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¿Puede la amenaza a la supervivencia aumentar las tasas de mutación en las células de la línea germinal?

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Poder estrés que se relacione con una amenaza de supervivencia de una población de animales o plantas en algún medio, como por hambre, sed, miedo a los depredadores, etc…; resulta en un aumento en la tasa de mutación promedio en las células de la línea germinal de los individuos de esa población, aumentando así la probabilidad de producir rasgos hereditarios que podrían ser beneficiosos para esa población al combatir esas condiciones adversas de supervivencia en ese entorno?

En las bacterias, esto se conoce como "mutágenosis inducida por estrés".

¿Hay algo comparable a eso en animales y plantas?


Bueno ... ya que no puedo eliminar esta respuesta aceptada ... va a ser un hurón inverso, hasta cierto punto. Una revisión de 2014 de Ram y Hadany enumera un buen número de apariciones de SIM fuera de las bacterias:

La mutagénesis inducida por estrés (SIM), el aumento de las tasas de mutación en individuos estresados ​​o mal adaptados, se ha demostrado en varias especies, incluidos los procariotas y eucariotas. […] SIM también se ha observado en levaduras, algas, nematodos, moscas y células cancerosas humanas.

El de las algas (Goho y Bell, 2000) parece / afirma haber sido el puño:

Los cultivos de Chlamydomonas se expusieron a una variedad de tensiones relativamente leves durante un período de 24 h. Estos estreses comprendieron altas y bajas temperaturas, estrés osmótico, pH bajo, inanición y estrés tóxico. A continuación, se evaluó la aptitud como la velocidad de división de las células aisladas en agar. Descubrimos que había una fuerte tendencia a que los cultivos estresados ​​tuvieran una aptitud media más baja y una mayor varianza estandarizada en la aptitud que los controles negativos que habían sido cultivados en un medio mínimo sin modificar. La misma tendencia se mostró, como se esperaba, por los controles positivos que recibieron dosis mutagénicas de irradiación ultravioleta. Concluimos que la interpretación más razonable de estas observaciones es que el estrés leve aumenta la tasa de mutación genómica. Esta parece ser la primera vez que se observa este fenómeno en eucariotas.

El artículo citado por Drosophila, Sharp y Agrawal (2012)

Nuestros resultados muestran que las tasas de mutación son sensibles al estrés genético, de modo que los individuos con genotipos de baja calidad producirán descendientes de una calidad genética aún menor, en un ciclo de retroalimentación positiva mutacional. Se espera que este tipo de variación en la tasa de mutación altere una variedad de predicciones basadas en la teoría de la carga de mutación y acelere la adaptación a nuevos entornos. La retroalimentación mutacional positiva podría afectar la salud humana al aumentar la tasa de mutación de la línea germinal, y posiblemente mutación somática, en individuos con mala salud debido al estrés genético o ambiental.

Claramente, este es bastante audaz al extrapolar sus hallazgos.

Y para resumir, el artículo sobre nematodos (Matsuba et al., 2012) encuentra una tasa de mutación dependiente de la temperatura.

Lo que parece ser el punto débil de este artículo, y quizás la razón por la que una revisión más crítica de Lynch et al., 2016 de SIM no los menciona, es que no parece haberse identificado ningún mecanismo de mediación explícito en estos estudios sobre eucariotas. En las bacterias (por ejemplo, el papel vinculado por el OP) cómo funciona SIM dentro de la célula se comprende bastante bien, de hecho, hay varios mecanismos que responden (de manera convergente) a varias formas de estrés.

Hay un reconocimiento (en el artículo de Drosophila) de que tales mecanismos en eucariotas pueden diferir de las bacterias

Las fuentes y los mecanismos subyacentes a esta variación se han estudiado mejor en microbios, pero las fuentes de variación en los microbios pueden diferir de las de los eucariotas multicelulares por varias razones. […]

En los animales, la tasa de mutación varía entre los genotipos, aunque se desconocen las fuentes funcionales de esta variación. […]

Continúa con algunas teorías sobre cómo podría funcionar.

En cuanto a la levadura, Rodríguez et al. (2012)

La reparación de la falta de coincidencia (MMR) es una vía importante de reparación del ADN en las células de todas las ramas de la vida que elimina los errores de replicación de una manera específica de la hebra, de modo que los nucleótidos no coincidentes se eliminan preferentemente de la hebra de ADN recién replicada. Aquí demostramos el papel de la MMR para ayudar a crear nuevos fenotipos en células que no se dividen. Demostramos que los pares erróneos en la levadura que escapan a la MMR durante la replicación pueden estar sujetos más tarde a la actividad de la MMR de una manera independiente de la cadena de replicación en células que no se dividen, lo que da como resultado una secuencia de ADN completamente de tipo salvaje o mutante. En un caso, esta actividad es responsable de lo que parece ser una mutación adaptativa. Esta actividad de MMR independiente de la cadena de replicación podría contribuir a la formación de tumores que surgen en células que no se dividen y también podría contribuir a la mutagénesis observada durante la hipermutación somática de genes de Ig.

Supongo que un punto débil de este artículo con respecto a SIM (que solo mencionan de pasada) es que no es obvio en su configuración cuál fue el estrés. Básicamente vieron un cambio (adaptativo) en la tasa de mutación (en respuesta al entorno), pero no señalan exactamente qué creen que fue el factor estresante. Entonces, este artículo es una forma inversa de las otras tres I, es decir, el mecanismo es claro, pero el estrés no lo es.


La mutación del bebé CRISPR aumenta significativamente la mortalidad

En un video que lanzó en noviembre de 2018, Jiankui explicó su razón de ser para la edición de embriones in vitro de CRISPR y luego implantar los embriones en una mujer china. La inseminación artificial resultó en el nacimiento el año pasado de dos niñas aparentemente sanas con mutaciones genéticas en el gen CCR5 que ahora están vinculadas a un aumento significativo de la mortalidad.

NOTA 27/09/19: Los científicos han encontrado un error en los datos de genotipado del Biobanco del Reino Unido utilizados en este estudio que niega los principales resultados de este documento. Si hay un efecto de la mutación CCR5 delta-32 sobre la mortalidad, es probable que el efecto sea mucho menor de lo que se informa aquí. Medicina de la naturaleza ha sido contactado y el trabajo será retirado.

BERKELEY & # 8211 Una mutación genética que un científico chino intentó crear en bebés gemelos nacidos el año pasado, aparentemente para ayudarlos a defenderse de la infección por VIH, también se asocia con un aumento del 21% en la mortalidad en la edad adulta, según un análisis de la Universidad de California, Berkeley, científicos.

Los investigadores escanearon más de 400,000 genomas y registros de salud asociados contenidos en una base de datos británica, UK Biobank, y encontraron que las personas que tenían dos copias mutadas del gen tenían una tasa de muerte significativamente más alta entre las edades de 41 y 78 años que aquellas con una o ninguna copia. .

Estudios anteriores han asociado dos copias mutadas del gen, CCR5, con un aumento de cuatro veces en la tasa de muerte después de la infección por influenza, y la tasa de mortalidad general más alta puede reflejar esta mayor susceptibilidad a la muerte por influenza. Pero los investigadores dicen que podría haber muchas explicaciones, ya que la proteína que codifica CCR5, y que ya no funciona en aquellos que tienen la mutación en ambas copias del gen, está involucrada en muchas funciones corporales.

“Más allá de las muchas cuestiones éticas involucradas con los bebés CRISPR, el hecho es que, en este momento, con el conocimiento actual, todavía es muy peligroso intentar introducir mutaciones sin conocer el efecto completo de lo que hacen esas mutaciones”, dijo Rasmus Nielsen. profesor de biología integrativa de UC Berkeley. “En este caso, probablemente no sea una mutación que la mayoría de la gente quisiera tener. En realidad, en promedio, estás peor si lo tienes ".

"Debido a que un gen podría afectar múltiples rasgos y debido a que, dependiendo del entorno, los efectos de una mutación podrían ser bastante diferentes, creo que puede haber muchas incertidumbres y efectos desconocidos en cualquier edición de la línea germinal", dijo el becario postdoctoral Xinzhu "April". Wei.

Wei es el primer autor y Nielsen es el autor principal de un artículo que describe la investigación que aparecerá en línea el lunes 3 de junio en la revista. Medicina de la naturaleza.

La mutación previene la infección por VIH

El gen CCR5 codifica una proteína que, entre otras cosas, se encuentra en la superficie de las células inmunitarias y ayuda a algunas cepas del VIH, incluidas las más comunes, a ingresar e infectarlas. Jiankui He, el científico chino que en noviembre pasado conmocionó al mundo al anunciar que había experimentado con CCR5 en al menos dos bebés, dijo que quería introducir una mutación en el gen que lo evitaría. Las mutaciones naturales que desactivan la proteína son raras en los asiáticos, pero una mutación encontrada en aproximadamente el 11% de los europeos del norte los protege contra la infección por VIH.

La mutación genética, denominada ∆32 (Delta 32), se refiere a un segmento faltante de 32 pares de bases en el gen CCR5. Esta mutación interfiere con la localización en la superficie celular de la proteína que codifica CCR5, frustrando la unión y la infección del VIH. No pudo duplicar la mutación natural, pero parece haber generado una deleción similar que también inactivaría la proteína. Según los informes, uno de los bebés gemelos tenía una copia de CCR5 modificada por la edición del gen CRISPR-Cas9, mientras que el otro bebé tenía ambas copias editadas.

Pero la inactivación de una proteína que se encuentra en todos los seres humanos y la mayoría de los animales probablemente tenga efectos negativos, dijo Nielsen, especialmente cuando se aplica a ambas copias del gen, lo que se conoce como mutación homocigota.

"Aquí hay una proteína funcional que sabemos que tiene un efecto en el organismo, y está bien conservada entre muchas especies diferentes, por lo que es probable que una mutación que destruya la proteína, en promedio, no sea buena para ti", dijo. dijo. "De lo contrario, los mecanismos evolutivos habrían destruido esa proteína hace mucho tiempo".

Después de que el experimento de He se hizo público, Nielsen y Wei, que estudian la variación genética actual para comprender el origen de los rasgos humanos, animales y vegetales, decidieron investigar el efecto de la mutación CCR5-∆32 utilizando datos del Biobanco del Reino Unido. La base de datos alberga información genómica sobre medio millón de ciudadanos del Reino Unido que está vinculada a sus registros médicos. La información genómica es muy similar a la adquirida por Ancestry.com y 23andMe: detalles sobre casi un millón de variaciones individuales en la secuencia genética, los llamados polimorfismos de nucleótido único (SNP).

Dos medidas independientes indicaron una tasa de mortalidad más alta para aquellos con dos genes mutados. Menos personas de las esperadas con dos mutaciones inscritas en la base de datos, lo que indica que habían muerto a una tasa más alta que la población general. Y menos de lo esperado sobrevivieron entre los 40 y los 78 años.

"Tanto las proporciones antes de la inscripción como la supervivencia después de la inscripción cuentan la misma historia, que es que tiene una menor supervivencia o una mayor mortalidad si tiene dos copias de la mutación", dijo Nielsen. "Simplemente hay una deficiencia de individuos con dos copias".

Debido a que la mutación ∆32 es relativamente común en los europeos del norte, debe haber sido favorecida por la selección natural en algún momento, dijo Nielsen, aunque probablemente no para proteger contra el VIH, ya que el virus ha circulado entre los humanos solo desde la década de 1980.

Wei dijo que algunas pruebas vinculan la mutación con una mayor supervivencia después de un accidente cerebrovascular y protección contra la viruela y los flavivirus, un grupo que incluye los virus del dengue, el Zika y el Nilo Occidental.

A pesar de estos posibles beneficios, los posibles efectos no deseados de la creación de mutaciones genéticas, tanto en las células somáticas adultas como en las células embrionarias de la línea germinal, abogan por la precaución, dijeron los investigadores.

"Creo que hay muchas cosas que se desconocen en la etapa actual sobre las funciones de los genes", dijo Wei. "La tecnología CRISPR es demasiado peligrosa para usarla en este momento para la edición de la línea germinal".

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01GM116044).


Abstracto

En las plantas, la gametogénesis se produce en una fase tardía del desarrollo y, por tanto, las mutaciones somáticas pueden transmitirse a la siguiente generación. Se cree que los períodos de crecimiento más prolongados dan como resultado un aumento en el número de divisiones celulares antes de la gametogénesis, con un aumento concomitante de las mutaciones que surgen debido a errores de replicación. Sin embargo, hay poca evidencia experimental que aborde cuántas divisiones celulares ocurren antes de la gametogénesis. Aquí, medimos la pérdida de ADN telomérico y la acumulación de errores de replicación en Arabidopsis con períodos de vida cortos y largos para determinar el número de repeticiones en los linajes que conducen a los gametos. Sorprendentemente, el número de divisiones celulares dentro del linaje de gametos es casi independiente tanto de la duración de la vida como del crecimiento vegetativo. Una consecuencia del número relativamente estable de replicaciones por generación es que las plantas más viejas pueden no transmitir más mutaciones adquiridas somáticamente a su descendencia. Confirmamos esta hipótesis mediante la secuenciación genómica de la progenie de plantas jóvenes y viejas. Esta independencia se puede lograr mediante la disposición jerárquica de las divisiones celulares en los meristemos de las plantas, donde el crecimiento vegetativo se logra principalmente mediante la expansión de las células en zonas meristemáticas que se dividen rápidamente, que rara vez se actualizan con divisiones ocasionales de células más inactivas. Apoyamos este modelo mediante experimentos de retención de 5-etinil-2′-desoxiuridina en meristemas apicales de brotes y raíces. Estos resultados sugieren que la organización de las células madre ha evolucionado de forma independiente en plantas y animales para minimizar las mutaciones limitando la replicación del ADN.

A diferencia de la mayoría de los animales, las plantas carecen de una línea germinal definida por el desarrollo. En cambio, los gametos se derivan tarde en el desarrollo de la planta después de períodos variables de crecimiento vegetativo (1). Una consecuencia importante de esta estrategia de desarrollo es que las mutaciones somáticas adquiridas durante el crecimiento vegetativo pueden transmitirse a la siguiente generación (2). Se han realizado numerosos estudios para intentar comprender si las mutaciones somáticas contribuyen a la aptitud y la evolución de las plantas y de qué manera (3 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –8). Se hipotetiza que la replicación del ADN durante la división celular es una de las principales causas de mutación genética (9 ⇓ –11), y las tasas de mutación están altamente correlacionadas con las duplicaciones del genoma en muchos taxones (12 ⇓ ⇓ ⇓ –16). Por lo tanto, un impedimento crítico para los estudios que examinan el papel de la mutación somática en la evolución del genoma vegetal es la falta de conocimiento sobre el número de divisiones celulares que separan un cigoto de sus gametos, una característica denominada "profundidad celular" (17), y cómo eso el número cambia con el crecimiento vegetativo. Hasta donde sabemos, las estimaciones de la profundidad de las células gaméticas en las plantas se limitan a cálculos basados ​​en el índice mitótico y las tasas de crecimiento (5, 18) o el número total de células y el contenido de ADN (19), que no proporcionan información sobre las correlaciones entre la profundidad y el desarrollo de las células.

En contraste con la escasez de conocimiento sobre la profundidad celular, se han realizado análisis de linaje celular en múltiples especies de plantas. El origen principal de todos los tejidos aéreos de una planta es una estructura en forma de cúpula llamada meristema apical del brote (SAM). Estos análisis de destino celular han demostrado que las células madre dentro de la SAM no tienen destinos predeterminados, sino que dan lugar a órganos de forma probabilística en función de su ubicación dentro de este nicho de células madre (20 ⇓ ⇓ –23). En Arabidopsis, se estima que de dos a cuatro células genéticamente efectivas (GEC) en la semilla seca son los progenitores de las rosetas tardías así como de las flores (20, 21, 24). En mutantes de floración tardía que experimentan un crecimiento vegetativo prolongado, las hojas adicionales producidas se derivan de estas dos a cuatro células, y no del crecimiento expandido de las células normalmente responsables de las hojas más tempranas (25). Se han informado resultados similares en mutantes de maíz que experimentan un crecimiento vegetativo adicional (26), lo que sugiere que esta es una característica conservada del crecimiento de las plantas. En general, se acepta que durante períodos más prolongados de crecimiento, las divisiones de las células genéticamente efectivas aumentarán la profundidad celular en el SAM antes de la floración y la gametogénesis, lo que dará como resultado un aumento en el número de mutaciones adquiridas somáticamente transmitidas a la descendencia (6).

Aquí presentamos un análisis cuantitativo de las replicaciones de ADN de la línea germinal en Arabidopsis y probar si el número de repeticiones aumenta con el crecimiento vegetativo prolongado. Usamos dos metodologías independientes, basadas en propiedades intrínsecas de la replicación del ADN. Primero, medimos la pérdida de ADN telomérico debido al problema de replicación final en los mutantes de telomerasa, que son incapaces de mantener los telómeros. En segundo lugar, medimos la acumulación de mutaciones debido a la incorporación errónea de la polimerasa en mutantes deficientes para la reparación de errores de apareamiento. Este análisis mostró que el número de replicaciones de ADN aumentó solo ligeramente en condiciones de vida prolongada, lo que demuestra que la profundidad celular de los gametos no es linealmente proporcional al período de crecimiento vegetativo.


Hematopoyesis clonal

Variación somática que da lugar a CH

Aquí, usamos "CH" como un término general que se refiere a la presencia de un clon mutante expandido de cualquier tipo dentro de la sangre, excluyendo la expansión reactiva de las células inmunes dentro de los órganos linfoides y la malignidad franca. El HC es un fenómeno común entre la población general y su prevalencia aumenta significativamente con la edad 7,8,9,10,11. La sangre no es la única en la acumulación de mutaciones con la edad, una tendencia que también se ha observado en los órganos sólidos 12, aunque el CH implica un conjunto distinto de genes mutados de forma recurrente y proviene de una fuente de tejido fácilmente disponible. Hasta la fecha, la literatura ha clasificado en gran medida el CH según el tipo de variación somática que se puede observar dentro del clon: eventos de ganancia, pérdida y pérdida de heterocigosidad de copia neutral (CN-LOH) que involucran una gran parte de un cromosoma o de un solo nucleótido. variación e inserciones / eliminaciones cortas (indels).

Con mucho, la lesión genética más común observada en CH es la pérdida en mosaico del cromosoma Y (mLOY) en los hombres 11,13,14,15,16. Además, se han documentado alteraciones cromosómicas en mosaico (mCA) 9,17,18, variantes de un solo nucleótido (SNV) e indeles en genes asociados con neoplasias mieloides, y mutaciones incidentales putativas / deriva genómica (CH con conductores desconocidos) 8,10. . En ausencia de una neoplasia hematológica, estos SNV / indeles se conocen como CH de potencial indeterminado (CHIP) cuando las mutaciones están presentes en ≥2% de la fracción alélica variante (VAF) 7,8. Este esquema de clasificación es en gran parte un subproducto de cómo se identifica el CH en los estudios existentes. Las anomalías cromosómicas, incluidos mLOY y mCA, se pueden interrogar utilizando matrices de genotipado de todo el genoma (como las que se utilizan para los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS)), mientras que los datos del exoma completo o de secuenciación del genoma completo (WGS) pueden identificar SNV o indels pero es subóptimo para identificar eventos mCA.

De estos subtipos de HC, la gran mayoría de los estudios de riesgo hereditario han examinado mLOY, mCA o CHIP, por lo que el resto de esta revisión se centra en estas tres entidades (Fig. 1).

La hematopoyesis clonal se refiere a una expansión clonal de células sanguíneas que a menudo se identifican en base a mutaciones genéticas compartidas. a | Un tipo especialmente común de hematopoyesis clonal es la pérdida en mosaico del cromosoma Y (mLOY), una entidad que a menudo se estudia por separado de otros eventos cromosómicos grandes. B | Cuando se obtienen, pierden o recombinan grandes segmentos de uno o más cromosomas, lo que da como resultado la pérdida de heterocigosidad, esto puede resultar en hematopoyesis clonal con alteraciones cromosómicas en mosaico (ACm). C | La hematopoyesis clonal también puede ocurrir a través de mutaciones en genes asociados a mieloides, denominada hematopoyesis clonal de potencial indeterminado (CHIP).

Epidemiología de CH

Todos los tipos de HC están fuertemente asociados a la edad. Se ha postulado que todos los adultos tienen algunas mutaciones de CH en fracciones clonales extremadamente bajas 19,20, pero las estimaciones de prevalencia de CH en la población se basan típicamente en la identificación de clones con VAF de al menos

2%, que es aproximadamente el límite de detección para muchos ensayos de uso común. Se estima que entre el 1,7 y el 20% de los hombres tienen alguna cantidad de mLOY 11,13,14,15,16,21, y la prevalencia aumenta a & gt40% de los individuos a los 70 años en el estudio epidemiológico más grande hasta la fecha 11. El cromosoma X parece tener una tasa más baja de adquisición de mCA. Aproximadamente el 8% de las mujeres mayores de 65 años tienen mosaicismo del cromosoma X detectable 9, mientras que los hombres rara vez tienen mosaicismo del cromosoma X en la sangre a cualquier edad de 22 años. Los eventos autosómicos de mCA son el tipo de HC menos comúnmente observado y afectan

1-5% de la población mayor de 70 años 9,17,23,24,25,26, mientras que se estima que CHIP afecta a & gt10% de las personas mayores de 70 años 7,8,27. Un individuo puede tener mCA y CHIP simultáneamente, lo que ocurre con frecuencia con mutaciones puntuales en JAK2 (una tirosina quinasa involucrada en múltiples vías de señalización de citocinas 28) y eventos de mCA en el mismo locus 17, 29. Sin embargo, aparte de la JAK2 locus, la co-ocurrencia de CHIP y mCAs identificados por secuenciación masiva / genotipado del mismo individuo parece ser un evento raro 18,27, aunque la prevalencia es mayor entre los pacientes tratados por tumores sólidos 30.

La prevalencia de HC varía según varias características demográficas. Existe un sesgo sexual para las lesiones específicas de la ACm, y la mayoría de estas tienen una mayor prevalencia en los hombres 17, 26. Aunque algunos estudios han sugerido un sesgo masculino para CHIP 7, otros estudios han encontrado que esta asociación no persiste después de controlar los posibles factores de confusión 27. Los grupos con diferentes ascendencias también tienen diferente prevalencia. Por ejemplo, mLOY se observa con menos frecuencia en individuos de ascendencia africana que de ascendencia europea (0,4% frente a 1,8%) 15. Mientras tanto, las mutaciones de CHIP se observan con menos frecuencia en individuos que se identifican como hispanos 7,27 o asiáticos del este 27.

Existen diferencias sustanciales a lo largo de la edad en la distribución de genes CHIP mutados 27,31. En particular, mutaciones en la ADN metiltransferasa de novo DNMT3A y en JAK2 pueden observarse con cierta regularidad a partir de la tercera y cuarta décadas de la vida, mientras que los clones portadores de mutaciones en los genes del espliceosoma generalmente no se detectan antes de la quinta y sexta décadas de la vida 27,31. La medida en que esta distribución está determinada por las diferencias en la mutabilidad de la secuencia de ADN 20, la ventaja de aptitud relativa 20 o las interacciones con un microambiente 31 envejecido es todavía un área de investigación activa.

Las exposiciones ambientales que aumentan la adquisición de variantes somáticas se correlacionan significativamente con la prevalencia de HC. En particular, fumar está fuertemente asociado con CHIP 8,27,32 y mLOY 11,13,14,15,16,33,34. En el caso de la quimioterapia citotóxica y la radioterapia, el espectro mutacional exhibe un marcado enriquecimiento de mutaciones en los genes de la vía de respuesta al daño del ADN 32,35,36. El crecimiento de clones de CH después de la terapia contra el cáncer se debe en parte a la expansión de clones preexistentes con una ventaja selectiva 35, pero también puede deberse a la introducción de nuevas mutaciones por los propios agentes contra el cáncer 37 o debido a los efectos estocásticos de un evento de cuello de botella para HSC.

Consecuencias para la salud del HC

Aunque la mayoría de las personas con HC tienen parámetros hematológicos normales, la HC se asocia con importantes consecuencias para la salud. Con respecto a las anomalías cromosómicas más grandes, los estudios epidemiológicos han demostrado asociaciones entre el mLOY y una amplia gama de resultados de salud en los hombres, incluida la mortalidad por todas las causas 15,21, numerosos tipos de cáncer 11,14,21,33,38,39, 40, eventos cardiovasculares 41, enfermedad de Alzheimer 42, esquizofrenia 43, enfermedad autoinmune 44,45, diabetes 15 y degeneración macular relacionada con la edad 46. Los eventos de mCA autosómicos se han asociado con un mayor riesgo de neoplasias hematológicas 17,18,26,30, así como con una mortalidad por todas las causas explicada solo parcialmente por el exceso de muertes por cáncer 9. Además, incluso cuando los mCA se asocian de forma independiente con un mayor riesgo de neoplasias mieloides, un análisis retrospectivo de pacientes con tumores sólidos encontró tasas relativamente más altas de neoplasias hematológicas en pacientes con mCA y CHIP en comparación con aquellos con cualquiera de ellos solo 30. Queda por determinar si la presencia de mCA / CHIP duales es un indicador de individuos con genomas particularmente inestables o si la combinación de estas lesiones conduce de manera cooperativa al riesgo de malignidad. El mayor riesgo de infección y las complicaciones infecciosas graves pueden explicar una parte del exceso de mortalidad observado en pacientes con ACM: un estudio multinacional reciente encontró que los eventos de ACM están moderadamente asociados con el riesgo de una amplia gama de infecciones (odds ratio (OR) = 1,06), incluido el riesgo de hospitalización por COVID-19 (OR = 1,6) 47. Las mutaciones somáticas en genes CHIP mutados de forma recurrente se han estudiado tanto en contextos epidemiológicos naturales como en modelos experimentales, que han revelado fuertes asociaciones con mortalidad, malignidad y ECV. La mortalidad por todas las causas es mayor en los individuos con CHIP en comparación con los que no tienen CHIP 7,10, esto se debe en parte a un mayor riesgo de neoplasias hematológicas, que se ha observado en muchos estudios 7,8,10,48,49. Sin embargo, los individuos con mutaciones CHIP tienen un exceso de mortalidad en comparación con aquellos que no albergan tales mutaciones incluso después de controlar las muertes por cáncer de sangre 7,10. Esto puede explicarse en parte por una asociación entre CHIP y CVD. A nivel poblacional, el CHIP se ha relacionado con una mayor carga de enfermedad de los vasos ateroscleróticos y un mayor riesgo de infarto de miocardio 50,51,52, así como con niveles sanguíneos más altos del marcador inflamatorio proteína C reactiva 53. Los modelos de ratón de CHIP han demostrado vínculos mecanicistas entre ciertas mutaciones comunes de CHIP y la aterosclerosis acelerada 50,54,55, así como la insuficiencia cardíaca 56,57.

A pesar del hecho de que numerosos genes afectados por mutaciones somáticas de CHIP se han asociado con un mayor riesgo de cáncer y ECV, existen indicios tempranos de importantes diferencias funcionales en cómo cada gen mutante podría contribuir a ese riesgo. Por ejemplo, mutaciones en el factor de empalme U2AF1 están asociados con un mayor riesgo de leucemia mieloide aguda (LMA) y con una latencia más corta para la enfermedad que las mutaciones en DNMT3A 48,58. Mutaciones somáticas en TET2, que codifica una dioxigenasa que se opone a la acción de DNMT3A al promover la desmetilación del ADN 58, y en JAK2 están asociados con la enfermedad de las arterias coronarias 50 pero pueden diferir en cómo contribuyen a la disfunción de las células sanguíneas. En modelos de ratón, mutaciones en Tet2, cuyo producto génico recluta HDAC2 para la resolución de la inflamación mediada por IL-6 59, se asocian con una mayor expresión de Il1b, Il6, Cxcl1, Cxcl2 y Cxcl3 (refs 50,54). Mientras que las mutaciones en Jak2 también conducen a una mayor Il1b expresión, además conducen a eritrofagocitosis 55 que promueve la placa, secreción de microvesículas derivadas de eritrocitos que inducen espasmos arteriales 60 y trampas extracelulares de neutrófilos trombóticos 61. Sin embargo, queda mucho por aprender sobre el riesgo relativo de resultados de la enfermedad con genes CHIP específicos, y mucho menos sobre cómo el riesgo de enfermedad puede variar entre las diferentes variantes que alteran las proteínas dentro de cada gen. La curación de grandes cohortes de CHIP con genotipo heredado y datos de fenotipo profundo permitirá una mayor investigación de cómo la variación de la línea germinal afecta el riesgo de CHIP a enfermedad.

Existe una evidencia acumulada de que las mutaciones de CHIP pueden interactuar con enfermedades humanas más allá del cáncer y las enfermedades cardiovasculares. Las mutaciones somáticas de CHIP se han asociado con varias enfermedades en las que la inflamación ocupa un lugar destacado, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica 18,62, la linfohistiocitosis hemofagocítica de inicio en el adulto 63 y la vasculitis asociada a anticuerpos anticitoplasma de neutrófilos 64. El CHIP también parece estar asociado con varios tipos de infecciones y con manifestaciones potencialmente graves de la enfermedad entre los infectados con SARS-CoV-2 (ref. 65), quizás como resultado de la señalización inflamatoria exacerbada por CHIP 66. Varios análisis recientes también han encontrado altas tasas de mutaciones somáticas en los genes CHIP en personas con inmunodeficiencia por VIH, que podría ser una consecuencia de un estado de enfermedad proinflamatoria, pero también podría deberse a la alteración del aclaramiento de los clones de CH por las células T 67 , 68. Además, CHIP puede tener interacciones dinámicas con determinadas intervenciones terapéuticas. Mutaciones en genes CHIP implicados en la vía de respuesta al daño del ADN, como TP53 y PPM1D, están altamente enriquecidos después de un tratamiento de radiación o tratamiento con unas pocas quimioterapias citotóxicas seleccionadas 32,35,69,70,71,72. Además, el CHIP se ha asociado con un aumento significativo de la mortalidad tras el implante percutáneo de válvula aórtica 73, que es el primer indicio de que el CHIP podría tener un impacto en los resultados quirúrgicos o de los procedimientos. La investigación emergente sugiere que CHIP puede afectar los resultados de los pacientes después del trasplante de HSC (HSCT). Las células madre hematopoyéticas trasplantadas enfrentan varios desafíos importantes y únicos, incluida la alta demanda replicativa para reconstituir toda la población de células sanguíneas, así como la exposición a terapias inmunosupresoras y citotóxicas. La evidencia actual (muy bien resumida en las referencias 74,75) sugiere que el CHIP derivado del donante no es infrecuente tanto en los receptores de TCMH alogénico como en los receptores de TCMH autólogo y puede aumentar los riesgos de enfermedad de injerto contra huésped, leucemia derivada del donante y mortalidad general, aunque las interacciones parecen ser complejas y pueden depender tanto de las características del paciente como del gen CHIP en cuestión.

Las lesiones genómicas dispares observadas en CH y sus asociaciones con una amplia gama de resultados de salud consecuentes han estimulado la investigación sobre cómo la genética de la línea germinal influye en la adquisición y el desarrollo de cambios somáticos específicos. En la siguiente sección, discutimos las asociaciones entre variantes heredadas y mLOY, mCAs y CHIP que se han descrito hasta la fecha (Fig. 2).

Muchos loci de riesgo de la línea germinal se han relacionado con el desarrollo de hematopoyesis clonal (HC). Los tres subtipos de CH que han recibido el mayor escrutinio en esta área son la pérdida en mosaico del cromosoma Y (mLOY), las alteraciones cromosómicas en mosaico (mCA) y la hematopoyesis clonal de potencial indeterminado (CHIP). Estos tres subtipos están enriquecidos con varias variantes de la misma línea germinal, como las que afectan a los genes de respuesta al daño del ADN. CHEK2 y Cajero automático, factor de proliferación TCL1Ay componente de telomerasa TERT. Sin embargo, cada una de estas entidades también conserva lugares de riesgo exclusivos para ella. Teniendo en cuenta el espectro de variantes, un patrón notable es una rareza de genes específicos de mitosis en CHIP en comparación con su abundancia relativa en mLOY y mCA. Otro tema amplio es la alta prevalencia de asociaciones previamente identificadas entre estos loci de la línea germinal y las enfermedades del envejecimiento, incluidas las neoplasias, las enfermedades cardiovasculares y la demencia. Queda por determinar el grado en que el CH está involucrado en estos vínculos conocidos con la enfermedad. Nota: se han asociado más de 150 loci con mLOY, de los cuales solo una pequeña parte se muestra en esta figura.


Discusión

La pérdida de la actividad helicasa de BLM causa inestabilidad genómica y altera la apoptosis, lo que hace que los individuos con síndrome de Bloom sean propensos al cáncer (19, 21, 24, 43, 44). Hay conclusiones contradictorias en la literatura sobre si los portadores de heterocigotos BLM las mutaciones tienen un mayor riesgo de cáncer (25, 29, 30, 45 ⇓ ⇓ –48). Algunos experimentos en ratones sugieren que la dosis de BLM es un modificador crítico de la tumorigénesis y la genética constitucional [como en pacientes con cáncer de mama doble heterocigoto (47)] y que la exposición a algunos virus podría modular el riesgo de cáncer en portadores de BLM mutaciones heterocigotas (27).

Descubrimos que 7 de 155 pacientes con mesotelioma no relacionados portaban una línea germinal heterocigótica patógena BLM mutaciones. Para 2 de estos 7, teníamos un pedigrí familiar: ambos pacientes tenían familiares que habían desarrollado mesotelioma con el mismo BLM mutaciones como en el probando. La mutación de la línea germinal c.968A & gtG encontrada en la familia 2 también estaba presente en un paciente con mesotelioma aparentemente no relacionado (Tabla 1). Este hallazgo significativo (PAG = 0,0017), dada una probabilidad de mutación de 0,00039, junto con la alta puntuación CADD, apoya el efecto patógeno contribuyente de esta mutación al mesotelioma.

Heterocigoto in vitro BLM las mutaciones indujeron inestabilidad genómica. Células mesoteliales de Blm +/− los ratones acumularon un mayor porcentaje de micronúcleos cuando se expusieron al asbesto, y silenciar BLM en las células HM expuestas al asbesto retrasó la fosforilación de H2A.X. En términos generales, la capacidad de reparación del ADN disminuida conduce a una inducción más rápida y prolongada de γ-H2A.X. Una interpretación adicional o alternativa a la cinética retardada de la formación de γ-H2A.X (35) inducida por la crocidolita es que, dado que las roturas del ADN de una sola hebra no son inductores potentes de los focos de γ-H2A.X y que las lesiones del ADN inducidas por el amianto pueden requieren un segundo paso para producir una lesión que provoque γ-H2A.X, el segundo paso probablemente sería la replicación del ADN, lo que podría conducir a la formación de DSB de ADN tras la replicación a través de una rotura de ADN de una sola hebra. Por lo tanto, la fosforilación retardada de H2A.X en células con niveles reducidos de BLM también podría ser la consecuencia de un ciclo celular más lento y la posterior formación de DSB dependiente de la replicación del ADN retardada (49).

Además, el silenciamiento de BLM protegió las células HM y los macrófagos de la apoptosis inducida por el amianto y protegió a las células del mesotelioma de la muerte celular inducida por H2O2 y ceramida. La apoptosis reducida aumenta la fracción de células que acumulan daño genético y que son propensas a la transformación maligna y ayuda a las células tumorales a sobrevivir a la quimioterapia (3, 17).

En los macrófagos silenciados con BLM, encontramos una mayor liberación de TNF-α, una citocina fuertemente ligada a la carcinogénesis mediada por amianto (36, 38 ⇓ ⇓ ⇓ –42). Respectivamente, Blm +/− ratones inyectados con crocidolita tenían macrófagos M1 aumentados y niveles más altos de TNF-α y otras citocinas proinflamatorias en el lavado peritoneal en comparación con WT. Estos resultados proporcionan una justificación mecanicista para la observación de que los ratones que llevan Blm Las mutaciones heterocigotas son más susceptibles a la carcinogénesis por asbesto en comparación con los ratones WT. En efecto, Blm +/− ratones expuestos al asbesto desarrollaron una incidencia significativamente mayor de mesotelioma y tuvieron una supervivencia específica de mesotelioma significativamente más corta, evidencia de G × E. Estos hallazgos indican que la exposición al asbesto aumenta el riesgo de mesotelioma en portadores de heterocigotos. BLM mutaciones. Dado que cuatro de nueve pacientes no informaron exposición, heterocigotos BLM las mutaciones también pueden aumentar el riesgo de mesotelioma per se.

Descubrimos que los portadores de la línea germinal BLM las mutaciones tienen un mayor riesgo de mesotelioma debido a: 1) la probabilidad de encontrar una línea germinal patógena heterocigota BLM mutaciones es significativamente mayor entre los pacientes con mesotelioma que en la población general (PAG = 6.7E-10) 2) en las familias afectadas, el mesotelioma solo se desarrolló en individuos que heredaron el BLM mutación y 3) la incidencia de mesotelioma fue mayor en Blm +/− ratones expuestos al asbesto. La inestabilidad genómica observada y el deterioro de la muerte celular inducida por amianto en células con niveles reducidos de BLM, así como la respuesta inflamatoria alterada en macrófagos humanos con niveles reducidos de BLM y en Blm +/− ratones, proporcionan una justificación mecanicista para estos hallazgos. En cuanto a la posible relevancia de estos hallazgos para otras neoplasias, aún se desconoce cuál es la frecuencia de BLM Las mutaciones +/− se encuentran en todos los cánceres.

En resumen, identificamos una familia de mesoteliomas en Turquía con línea germinal heterocigótica BLM mutaciones. Esto nos llevó a investigar BLM en familias estadounidenses de mesotelioma: los hallazgos combinados indicaron que los portadores de la línea germinal heterocigótica BLM las mutaciones tienen un mayor riesgo de desarrollar mesotelioma. Validamos estos hallazgos en un Blm modelo de ratón heterocigoto mutante y mecanismos aclarados en cultivo de tejidos. También identificamos 80 individuos portadores heterocigotos BLM variantes de pérdida de función en una cohorte de EE. UU. en Nevada (29,553 individuos) en la que, con el apoyo del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, estamos estudiando la relación entre mutaciones de la línea germinal y la exposición a carcinógenos ambientales. Las medidas de prevención de la exposición pueden estar justificadas para BLM portadores mutantes, por ejemplo, pueden decidir no viajar a áreas donde el amianto y otras fibras cancerígenas están abundantemente presentes en el medio ambiente (1, 50) y evitar el trabajo en oficios asociados con el riesgo de exposición al amianto. También pueden beneficiarse de un cribado de detección temprana a lo largo de las líneas de un ensayo clínico del NCI para BAP1 portadores de mutacionesClinicalTrials.gov identificador NCT03830229).


Discusión

Implicaciones para la génesis de la mutación.

Nos propusimos probar si las diferencias en las tasas de mutación humana y de babuinos se explican fácilmente por sus historias de vida. Como punto de partida, consideramos un modelo simple en el que las mutaciones son proporcionales a las divisiones celulares, las hembras tienen el mismo número de divisiones celulares en las 2 especies y las tasas de mutación por división celular sobre la ontogénesis son las mismas en las 2 especies. Bajo estos supuestos, esperaríamos un efecto de la edad paterna más fuerte en los babuinos y un mayor sesgo de mutación masculina en los humanos. Ninguna de estas expectativas se cumple: el efecto de la edad paterna no es notablemente más fuerte en los babuinos, y el sesgo masculino es similar, como ocurre en otros mamíferos para los que existen estimaciones de pedigrí directo de tasas específicas por sexo (Figura 3B).

Una posibilidad probable es que algunas de nuestras suposiciones sean incorrectas.En particular, una revisión reciente argumentó que las mutaciones de la línea germinal son de origen replicativo y, por lo tanto, rastrean las divisiones celulares, pero que la tasa de divisiones de la SSC es mucho menor de lo que se creía anteriormente [45]. Aunque plausible [45,46], esta explicación por sí sola no explicaría nuestros hallazgos: si las mutaciones se debieran a errores de replicación y si las tasas de divisiones de la SSC fueran muy bajas, sin hacer más suposiciones, esperaríamos tasas de mutación paterna en humanos y babuinos por generación para ser muy similar, cuando no lo son. A su vez, la tasa de mutación aproximadamente 2 veces menor observada en el babuino en comparación con las hembras humanas podría explicarse si hay menos rondas de replicación del ADN en los babuinos que en los humanos (o una mayor fidelidad de replicación). Por lo tanto, las observaciones individuales se pueden explicar bajo un modelo replicativo invocando parámetros específicos.

Sin embargo, tomados junto con otros estudios, nuestros hallazgos se suman a un conjunto creciente de observaciones que no se ajustan fácilmente a un modelo en el que la mayoría de las mutaciones de la línea germinal rastrean las divisiones celulares, incluido que (1) en humanos y en babuinos, hay un efecto de la edad materna sobre mutaciones, que contribuye a una proporción sustancial de mutaciones maternas, a pesar de la ausencia de divisiones celulares después del nacimiento de la futura madre [17,19,32 este artículo] (2) el sesgo de mutación masculina en humanos ya es aproximadamente 3: 1 por pubertad, cuando se cree que las células germinales de los 2 sexos han experimentado un número similar de divisiones celulares para entonces [32] (3) en humanos, el sesgo de mutación masculina apenas aumenta con la edad de los padres, y menos aún una vez que se excluyen las transiciones de CpG, a pesar de las divisiones en curso de SSC [32] y (4), el sesgo sexual en las tasas de mutación es aproximadamente similar entre los mamíferos [este artículo 4]. La observación 1 indica que una fracción no despreciable de mutaciones en las mujeres no son replicativas. Las observaciones 2 a 4 podrían explicarse por errores de replicación si asumimos que varias creencias actuales sobre la espermatogénesis son incorrectas: a saber, que hay más (o más mutagénicas) divisiones celulares en hombres que en mujeres antes de la pubertad y que hay menos (o más) menos mutagénicas) divisiones celulares en varones después de la pubertad. Incluso si ambas condiciones se mantienen, todos los parámetros necesitarían cancelarse convenientemente tanto en humanos como en mamíferos para generar una aparente dependencia del tiempo absoluto en lugar de divisiones celulares [16] y una estabilidad relativa del sesgo masculino en la mutación.

Una alternativa es que las mutaciones de la línea germinal se deben principalmente a daños en ambos sexos. Tener en cuenta las 4 observaciones requeriría que el daño se acumulara a una tasa relativamente fija en todos los mamíferos, pero a una tasa algo mayor en los machos que en las hembras, y que se reparara de manera ineficaz en relación con la duración del ciclo celular [16]. En principio, esta hipótesis podría explicar la estabilidad relativa del sesgo de mutación masculina con las edades de los padres en los seres humanos, la similitud del sesgo de mutación masculina en los mamíferos y la similitud del espectro de mutación en los 2 sexos. También explicaría por qué las tasas de mutación de primates por generación parecen seguir aproximadamente las edades típicas de reproducción [este artículo 25]. Sin embargo, también requiere una serie de suposiciones, que aún no se han probado (por ejemplo, [47]).

Comparación de tasas de mutación y tasas de sustitución contemporáneas

Los estudios de divergencia en primates demuestran claramente que las tasas de sustitución neutra varían sustancialmente a lo largo de la filogenia [29]. En particular, el babuino oliva ha acumulado un 35% más de sustituciones a lo largo de su linaje en comparación con los humanos desde su antepasado común (Fig. 4A). Si son neutrales, se espera que las mutaciones se fijen a la velocidad a la que surgen [48]. Por lo tanto, esperaríamos que la tasa de mutación por unidad de tiempo en los babuinos fuera sustancialmente más alta que en los humanos. Para evaluar esta hipótesis, convertimos nuestras tasas de mutación de la línea germinal de novo a tasas anuales utilizando un modelo promediado por sexo que tiene en cuenta las relaciones específicas de sexo de las tasas de mutación con la edad y los rasgos de la historia de vida específicos del sexo [42]. Esto produjo tasas de mutación anuales de 5,49 × 10 −10 en babuinos, un 35% (IC del 95%: 18% -51%) mayor que la tasa de 4,08 × 10 −10 en humanos (Figura 4B). Por lo tanto, la proporción de tasas de mutación anuales actuales parece ser bastante consistente con la proporción de tasas de sustitución observada en estas 2 especies.

(A) Relación filogenética entre humanos y babuinos con un grupo externo de titíes (monos del Nuevo Mundo). Las longitudes de las ramas denotan la tasa de sustitución autosómica por pb desde la división OWM-tití medida con datos de [29] para todos los tipos de mutación en regiones supuestamente neutrales del genoma. La diferencia relativa en la longitud de las ramas entre los linajes de babuinos y humanos se indica en púrpura. (B) Tasas de mutación promediadas por sexo por año. Las tasas de mutación se basaron en valores ajustados para tiempos de generación típicos (es decir, suponiendo 32,0 y 28,2 años en machos y hembras humanos, respectivamente, y 10,7 y 10,2 años en machos y hembras de babuinos) y se convirtieron en una tasa de mutación anual promediada por sexo. siguiendo [42]. Las líneas verticales indican el intervalo cubierto por los IC del 95% de la intersección y la pendiente de las regresiones del efecto de la edad. (C) La relación de las tasas anuales de mutación y sustitución en babuinos en relación con los humanos, según lo estimado para los diferentes tipos posibles que involucran combinaciones de pb fuerte (S: G / C) y débil (W: A / T). Cada punto denota un tipo diferente, y los tipos de fuerte a débil (S & gtW) se separaron en los que ocurrieron en un sitio CpG o no CpG. Los puntos se colorean de acuerdo con si se espera que la conversión de genes sesgada por GC favorezca (rojo claro), no favorezca (rojo oscuro) o no tenga ningún efecto (azul) en el tipo de mutación. Las líneas horizontales denotan IC del 95% en la tasa de tasa de mutación calculada por remuestreo de bloques de 50 cM. El CI superior para CpG S & gtW se extiende fuera del marco hasta 2.8. Las estimaciones puntuales de las tasas de sustitución en babuinos y humanos se tomaron de [29]. La línea de identidad está dibujada en gris como referencia. (D) Tiempos de divergencia pronosticados de humanos y OWM en función de la edad de los padres. Los tiempos de divergencia se predijeron utilizando tasas de mutación y sustitución autosómica medidas en humanos (verde azulado) y babuinos (naranja), en un lapso de tiempos de generaciones pasadas plausibles. Cada punto dentro de las áreas sombreadas representa el tiempo de divergencia calculado en un tiempo de generación paterno particular (eje x) y la proporción de tiempo de generación paterno-materno (que varía de 0,8 a 1,2) como se indica en violeta. La línea gris discontinua indica un límite superior plausible para el tiempo fraccionado inferido del registro fósil [49,50]. Los datos subyacentes para esta figura se pueden encontrar en S2 Data. BGC, conversión de genes sesgada pb, par de bases cM centimorgan CpG, 5′-citosina-fosfato-guanina-3 ′ OWM, mono del Viejo Mundo.

Debido a que la conversión de genes sesgada en la mutación actúa como selección e influye en el proceso de sustitución, dividimos aún más las sustituciones por tipo, dependiendo de si la probabilidad de fijación aumentó, disminuyó o no se vio afectada por la conversión de genes sesgada, nuestros hallazgos son los esperados, con mutaciones favorecidas ( o desfavorecido) por la conversión de genes sesgada que muestra tasas de sustitución ligeramente más altas (o más bajas) en relación con las tasas de mutación (Fig. 4C). Aunque se estiman de forma imprecisa, los tipos de mutación que no están sujetos a una conversión genética sesgada (Fuerte [G / C] & gt Fuerte y Débil [A / T] & gt Débil) muestran una buena concordancia entre las tasas de mutación y sustitución.

Si las mutaciones son neutrales y se acumulan a una tasa fija, podemos relacionar los niveles de divergencia con las tasas de mutación para estimar el tiempo medio hasta el ancestro común más reciente (MRCA), en este caso de los OWM y los grandes simios. Dividir la tasa de sustitución neutral humana por la tasa de mutación anual arroja un tiempo de 64 millones de años (My), mientras que el mismo cálculo que utiliza tasas estimadas en babuinos arroja un tiempo de divergencia de 65 My. Sin embargo, la evidencia del registro fósil fecha el tiempo dividido de la población de grandes simios OWM en 35 My [49,50] como máximo. Aunque las estimaciones basadas en divergencias corresponden al tiempo medio del MRCA en lugar del tiempo fraccionado, se espera que estos dos sean muy similares para especies tan divergentes (en unidades de nortemi generaciones, donde nortemi es el tamaño efectivo de la población) [51]. Por lo tanto, el número de sustituciones sugiere un tiempo fraccionado que es inverosímilmente antiguo.

Una posible explicación es que las tasas anuales de mutación tanto en los linajes humanos como en los babuinos se han ralentizado hacia el presente debido a los cambios en los rasgos de la historia de vida solamente [14,28,42]. Exploramos esta hipótesis examinando el efecto del tiempo histórico de generación sobre el tiempo medio inferido hasta el antepasado común (Fig. 4D). Variamos los tiempos de generación paterna que van desde un límite inferior de 3 años (la edad promedio de reproducción de varias especies de monos del Nuevo Mundo [51]) en ambas especies hasta límites superiores de 32 años en humanos y 15 años en babuinos, permitimos además que el macho La relación entre el tiempo de generación y la de las mujeres varía de 0,8 a 1,2 [42]. Usamos las estimaciones puntuales del efecto de la edad publicadas por Gao y colegas [32] como los parámetros de efecto de la edad de los seres humanos en nuestro modelo, razonando que, extraídos de una muestra más grande, estas estimaciones serían más precisas en los seres humanos. Dado que teníamos muy pocos tríos de babuinos para estimar los parámetros con precisión, asumimos que la fuerza de los efectos de la edad de los padres en los babuinos es similar a la de los humanos y usamos las estimaciones de Gao y sus colegas para modelar la acumulación de mutaciones en los babuinos también, a pesar de las tentativas evidencia de que el efecto de la edad paterna del babuino puede ser más débil (Fig. S7). Nuestro análisis sugirió que, en ambas especies, se requerirían tiempos de generación inverosímilmente bajos de aproximadamente 3 a 5 años para producir tiempos de divergencia que estén más en línea con las estimaciones basadas en fósiles e incluso entonces, apenas. En cambio, utilizando nuestras propias estimaciones para los parámetros del efecto de la edad en machos y hembras de babuinos, se llega a la misma conclusión (Fig. S8). Por lo tanto, nuestros resultados amplían el rompecabezas señalado por primera vez por Scally y Durbin [53] de una aparente desconexión entre los tiempos evolutivos sugeridos por los datos filogenéticos y de pedigrí en humanos. Reconciliarlos ahora requiere no solo una desaceleración de la tasa de mutación por generación en humanos sino también en babuinos.

Una desaceleración paralela en ambos linajes parece muy poco probable si las mutaciones son de origen replicativo, dado que los cambios en la historia de la vida no pueden explicar de manera plausible la magnitud del efecto. En principio, uno podría imaginar que las tasas de mutación de la línea germinal en las 2 especies están formadas por el mismo mutágeno exógeno y que un cambio que ocurre después de su división afecta las tasas de manera similar en ambos linajes, lo que lleva a una desaceleración paralela. Si es así, el cambio en la tasa de daño no podría haber afectado mucho la proporción de mutaciones de hombre a mujer, porque α parece ser similar en ambas especies. Para evaluar esta posibilidad, será importante obtener estimaciones comparables de más especies, en particular, un grupo externo a OWM y simios, como un mono del Nuevo Mundo. Una alternativa es que el registro fósil de OWM se ha malinterpretado para sugerir un tiempo dividido más reciente de OWM y simios de lo que realmente es el caso.

De manera más general, aunque hemos argumentado anteriormente que los patrones de mutación de la línea germinal en humanos y babuinos se explican más fácilmente si se deben principalmente a daños, tal hipótesis no proporciona una explicación inmediata de por qué las tasas de mutación y sustitución por año varían entre las especies de mamíferos. o tienden a ser mayores en los de vida más corta [12,14-16,54]. Una posibilidad es que las tasas de daño covaríen algo con los rasgos de la historia de vida [55], con una tendencia hacia tasas de daño más altas en especies de vida más corta. En ese sentido, sería interesante caracterizar las tasas de sustitución en conjuntos de especies que difieren en sus exposiciones ambientales y tasas metabólicas y examinar las diferencias en su espectro de mutaciones a la luz de mutágenos conocidos (por ejemplo, [9]).


Materiales y métodos

Se donaron de forma anónima eyaculados únicos de 89 hombres sanos (de 22 años de edad) y se registró la edad del donante. Se obtuvieron muestras de sangre de siete individuos de 36 & # x0201371 años. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito de todos los donantes y las muestras se recolectaron con el permiso del Comité de Ética de Investigación de Oxfordshire (OxREC C03.076). Para el análisis de SpS, se recolectaron 33 muestras de archivos de tejidos. Para obtener una descripción detallada de los métodos, consulte Texto SI.


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CUESTIONES ÉTICAS Y REGLAMENTARIAS QUE PLANTEA LA EDICIÓN DEL GENOMA DE CÉLULAS SOMÁTICAS

En la mayoría de los aspectos, la edición del genoma de células somáticas se desarrollará con el beneficio de la sólida base de conocimientos técnicos de la terapia génica y dentro del sistema existente de supervisión regulatoria y normas éticas que han facilitado la investigación actual y el desarrollo clínico de la terapia génica y de células somáticas en todo el mundo. el mundo, incluidos Australia, China, Europa, Japón y Estados Unidos (véase el Capítulo 2). Estos sistemas regulatorios incluyen una amplia gama de modelos preclínicos y diseños de estudios para respaldar el desarrollo clínico de terapias basadas en células editadas, así como una hoja de ruta para las primeras pruebas clínicas en humanos y la comercialización final.

Supervisión regulatoria en los Estados Unidos

Como se describe en el Capítulo 2, las pruebas clínicas de la edición del genoma de células somáticas no podrían comenzar en los Estados Unidos sin que la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) hubiera aprobado primero una solicitud de Nuevo Medicamento en Investigación (IND), y el protocolo clínico requeriría una junta de revisión institucional (IRB) y revisión en curso (FDA, 1993). Además, la revisión realizada por el Comité Asesor de ADN Recombinante (RAC) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) informa las deliberaciones de la FDA y los IRB y proporciona un lugar para la discusión pública. Otros países tienen vías similares, como se describe en el Capítulo 2, aunque con algunas variaciones en la etapa de la investigación en la que se puede comercializar un terapéutico basado en células y los términos bajo los cuales se puede retirar.

La cuestión de la aprobación para uso clínico depende en gran medida de identificar cuándo se puede esperar que los beneficios superen los riesgos cuando una terapia se usa como se indica en la etiqueta y según lo previsto (Califf, 2017). Los datos de los ensayos clínicos se revisan cada vez más dentro de un marco estructurado que identifica la necesidad, las alternativas, las áreas de incertidumbre y las vías para la gestión de riesgos. 5 Según el excomisionado de la FDA, Robert Califf,

Los equipos de revisión de productos de la FDA deben sopesar la evidencia científica y clínica y considerar las perspectivas conflictivas de las partes interesadas y de la sociedad sobre el valor de los beneficios y la tolerabilidad de los riesgos. Deben considerar la existencia y eficacia de tratamientos alternativos, la gravedad de la enfermedad, la tolerancia al riesgo de los pacientes afectados y la posibilidad de obtener información adicional a partir de los datos posteriores a la comercialización. Tales decisiones requieren buscar el equilibrio apropiado entre evidencia de alta calidad y acceso temprano, entre beneficio y riesgo, entre proteger al público estadounidense y fomentar la innovación que pueda mejorar los resultados de salud. (Califf, 2017)

La aprobación de una terapia génica puede depender de cuán cuidadosamente se puedan monitorear los riesgos y beneficios una vez que entre en uso clínico. Sobre este tema, la FDA ha publicado una guía influyente (aunque no vinculante) para los ensayos de terapia génica que también serían relevantes para los ensayos de edición del genoma (FDA, 2006). No siempre se requiere un seguimiento a largo plazo, por ejemplo, cuando los datos preclínicos sobre factores como la secuencia del vector, la integración y el potencial de latencia demuestran que los riesgos a largo plazo son muy bajos. Pero cuando existen riesgos a largo plazo, el ensayo clínico de terapia génica debe proporcionar observaciones de seguimiento a largo plazo para mitigar esos riesgos (FDA, 2006, p. 1). Sin un plan de este tipo para las observaciones de seguimiento a largo plazo, los riesgos no serían razonables y (presumiblemente) el ensayo no podría aprobarse. Cuando sea necesario, la guía sugiere un período de 15 años de contacto posterior al juicio, observación y exámenes físicos (aunque esto se puede acortar en función de factores como la persistencia del vector o cuando se predice que los sujetos solo tendrán una supervivencia a corto plazo). Antes de inscribirse, los sujetos deben dar su consentimiento informado voluntario para el seguimiento a largo plazo y, si bien pueden retirarse en cualquier momento, se espera que lo cumplan.

Una vez aprobadas por la FDA para determinadas poblaciones e indicaciones, las terapias basadas en genes estarían sujetas a seguimiento posterior a la comercialización y notificación de eventos adversos, y se agregarían advertencias especiales. Los productos se retirarán por completo si se demuestra que son inseguros o ineficaces. Además, las estrategias de mitigación y evaluación de riesgos posteriores a la comercialización (REMS, por sus siglas en inglés), como exigir a los médicos que tengan una competencia especial o exigir que los pacientes se inscriban en un registro, podrían ser necesarias si preocupaciones importantes de seguridad impidieran la aprobación sin estos controles adicionales.

El uso no autorizado de células sujetas a edición del genoma sería legal en los Estados Unidos, en Europa y en otros países, y es probable que se espere con respecto a las poblaciones de pacientes (p. Ej., Si se aprueba para adultos, el uso podría extenderse fuera de etiqueta para poblaciones pediátricas) o para diversos grados de gravedad de la indicación de la enfermedad. 6 La perspectiva del uso no autorizado ha llevado a especulaciones sobre la expansión incontrolada de la tecnología hacia usos que son inseguros, imprudentes, innecesarios o injustos. Y es cierto que el uso no indicado en la etiqueta, si bien es un aspecto importante de la medicina innovadora, a veces puede dar lugar a usos que carecen de una base probatoria rigurosa. Pero la especificidad de estas celdas editadas puede limitar el rango de usos fuera de etiqueta para indicaciones no relacionadas más que en el caso de muchos medicamentos. 7 Si bien uno podría imaginar que una terapia celular basada en la edición del genoma para la distrofia muscular sea de posible interés para aquellos con tejido muscular sano que desean volverse aún más fuertes, otros ejemplos son más difíciles de imaginar, al menos en el futuro cercano. Este punto es de particular relevancia para las preocupaciones sobre usos que van más allá de la restauración o el mantenimiento de la salud ordinaria (discutido en el Capítulo 6) porque la especificidad de las celdas editadas hace que tales aplicaciones sean menos probables en este momento.

Varios desafíos técnicos enfrentados al mover la edición del genoma somático hacia las pruebas clínicas ya han sido superados por la terapia génica somática convencional. Con respecto a las estrategias ex vivo, se basan en la modificación de tipos de células humanas y, por lo tanto, solo se pueden probar en modelos de cultivo in vitro o en el xenotrasplante de las células modificadas en ratones inmunodeprimidos. Estos estudios cuestionan la viabilidad celular, la biodistribución y la función biológica in vivo, incluida la autorrenovación, la multipotencia y la clonogenicidad, todas características cruciales de las células madre. Las estrategias in vivo pueden requerir pruebas preclínicas de toxicidad y biodistribución en primates no humanos, incluida la evidencia de que no se produce una modificación involuntaria de la línea germinal. De hecho, el campo de la terapia génica ha determinado que no deberían permitirse enfoques in vivo que conduzcan a una modificación no intencionada de la línea germinal. Sin embargo, tenga en cuenta que la mayoría de los ensayos de transmisión de la línea germinal tienen baja sensibilidad y, por lo tanto, es posible que deba manejarse un cierto grado de incertidumbre al considerar el desarrollo clínico y la regulación.

Las autoridades reguladoras de los Estados Unidos y Europa y la Conferencia Internacional sobre Armonización (ICH) han publicado varios documentos de orientación para ilustrar los principios generales para investigar y abordar los riesgos de la integración inadvertida de la línea germinal de productos de terapia génica en estudios no clínicos, y para proporcionar consideraciones para minimizar este riesgo potencial en seres humanos inscritos en ensayos clínicos (EMA, 2006 FDA, 2012a ICH, 2006). Estas directrices podrían adaptarse adecuadamente al diseño de estudios preclínicos de estrategias de edición del genoma somático.

En un esfuerzo por acelerar el desarrollo de la medicina regenerativa, se ha lanzado una nueva asociación pública y privada. Se estableció el Organismo Coordinador de Normas Internacionales

avanzar en las técnicas de proceso, medición y análisis para respaldar la disponibilidad global de productos de medicina regenerativa, de ingeniería de tejidos y de células, genes y productos de descubrimiento de fármacos basados ​​en células. La creación de estándares crea un entorno de cumplimiento más uniforme y aborda y ayuda en los esfuerzos futuros para la armonización internacional del marco regulatorio para las presentaciones en todo el mundo. 8

Los sectores de actividad incluyen la modificación genética de células, con mención específica de estándares para medir eventos fuera del objetivo en la edición del genoma (Werner y Plant, 2016).

Regulación de la edición del genoma somático por enfoque e indicación

Una evaluación ética y normativa de futuras aplicaciones de edición del genoma somático puede depender tanto del enfoque técnico de la edición como de la indicación prevista. Al igual que la terapia génica tradicional, la edición del genoma somático podría usarse para revertir una mutación genética subyacente a una variante no asociada con la enfermedad, lo que daría como resultado que una fracción de las células objetivo recuperaran la función normal. La edición del genoma somático también podría usarse para diseñar una célula de modo que su fenotipo difiera del de una célula normal y fuera más capaz de resistir o prevenir enfermedades. Por ejemplo, una célula podría cambiarse para que produzca cantidades superiores a lo normal de una proteína o para que sea resistente a una infección viral. Se podrían aplicar enfoques tanto ex vivo como in vivo para la edición del genoma para tratar o prevenir una enfermedad. Además, la edición del genoma podría usarse para alterar un rasgo no asociado con una enfermedad (ver Capítulo 6).

Independientemente del marco final utilizado para evaluar las aplicaciones de edición del genoma de células somáticas humanas, es vital que los mecanismos de supervisión reguladora tengan suficiente autoridad legal y capacidad de ejecución para identificar y bloquear aplicaciones no autorizadas. Hasta la fecha, las estructuras existentes han tenido éxito en la prevención de aplicaciones no autorizadas de terapia génica, y el marco actual proporciona orientación sobre elementos clave. Aunque la edición del genoma humano puede ser algo más difícil de controlar que la terapia génica tradicional porque los avances técnicos han facilitado la realización de los pasos de edición, las manipulaciones celulares y la entrega de células editadas al paciente continúan exigiendo instalaciones médicas y de laboratorio de alta calidad, que En general, se asegurará de que exista una supervisión reguladora.

Prevención de usos prematuros o no comprobados de la edición del genoma

El tema de la terapia no regulada ha sido particularmente problemático en el campo de la medicina regenerativa / de células madre, con entidades deshonestas de todo el mundo que hacen afirmaciones científicamente infundadas sobre las terapias con células madre y se benefician de pacientes desesperados (Enserink, 2016 FDA, 2016b Turner y Knoepfler, 2016 ). En parte, esto se debe a algunas de las declaraciones excesivamente optimistas del pasado sobre las perspectivas a corto plazo de la medicina regenerativa, en parte a la presencia de jurisdicciones no reguladas y en parte a cierta resistencia, al menos en los Estados Unidos, a la autoridad reguladora. del gobierno. En los Estados Unidos, los tribunales federales han confirmado la jurisdicción de la FDA sobre el uso de células manipuladas, pero esto sigue siendo objeto de cierta confusión. 9 Las celdas editadas, en particular las tomadas de un paciente y luego devueltas a ese paciente, pueden generar la misma confusión acerca de si se trata de un producto regulado o simplemente de la práctica de la medicina, y la autoridad reguladora debe aclararse desde el principio. Entonces, en general, los organismos reguladores necesitan la autoridad legal, el compromiso de liderazgo y el apoyo político para aplicar sus poderes legales para detener la comercialización de terapias que utilizan productos de edición del genoma humano que no han sido sometidos a revisión y aprobación regulatorias (Charo, 2016a). Con respecto a las terapias con células madre, ha habido una preocupación considerable por la ausencia de un uso vigoroso de los poderes de ejecución por parte de la FDA (Turner y Knoepfler, 2016), aunque la experiencia de Italia con el cierre de una clínica ha ilustrado el nivel de poder legal y político necesario. para hacer esto (Margottini, 2014).

Consideraciones especiales asociadas con la edición del genoma en fetos

En determinadas situaciones, el método más eficaz o el único sería intentar editar las células somáticas de un feto antes del parto. Las enfermedades a las que se pueden aplicar estas circunstancias especiales incluyen aquellas que son multisistémicas o que tienen un inicio extremadamente temprano que haría que la intervención posnatal fuera demasiado tarde para beneficiar al niño o que sean extremadamente desafiantes desde un punto de vista técnico. Además, debido a la tremenda plasticidad del desarrollo del feto, la edición fetal podría ser más eficaz que la edición posnatal en determinadas circunstancias. Un ejemplo sería intentar revertir una variante causante de enfermedad que afecta a todas las neuronas del cerebro.

En un sentido más general, el proceso de edición terapéutica podría llevarse a cabo ex vivo en un escenario en el que las células podrían recolectarse del feto, editarse fuera del cuerpo y luego trasplantarse de nuevo al feto. Actualmente, los métodos establecidos para aislar y trasplantar células fetales autólogas están disponibles para un número limitado de tipos de células, pero es probable que la gama de tipos de células aumente en el futuro.

La edición terapéutica en fetos también podría realizarse in vivo, en cuyo caso la maquinaria de edición se entregaría al feto para modificar las células in situ. Como se señaló anteriormente, la corrección in situ de una variante que causa una enfermedad en las primeras etapas del desarrollo tiene el potencial de ser más efectiva que la edición postnatal in vivo, cuando muchos sistemas de órganos están más desarrollados. Se ha probado la terapia con células madre in utero (con éxito limitado) (Couzin-Frankel, 2016 Waddington et al., 2005), por lo que el concepto general de terapia in utero con áreas emergentes de la medicina ya ha sido objeto de análisis éticos. Y se ha formado una Sociedad Internacional de Inmunología y Trasplante Fetal, que celebra reuniones anuales para revisar las perspectivas y el progreso de la terapia génica fetal. 10

Aunque la edición del genoma fetal tiene ventajas potenciales, sería necesario abordar al menos dos cuestiones éticas especiales: reglas especiales para el consentimiento (ver Capítulo 2) y el mayor riesgo de causar cambios hereditarios en la línea germinal al causar la modificación de las células germinales o del progenitor de células germinales. /Células madre.

Con respecto al consentimiento, los mecanismos de supervisión existentes han abordado cuestiones clave, la cirugía fetal ya se ha utilizado en la atención clínica y la terapia génica fetal intrauterina está atrayendo un interés cada vez mayor (McClain y Flake, 2016 Waddington et al., 2005). El cálculo de riesgo / beneficio se desplaza en relación con una intervención postnatal o adulta, y el grado de riesgo al que puede estar sometido un feto está estrictamente limitado cuando no hay perspectivas de beneficio médico para el futuro hijo. Sin embargo, cuando tal beneficio es posible, se aplican los estándares más habituales para el equilibrio riesgo / beneficio. Las decisiones sobre la cirugía fetal se han tomado en el entendimiento de que la mujer embarazada tiene la autoridad ética y legal para dar su consentimiento informado. En los Estados Unidos, como en otros países, se requiere el consentimiento de la madre (Alghrani y Brazier, 2011 O'Connor, 2012), y cuando la investigación también tiene como objetivo la salud materna, el consentimiento de la madre por sí solo es suficiente. 11 Sin embargo, en los Estados Unidos, la investigación financiada por los NIH está sujeta a regulaciones especiales establecidas en 45 CFR Parte 46, Subparte B, y también se requiere el consentimiento paterno (si está disponible) si la investigación tiene la perspectiva de beneficio únicamente para el feto. . Incluso cuando no están financiados por los NIH, muchos estudios en los Estados Unidos emplean estas mismas reglas.

Una segunda cuestión es el desafío de evaluar si se ha producido una edición no intencionada de la línea germinal si se intenta la edición somática in vivo en un feto.Una característica clave del desarrollo de las células de la línea germinal es que las células primordiales que darán lugar a las células germinales se secuestran de las células somáticas en puntos clave del desarrollo. Antes de que se produzca este secuestro de las células de la línea germinal y somáticas o se haya finalizado en el desarrollo temprano, las células de la línea germinal podrían editarse tan eficazmente como lo serían las dianas de células somáticas deseadas. Como resultado, podría haber un mayor riesgo de ediciones no intencionales en las células de la línea germinal al principio del desarrollo fetal en comparación con realizar la misma intervención más adelante en el desarrollo fetal. Tal vez sólo sea posible evaluar después del nacimiento si se ha realizado la edición de células germinales o de progenitores de células germinales, momento en el que sería demasiado tarde para cambiar el resultado.


Discusión

Aunque el enfoque aquí se ha centrado principalmente en la acumulación de mutaciones deletéreas, las fuerzas netas a favor de un alelo antimutador recién surgido en una población asexual pueden verse como la suma s * ≃ΔU + (μ - ν) + spag, donde ΔU es la reducción en la tasa de mutación deletérea en todo el genoma, (μ - ν) la presión neta de mutación en la dirección de los alelos antimutadores, y spag el efecto selectivo pleiotrópico del alelo antimutador (independiente de la carga de mutación reducida). Cuando esta cantidad sumada es menor que el poder de deriva, la capacidad de la selección natural para reducir aún más la tasa de mutación se verá fuertemente disminuida. En el contexto de un alelo antimutador, ΔU es positivo por definición, mientras que (μ - ν) es probable que sea negativo (asumiendo que es más difícil producir alelos antimutadores que alterarlos). Bajo el supuesto de que existe un costo fisiológico para una alta fidelidad de replicación, spag sería negativo. Sin embargo, las condiciones en las que spag es positivo, por ejemplo, en organismos multicelulares, donde es poco probable que la tasa de replicación de la línea germinal sea un factor limitante en la reproducción, una tasa de mutación somática reducida puede ser muy ventajosa (Lynch 2008).

A medida que la tasa de mutación es empujada a un nivel cada vez más bajo por selección, los efectos de refinamientos moleculares adicionales del aparato de replicación / reparación deben disminuir progresivamente, y ΔU será necesariamente más pequeño, (μ - ν) probablemente más negativo, y spag más pequeños (y potencialmente negativos) también, lo que eventualmente conduce a la incapacidad de la selección para disminuir aún más la tasa de mutación frente a la deriva genética aleatoria. Aunque las formas en que estos tres componentes varían con U y sus contribuciones cuantitativas relativas son desconocidas, y pueden diferir entre los linajes filogenéticos, esta construcción teórica general produce predicciones cualitativas que tienen el potencial de explicar varias observaciones previamente desconectadas.

Por lo tanto, para un grupo de organismos con tamaños poblacionales efectivos comparables, la teoría predice una relación inversa entre la tasa de mutación por sitio de nucleótidos (tumin) y el tamaño total del genoma (GRAMO), con especies específicas Umin distribuyéndose alrededor de la regresión en un grado que depende de la variación en el parámetro compuesto entre paréntesis grandes. Aunque esta última cantidad debe estar sujeta a variación, es plausible que el grado de variación entre microbios sea pequeño en relación con el de GRAMO. Por ejemplo, con pocas excepciones, los genomas microbianos tienen aproximadamente un 95% de ADN codificante, por lo que φD es probable que sea aproximadamente constante. Además, las poblaciones microbianas varían claramente en el tamaño absoluto de la población (NORTE), pero se puede argumentar que una vez norte excede un tamaño muy grande (como ocurre en los microbios), el tamaño efectivo de la población ya no está limitado por números absolutos sino por la estructura física del genoma, es decir, por la interferencia selectiva que resulta de los sitios enlazados en los cromosomas (Lynch 2007 , 2010). Posiblemente, la mayoría de los microbios están cerca de este límite.

Por el contrario, el tamaño de la población eucariota efectiva varía en unos pocos órdenes de magnitud, y las especies multicelulares suelen tener un tamaño mucho más pequeño. nortemi (Lynch 2007, 2010). Los datos existentes sobre tales especies sugieren que tu (por generación) escalas con aproximadamente la potencia de −0,6 de nortemi, aunque la escala real podría ser tan extrema como - 1.0 (Lynch 2010). Por lo tanto, teniendo en cuenta que no está claro si el término compuesto (μ - ν + spag) contribuye sustancialmente a la presión general sobre la tasa de mutación en eucariotas, al menos se puede afirmar que la teoría es cualitativamente consistente con la escala negativa entre tu y nortemi de especies celulares. (Para especies sexuales, el lado derecho de la ecuación (12a) solo se modifica por un factor de 1 /s, que no altera la escala negativa prevista entre tu y nortemi.)

En segundo lugar, la mayoría de los genomas contienen dos o más polimerasas "propensas a errores", a menudo utilizadas en la replicación a través de lesiones voluminosas en el ADN y a menudo provocadas en períodos de estrés celular. Los estudios in vitro indican que las tasas de error de estas enzimas son típicamente de 10 a 10,000 veces más altas que las de las polimerasas involucradas en la replicación del genoma (fig. 4). (Las tasas de error in vivo podrían ser más bajas que las resumidas en la figura 4, aunque es poco probable que se altere el patrón cualitativo). Debido a que es poco probable que tales polimerasas estén restringidas molecularmente para ser tan inexactas, muchos investigadores han argumentado que la selección natural ha promovido la mutación inducida por estrés como una estrategia para facilitar la evolución adaptativa durante períodos desafiantes (Radman et al. 2000 Rosenberg 2001 Tenaillon et al. 2001 Earl y Deem 2004 Foster 2007 Galhardo et al. 2007). Sin embargo, dado que la gran mayoría de las mutaciones son deletéreas, no está claro que exista una ventaja neta a largo plazo para los niveles elevados de mutación inducida por estrés, y los resultados anteriores proporcionan una explicación alternativa que elimina la necesidad de invocar tal argumento.

Estimaciones in vitro de las tasas de incorporación errónea de bases por polimerasas en cuatro grupos de especies (dadas como promedios de múltiples estimaciones de estudios independientes en Material complementario en línea). Las tasas se promedian en todos los contextos de nucleótidos, y para las polimerasas propensas a errores, algunos sitios se replican con tasas de fidelidad considerablemente más bajas (y otras considerablemente más altas) que la media. Tenga en cuenta que para Escherichiacoli, Pol I se usa para reemplazar los pequeños cebadores de ARN que inician la replicación, y Pol III es la principal polimerasa replicativa. Para eucariotas, Pol α se usa para extender los cebadores de ARN a una longitud de ADN suficiente para que Pol δ se haga cargo, y Pols δ y ε son las principales polimerasas replicativas (una para la cadena principal y la otra para la hebra retrasada). Los datos son limitados para las polimerasas de arqueas.

Estimaciones in vitro de las tasas de incorporación errónea de bases por polimerasas en cuatro grupos de especies (dadas como promedios de múltiples estimaciones de estudios independientes en Material complementario en línea). Las tasas se promedian en todos los contextos de nucleótidos, y para las polimerasas propensas a errores, algunos sitios se replican con tasas de fidelidad considerablemente más bajas (y otras considerablemente más altas) que la media. Tenga en cuenta que para Escherichiacoli, Pol I se usa para reemplazar los pequeños cebadores de ARN que inician la replicación, y Pol III es la principal polimerasa replicativa. Para eucariotas, Pol α se usa para extender los cebadores de ARN a una longitud de ADN suficiente para que Pol δ se haga cargo, y Pols δ y ε son las principales polimerasas replicativas (una para la cadena principal y la otra para la hebra retrasada). Los datos son limitados para las polimerasas de arqueas.

Como implica la ecuación (12b), se espera que la tasa de error de una polimerasa aumente de forma inversa al número de transacciones de nucleótidos que se realizan por generación. Por tanto, no hay razón para invocar la selección de la capacidad de evolución para explicar la naturaleza propensa a errores de las polimerasas implicadas en la mutagénesis inducida por estrés. Más bien, se espera que tal patrón sea un resultado natural de la reducción en la eficiencia de la selección que opera sobre enzimas invocadas con poca frecuencia. Este argumento no niega el papel crítico de las polimerasas propensas a errores en la eliminación del daño del ADN, ni niega la posibilidad de que la mutagénesis inducida ocasionalmente juegue un papel en la supervivencia / adaptación en tiempos extremos. La hipótesis de que las tasas de mutación deberían evolucionar naturalmente a niveles más altos con enzimas involucradas en menos eventos de replicación también es consistente con el hecho de que las polimerasas involucradas en el reemplazo de los cebadores de iniciación de la replicación tienen tasas de error más altas que las involucradas en la polimerización en masa (fig.4) y que las primasas que establecen los cebadores de ARN involucrados inicialmente en la replicación pero posteriormente reemplazados son extraordinariamente propensos a errores (Zhang y Grosse 1990 Sheaff y Kuchta 1994 Kuchta y Stengel 2010).

En tercer lugar, por las razones que acabamos de señalar, se espera que las tasas de error de las vías aguas abajo en las etapas de replicación del genoma sean elevadas en relación con las de la maquinaria de polimerización inicial, ya que quedará por reparar un número menor de sitios de nucleótidos. Por lo tanto, vale la pena señalar que las tasas de error de corrección in vitro asociadas con las principales polimerasas de replicación en Escherichiacoli y Saccharomyces cerevisiae, las únicas especies para las que existen datos, son mucho más altas que las del paso de polimerización inicial (Bebenek et al. 1990 Cai et al. 1995 Bloom et al. 1997 Shimizu et al. 2002 Hashimota et al. 2003 Shcherbakova et al. 2003 Fortune et al.2005 Nick McElhinny et al.2007 Pursell et al.2007 McCulloch et al.2009). Las observaciones sobre la vía de reparación de desajustes (MMR) aún más aguas abajo también son consistentes con las expectativas teóricas. En E. coli, la tasa de error in vitro de la polimerasa replicativa principal es de aproximadamente 10 - 6 por incorporación de base (fig.4), mientras que la tasa de error in vivo asociada con MMR en esta y la mayoría de las otras especies de eubacterias está en el rango de 0.01 a 0.05 (p. ej., Schaaper y Dunn 1998 Prudhomme et al.1991 Schaaper 1993 Fujii et al.1999 Oliver et al.2000 Richardson y Stojilkovic 2001 Rossolillo y Albertini 2001 Young y Ornston 2001 Mérino et al.2002 Shaver y Sniegowski 2003 Prunier y Leclercq 2005) . (Aquí, la tasa de error de MMR se define simplemente como la fracción de errores que surgen después de la acción de la polimerasa que no son eliminados por MMR). S. cerevisiae, la tasa de error in vitro de la polimerasa replicativa principal es aproximadamente 5 × 10 - 5 (fig.4), mientras que la de MMR es aproximadamente 0.025 (Prolla et al. 1994 Johnson et al. 1996 Marsischky et al. 1996 Sia et al. 1997 Harrington y Kolodner 2007) y en mamíferos, las tasas respectivas son aproximadamente 10 - 5 (fig.4) y 0.05 (Bhattacharyya et al. 1995 Glaab y Tindall 1997 Tindall et al. 1998 Umar et al. 1998 Baross-Francis et al. 2001 Xu et al.2001 Zhang et al.2002 Dobrovolsky et al.2003 Hegan et al.2006). Por tanto, para los sistemas limitados para los que se dispone de datos, las tasas de error asociadas con la MMR son de tres a cuatro órdenes de magnitud mayores que las asociadas con las etapas iniciales de polimerización. Cualitativamente, tal reducción es consistente con la teoría en el sentido de que durante la replicación, la vía MMR opera solo en la fracción 10 - 6 a 10 - 5 de los sitios genómicos que emergen con errores después de las etapas iniciales de polimerización, mientras que también se involucra en otros procesos de reparación en ADN no replicante.

En cuarto lugar, la teoría predice que las tasas de mutación evolucionadas deberían elevarse en las especies recombinantes en relación con los taxones asexuales con los mismos tamaños de población efectivos, en un factor igual a aproximadamente el inverso de la desventaja selectiva promedio de una nueva mutación, que normalmente se encuentra en el rango de 0,001 a 0,01 (Lynch y Walsh 1998). De manera más general, si una especie pasa de un cruzamiento forzado obligado a una reproducción asexual obligada, se espera que la selección reduzca la tasa de mutación si N a & gt 2 N es -, lo que sugiere que las especies verdaderamente asexuales con poblaciones muy grandes probablemente albergarán sistemas de replicación particularmente precisos. . En ausencia de información precisa sobre nortea/nortemi para cualquiera de estos linajes, actualmente es difícil abordar este asunto de manera segura. Se podría argumentar que la tasa reducida de mutación en procariotas en relación con eucariotas es cualitativamente consistente con esta hipótesis, ya que los procariotas se ven comúnmente como asexuales. Sin embargo, la evidencia indirecta sugiere una cantidad comparable de recombinación en procariotas y eucariotas cuando se escala a la tasa de mutación (Lynch 2007).

Se ha sugerido que un endosimbionte bacteriano que habita pulgones, y se cree que tiene nortea/nortemi≪1 y esencialmente sin recombinación, tiene una tasa de mutación de aproximadamente 10 veces la de las especies bacterianas de vida libre (Moran et al. 2009). Como se espera que los dos cambios derivados de la historia de vida tengan efectos contradictorios sobre la tasa de mutación, la teoría sugiere que la reducción en nortemi ha tenido un efecto mayor que la reducción en la tasa de recombinación, aunque esta interpretación se ve empañada por el hecho de que se espera que una ausencia de recombinación induzca una reducción en nortemi a través de efectos de autostop. Un punto relacionado concierne al argumento de que una mayor sensibilidad a las mutaciones que alteran los aminoácidos en las bacterias termófilas da como resultado la evolución de una tasa reducida de mutación por sustitución de bases (Friedman et al. 2004). Como se señaló anteriormente, en las especies que no se combinan, la magnitud de la selección en la tasa de mutación es independiente de los efectos de aptitud de las mutaciones, que solo se convierten en un factor cuando la tasa de recombinación es mucho mayor que el efecto deletéreo promedio de las mutaciones. Así, la validez de la interpretación de Friedman et al. (2004) depende del grado en que los genomas de las bacterias termófilas se hereden de forma clonal.


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