавливая ДНК, эти белки играют роль в поддержании стабильности генома человека и предотвращают опасные перестройки генов, которые могут привести к гематологическим и другим видам рака. Показано, что BRCA2 играет важную роль в защите от нуклеолитической деградации, зависящей от MRE11, обратных вилок, формирующихся при остановке репликационной вилки ДНК (вызванной такими препятствиями, как мутации, интеркалирующие агенты и т.д.). Подобно BRCA1, BRCA2, вероятно, регулирует активность других генов и играет важную роль в развитии эмбриона.
Клиническое значение
Некоторые варианты гена BRCA2 повышают риск развития рака молочной железы как части наследного синдрома рака молочной железы и яичников. Исследователи выявили сотни мутаций в гене BRCA2, многие из которых увеличивают риск развития рака. Мутации BRCA2 обычно представляют собой вставки или делеции небольшого числа пар оснований ДНК в гене. В результате этих мутаций белковый продукт гена BRCA2 становится аномальным и не функционирует должным образом. Исследователи полагают, что дефектный белок BRCA2 не способен восстанавливать повреждения ДНК, возникающие во всем геноме. В результате этого происходит увеличение числа мутаций из-за ошибок при транслезионном синтезе, обходящем непоправленные повреждения ДНК, и некоторые из этих мутаций могут приводить к неконтролируемому делению клеток и образованию опухоли. У людей с двумя мутировавшими копиями гена BRCA2 развивается один из типов анемии Фанкони. Это состояние вызвано крайне низким уровнем белка BRCA2 в клетках, что приводит к накоплению поврежденной ДНК. Пациенты с анемией Фанкони подвержены различным типам лейкемии (раку клеток крови), солидным опухолям, особенно головы, шеи, кожи и репродуктивных органов, а также подавлению костного мозга (снижению выработки клеток крови, приводящему к анемии). Женщины, унаследовавшие дефектный ген BRCA1 или BRCA2, имеют настолько высокий и специфичный риск развития рака молочной железы и яичников, что многие носители мутаций предпочитают профилактическую хирургию. Существует множество гипотез, объясняющих такую кажущуюся поразительную тканевую специфичность. Основные факторы, определяющие локализацию наследственных раковых заболеваний, связанных с BRCA1 и BRCA2, связаны с тканевой специфичностью ракового патогена, агента, вызывающего хроническое воспаление, или канцерогена. Целевая ткань может иметь рецепторы к патогену, избирательно подвергаться воздействию канцерогенов и инфекционному процессу. Врожденный геномный дефицит нарушает нормальные реакции и усугубляет восприимчивость к заболеваниям в органах-мишенях. Эта теория также согласуется с данными по нескольким генам-супрессорам опухолей, помимо BRCA1 или BRCA2. Важным преимуществом этой модели является то, что она предполагает наличие альтернатив профилактической хирургии. Помимо рака молочной железы у мужчин и женщин, мутации в BRCA2 также приводят к повышенному риску развития рака яичников, маточных труб, предстательной железы и поджелудочной железы. В некоторых исследованиях мутации в центральной части гена были связаны с более высоким риском развития рака яичников и более низким риском развития рака предстательной железы, чем мутации в других частях гена. В некоторых семьях с мутациями BRCA2 также наблюдались другие типы рака. В целом, сильно унаследованные мутации генов (включая мутации в BRCA2) составляют лишь 5-10% случаев рака молочной железы; конкретный риск развития рака молочной железы или другого рака у носителя мутации BRCA2 зависит от множества факторов.
История
Ген BRCA2 был обнаружен в 1994 году. В 1996 году Кеннет Офит и его исследовательская группа из Мемориального онкологического центра Слоан-Кеттеринга успешно идентифицировали наиболее распространенную мутацию в гене, связанную с раком молочной железы и яичников, среди людей ашкеназского еврейского происхождения. Ген был впервые клонирован учеными из компаний Myriad Genetics, Endo Recherche, Inc., HSC Research & Development Limited Partnership и Университета Пенсильвании. Методы диагностики вероятности развития рака у пациентов с мутациями в генах BRCA1 и BRCA2 были защищены патентами, принадлежащими или контролируемыми компанией Myriad Genetics. Бизнес-модель Myriad, заключавшаяся в исключительном предложении диагностического теста, привела компанию от момента основания в 1994 году как стартапа к статусу публичной компании с 1200 сотрудниками и годовым доходом около 500 миллионов долларов в 2012 году. Это также вызвало споры из-за высоких цен на тесты и недоступности второго мнения от других диагностических лабораторий, что, в свою очередь, привело к знаковому судебному процессу Ассоциации молекулярной патологии против Myriad Genetics.
Мейоз
У растения Arabidopsis thaliana потеря гомолога BRCA2, AtBRCA2, вызывает серьезные дефекты как в мужском мейозе, так и в развитии женской гаметоциты. Белок AtBRCA2 необходим для правильной локализации белка синаптонемального комплекса AtZYP1 и рекомбиназ AtRAD51 и AtDMC1. Более того, AtBRCA2 требуется для правильного мейотического синапса. Таким образом, AtBRCA2, вероятно, играет важную роль в мейотической рекомбинации. По-видимому, AtBRCA2 действует в процессе мейоза, контролируя стадии одноцепочечного вторжения, опосредованные AtRAD51 и AtDMC1, происходящие при мейотическом гомологичном рекомбинационном восстановлении повреждений ДНК. Аналогичные явления наблюдаются у червя Caenorhabditis elegans и плодовой мушки Drosophila melanogaster. Мыши, производящие усеченные версии BRCA2, жизнеспособны, но стерильны. Крысы с мутациями в гене BRCA2 демонстрируют фенотип, характеризующийся задержкой роста и стерильностью у обоих полов. Асперматогенез у этих мутантных крыс вызван нарушением синапса гомологичных хромосом в процессе мейоза.
Повторные последовательности BRC
DMC1 (ДНК-меотическая рекомбиназа 1) является мейоз-специфичным гомологом RAD51, который опосредует обмен комплементарными цепями ДНК во время гомологичного рекомбинационного восстановления. DMC1 способствует формированию продуктов внедрения цепей ДНК (молекул соединения) между гомологичными молекулами ДНК. Человеческий DMC1 напрямую взаимодействует с каждой из серии повторяющихся последовательностей в белке BRCA2 (называемых BRC-повторами), которые стимулируют образование молекул соединения под действием DMC1. BRC-повторы соответствуют мотиву, состоящему из последовательности примерно из 35 высококонсервативных аминокислот, присутствующих как минимум один раз во всех белках, подобных BRCA2. BRC-повторы BRCA2 стимулируют образование молекул соединения, способствуя взаимодействию одноцепочечной ДНК (ssDNA) с DMC1. Потеря BRCA2 оказывает глубокое влияние на нейрогенез, особенно в период эмбрионального и постнатального развития нервной системы. Эти неврологические дефекты возникают вследствие повреждения ДНК. При немелкоклеточном раке легких BRCA2 эпигенетически репрессируется гиперметилированием промотора. В этом случае гиперметилирование промотора значительно коррелирует с низкой экспрессией мРНК и низкой экспрессией белка, но не с потерей гетерозиготности гена. При спорадическом раке яичников наблюдается противоположный эффект. Промотор BRCA2 и 5'-UTR области в ДНК опухоли содержат относительно мало или вообще не содержат метилированных динуклеотидов CpG по сравнению с ДНК, не относящейся к опухоли, и обнаружена значительная корреляция между гипометилированием и более чем трехкратным повышением экспрессии BRCA2. Это указывает на то, что гипометилирование промотора BRCA2 и 5'-UTR областей приводит к сверхэкспрессии мРНК BRCA2. В одном исследовании сообщалось о некотором эпигенетическом контроле экспрессии BRCA2 микроРНК miR-146a и miR-148a.
Экспрессия BRCA2 при раке
У эукариот белок BRCA2 играет важную роль в гомологичном рекомбинационном восстановлении. У мышей и людей BRCA2 преимущественно обеспечивает упорядоченную сборку RAD51 на одноцепочечной (ss) ДНК – форме, активной для гомологичного спаривания и вторжения в цепь. BRCA2 также перенаправляет RAD51 с двухцепочечной ДНК и предотвращает диссоциацию с ssDNA (см. таблицу). Многие виды рака характеризуются эпигенетическими дефицитами в различных генах, участвующих в репарации ДНК (см. Частота эпимутаций в генах репарации ДНК при раке). Эти дефициты в восстановлении, вероятно, приводят к увеличению количества непоправленных повреждений ДНК. Повышенная экспрессия BRCA2, наблюдаемая во многих раковых заболеваниях, может отражать компенсаторную сверхэкспрессию BRCA2 и усиление гомологичной рекомбинационной репарации, чтобы хотя бы частично справиться с избытком повреждений ДНК. Эгава и соавторы предполагают, что повышенная экспрессия BRCA2 может быть объяснена геномной нестабильностью, часто встречающейся при раке, которая индуцирует экспрессию мРНК BRCA2 из-за возросшей потребности в BRCA2 для репарации ДНК. Пониженная экспрессия BRCA2 сама по себе приведет к увеличению количества непоправленных повреждений ДНК. Ошибки репликации, возникающие при обходе этих повреждений (см. транслезионный синтез), приведут к увеличению числа мутаций и развитию рака. + Экспрессия BRCA2 при спорадических раковых заболеваниях. Рак | Превышение или снижение экспрессии | Частота изменения экспрессии | Метод оценки | Ссылка. Спорадический рак яичников | Превышение экспрессии | 80% | РНК-посланник (рецидивирующий рак в вышеуказанном исследовании) | Повышенная экспрессия | 71% | Иммуногистохимия.
Архитектура домена
BRCA2 содержит ряд из 39 аминокислотных повторов, критически важных для связывания с RAD51 (ключевым белком в рекомбинационном восстановлении ДНК) и устойчивости к обработке метилметансульфонатом. Геликальный домен BRCA2 имеет спиральную структуру, состоящую из четырехспирального кластерного ядра (альфа 1, альфа 8, альфа 9, альфа 10) и двух последовательных бета-петлей (бета 1 – бета 4). Сегмент, состоящий примерно из 50 аминокислот и содержащий четыре короткие спирали (альфа 2 – альфа 4), огибает поверхность структуры ядра. В BRCA2 спирали альфа 9 и альфа 10 упакованы с доменом BRCA2 OB1 посредством контактов Ван-дер-Ваальса, включающих гидрофобные и ароматические остатки, а также посредством водородных связей между боковыми цепями и основными цепями. Этот домен связывает белок DSS1 (deleted in split hand/split foot syndrome) из 70 аминокислот, который первоначально был идентифицирован как один из трех генов, картирующихся в локус размером 1,5 Мб, делетированный при наследственном синдроме нарушений развития.
Патенты, правоприменение, судебные споры и споры
Патентная заявка на изолированный ген BRCA1 и мутации, способствующие развитию рака, а также методы диагностики вероятности развития рака молочной железы, была подана Университетом Юты, Национальным институтом экологического здоровья (NIEHS) и Myriad Genetics в 1994 году; срок действия патентов начинает истекать в 2014 году. Питер Мелдрум, генеральный директор Myriad Genetics, признал, что у Myriad есть "другие конкурентные преимущества, которые могут сделать такое [патентное] преследование нецелесообразным" в Европе. Юридические решения, касающиеся патентов BRCA1 и BRCA2, повлияют на сферу генетического тестирования в целом. В июне 2013 года в деле Association for Molecular Pathology v. Myriad Genetics (No. 12-398) Верховный суд США единогласно постановил, что "естественно существующий сегмент ДНК является продуктом природы и не подлежит патентованию только на основании того, что он был изолирован", тем самым признав недействительными патенты Myriad на гены BRCA1 и BRCA2. Однако Суд также постановил, что модификация гена для создания чего-либо, не существующего в природе, все еще может быть защищена патентом. Федеральный суд Австралии пришел к противоположному заключению, подтвердив действительность австралийского патента Myriad Genetics на ген BRCA1 в феврале 2013 года, но это решение обжалуется, и апелляция будет включать в себя рассмотрение решения Верховного суда США.