Lynch syndrome에서 microsatellite instability (MSI), mismatch repair (MMR) genes이란?

Lynch syndrome에서 microsatellite instability, mismatch repair (MMR) genes이란? Lynch syndrome에 대한 여러 글이 있었음에도 microsatellite instability와 mismatch repair (MMR) genes에 대한 글은 없어 정리해 보았습니다. ​ Genetics ​ Lynch syndrome은 autosomal dominant (AD) 질환이고 ① 몇 가지 DNA mismatch repair (MMR) genes 중의 하나에서 germline mutation이 발생하거나 ② EPCAM gene deletion으로 인한 MSH2 표현의 소실 (loss of expression)이 원인입니다 [MSH2는 MMR gene 중의 하나입니다]. Lynch syndrome과 관련된 mismatch repair (MMR) genes은 다음과 같습니다. ● MLH1 (MutL homolog 1), which is located on chromosome 3p22.2 ● MSH2 (MutS homolog 2), which is located on chromosome 2p21-16 ● MSH6 (MutS homolog 6), which is located on chromosome 2p16.3 ● PMS2 (postmeiotic segregation 2), which are located on chromosome 7p22.1 ​ Tumor phynotyping로 확인된 MMR genes mutations 환자들 중에서 MLH1, MSH2, MSH6, PMS2의 변이는 약 37%, 41%, 13%, 9% 각각 발견되었습니다. ​ DNA mismatch repair (MMR)는 DNA replication과 recombination 동안 생길 수 있는 염기 (base)의 잘못된 insertion, deletion, mis-incorporation을 찾고 고치며 일부 유형의 DNA damage도 고칩니다. Mismatch repair는 strand-specific합니다. DNA 합성 동안 새롭게 생성된 (daughter) strand는 흔하게 errors를 포함합니다. Repiar를 시작하기 위해서 mismatch repair machinery는 template (parental)과 새롭게 생성된 strand를 구별합니다. Gram-negative bacteria는 일시적인 hemimethylation으로 strands를 구별합니다. Parental은 methylation되고 daugter strand는 그렇지 않습니다. 그러나 다른 prokaryotes와 eukaryotes에서 정확한 기전은 불분명합니다. Eukaryotes의 경우 새로 합성된 lagging-strand DNA가 DNA ligase에 의해 sealing되기 전에 nicks을 포함하고 있고 mismatch proofreading systems을 적절한 strand로 유도하기 위한 signal을 제공하는 것으로 의심됩니다. 이것은 이와 같은 nicks이 leading strand에 존재해야 함을 의미하고 이것에 대한 증거는 최근에 발견되었습니다. Diagram of DNA mismatch repair pathways. The first column depicts mismatch repair in eukaryotes, while the second depicts repair in most bacteria. The third column shows mismatch repair, to be specific in E. coli. ​ E. coli에 대한 연구에서 돌연변이적으로 비활성화되었을 때에 hypermutable strains을 일으키는 많을 유전자들을 확인하였습니다. 그러므로 이 유전자 생성물을 "Mut" proteins이라 불렀고 mismatch repair system의 주요 활성 구성요소입니다. 이 단백질 중에 3개는 mismatch를 감지하고 repair machinery를 그것으로 유도하는데 중요합니다. 이 3개는 MutS, MutH, MutL입니다. MutS는 dimer (MutS2)를 형성하고 daughter strand의 mismatched base를 알아내고 mutated DNA와 결합합니다. ​ ​ 사람에서도 DNA MMR system의 역할은 DNA replication 동안 base pairing errors로 발생된 base substitution mismatches와 작은 insertion-deletion mismatches를 교정함으로서 genomic integrity를 유지하는 것입니다. Normal MMR을 위해서 몇 가지 다른 gene products의 통합된 기능을 필요로 합니다. MMR system은 MutS-alpha와 MutS-beta라 불리는 2개의 heterodimeric protein complexes로 base-pair mismatches를 알아냅니다. MutS-alpha와 MutS-beta가 결합되어 heterodimeric protein인 것이 아니라 MutS-alpha와 MutS-beta 각각 2개가 결합된 heterodimer입니다. https://www.researchgate.net/figure/MutS-and-MutL-as-a-scaffold-for-recruitment-of-checkpoint-proteins-Based-on-the-results_fig4_40759594 MutS-alpha는 MSH2/MSH6 heterodimer이고 MutS-beta는 MSH2/MSH3 heterodimer입니다. 또한 MMR system은 3개의 다른 heterodimer pairs로 구성되어 있는데 MutL-alpha, MutL-beta, MutL-gamma입니다. MutL-alpha는 MLH1/PMS2 heterodimer, MutL-beta는 MLH1/PMS1 heterodimer, MutL-gamma는 MLH1/MLH3 heterodimer입니다. ​ MMR genes 중의 하나의 양쪽 alleles의 비활성화는 defective MMR을 초래합니다. 일반적으로 Lynch syndrome 환자들은 MMR gene의 한 allele에 germline mutation을 갖으며 second allele은 mutation, loss of heterozygosity, epigenetic silencing by promoter hypermethylation에 의해 somatically 비활성화됩니다. 그러면 세포 내에서 MMR genes의 biallelic inactivation은 정상 DNA 합성 동안 발생하는 DNA mismatches를 repair하지 못해 증가된 mutation rate (genomic instability)의 원인이 됩니다 (약 매 106 염기마다 한 개). DNA mismatches는 일반적으로 microsatellites라 불리는 repetitive nucleotide sequences 부위에서 발생합니다. 따라서 종양에서 mismatch repair 소실의 특징적인 모습은 정상 조직과 비교하여 이와 같은 microsatellite 부위의 확대 또는 감소입니다. 이와 같은 genetic alteration을 microsatellite instability (MSI)라 부르며 Lynch-associated cancers의 특징입니다. Microsatellite instability는 세포 성장을 조절하는 (transforming growth factor [TGF] beta and insulin-like growth factor [sIGF] receptors), apoptotic cell death와 (Caspase 5, Bax) 일부 DNA MMR genes 자체를 (hMSH3, hMSH6) 조절하는 유전자에 영향을 줄 수 이습니다. 이와 같은 암관련 유전자의 돌연변이 축적은 린치 증후군의 발암과정을 이끄는 것으로 여겨집니다. ​ 그러나 MSI는 린치 증후군에 특이적이지 않습니다. 약 sporadic colorectal cancers 환자의 15 %는 또한 MSI를 보입니다. Sporadic MSI-high (MSI-H) colorectal cancers는 DNA methylation의 aberrant patterns과 빈번하게 BRAF 유전자 돌연변이를 특징으로 하는 CpG island methylator phenotype (CIMP)라 불리는 methylation pathway를 통해서 전형적으로 발생합니다. 이러한 암은 MLH1의 somatic promoter methylation가 발생하고 MLH1 기능 소실과 결과적으로 MSI를 초래합니다. CRC에서 MLH1 expression 소실 유병률은 나이가 증가함에 따라서 현저히 증가하고 이 경향은 특히 여자에서 분명합니다. ​ 정리하면, 1. MMR genes 중의 하나의 양쪽 alleles의 비활성화는 defective MMR을 초래합니다. 일반적으로 Lynch syndrome 환자들은 MMR gene의 한 allele에 germline mutation을 갖으며 second allele은 mutation, loss of heterozygosity, epigenetic silencing by promoter hypermethylation에 의해 somatically 비활성화됩니다. ​ 2. DNA mismatches는 일반적으로 microsatellites라 불리는 repetitive nucleotide sequences 부위에서 발생합니다. 따라서 종양에서 mismatch repair 소실의 특징적인 모습은 정상 조직과 비교하여 이와 같은 microsatellite 부위의 확대 또는 감소입니다. 이와 같은 genetic alteration을 microsatellite instability (MSI)라 부르며 Lynch-associated cancers의 특징입니다. ​ 3. Lynch syndrome과 관련된 mismatch repair (MMR) genes은 다음과 같습니다. ● MLH1 (MutL homolog 1), which is located on chromosome 3p22.2 ● MSH2 (MutS homolog 2), which is located on chromosome 2p21-16 ● MSH6 (MutS homolog 6), which is located on chromosome 2p16.3 ● PMS2 (postmeiotic segregation 2), which are located on chromosome 7p22.1 ​ 4. 따라서 린치 증후군 진단에서 언급되는 MMR (MLH1, MSH2, MSH6, and PMS2) 또는 EPCAM gene에 대한 검사는 germline testing이고 microsatellite에 대한 검사는 MSI/IHC testing입니다. ​ ​ REF. Wikipedia UpToDate 2020.08.24