クロモトリプシス

クロモトリプシスは、1つまたは数本の染色体の局所的かつ限定されたゲノム領域で最大数千のクラスター化した染色体再編成が単一のイベントで発生する突然変異プロセスであり、癌と先天性疾患の両方に関係していることが知られています。これは、細胞の歴史における単一の壊滅的なイベント中に1回の大規模なゲノム再編成によって発生します。細胞がこのような破壊的なイベントに耐えることができるためには、そのようなイベントの発生が、細胞が許容して生き残ることができる上限でなければならないと考えられています。^{[1]クロモトリプシス現象は、}癌は時間の経過とともに徐々にゲノム再編成と体細胞変異を獲得するという従来の理論に反しています。^[2]

これらの再編成がどのように起こるかに関する最も単純なモデルは、異なる染色体領域が同時に断片化され（切断点は非ランダムな分布を示す）、その後DNA修復経路または異常なDNA複製メカニズムによって不完全な再構成が起こるというものである。クロモトリプシスは腫瘍発達の初期に発生し、腫瘍抑制因子の喪失と癌遺伝子増幅による細胞形質転換につながる。^[3] 2015年には、クロモトリプシスが治癒する可能性もあることが判明した。極めてまれな常染色体優性複合免疫不全症であるWHIM（疣贅、低ガンマグロブリン血症、感染症、および骨髄カテキシス）症候群を患っていた女性は、染色体2のクロモトリプシスによって疾患対立遺伝子が削除された後、30代で症状が消失した。^[4]

クロモトリプシスという用語は、ウェルカム・トラスト・サンガー研究所^[2]の科学者によって作られた造語であり、ギリシャ語のχρῶμα、khrôma「色」（特定の染料によって強く染色されるため染色体を表す）とθρίψις、thrípsis「粉々になる」に由来しています。^[2]

クロモトリプシスは、慢性リンパ性白血病のゲノム配列決定中に初めて観察されました。ペアエンドシーケンシングにより、8番染色体の長腕に55の染色体再編成が見つかり、7番、12番、15番染色体の領域にかなりの数の再編成が見つかりました。^[2]ゲノムワイドペアエンドシーケンシングとSNPアレイ解析を使用したその後の調査^{[5]では、黒色腫、}肉腫、大腸がん、肺がん、甲状腺がんなど、さまざまなヒトのがんに同様のクロモトリプシスのパターンが見つかりました。その後の調査では、研究対象の骨がんの約25%にクロモトリプシスの証拠が見られました。クロモトリプシスは、テント上上衣腫、軟骨粘液線維腫、ユーイング肉腫（骨腫瘍）における腫瘍性融合の発生と関連している。^{[6] [7]}クロモトリプシスは、すべてのサブタイプの癌の2～3％に見られる。^[3]

• 単一染色体または染色体腕の局所領域における多数の複雑な再編成（高密度でクラスター化した切断点によって示される）は、染色体が凝縮される必要があること、例えば有糸分裂によってクロモトリプシスが発生する必要があることを示唆している。^{[1] [3] [8]}
• コピー数が少ない状態- 2つの状態（時には3つ）が交互に現れ、短期間で再編成が起こったことを示唆する。^{[1] [3] [8]}
• クロモトリプティック領域では、ヘテロ接合性を保持する領域（2コピー（損失も増加もない））とヘテロ接合性の喪失領域（1コピー（ヘテロ接合性欠失））が交互に出現する。これは、染色体の両方の親コピーが存在していた時期、つまり癌細胞の発生初期に再編成が起こったことを示唆している。これはまた、一旦ヘテロ接合性が失われると通常は回復できないため、クロモトリプシスが細胞の歴史における1つの壊滅的なイベントとして発生するという事実を裏付けている。したがって、クロモトリプティック領域全体に斑状に発生する2コピーのヘテロ接合状態は説明が難しい。^{[1] [3] [8]}
• クロモトリプシス現象の推定には、染色体切断点のクラスター化、単一ハプロタイプに影響を及ぼす再配置の蔓延、断片結合のランダム性（つまり、クロモトリプシスと連動して発生する尾部から頭部、頭部から尾部、頭部から頭部、および尾部から尾部への分節接続のほぼ均等な分布）、および結果として生じる派生染色体に沿った DNA 断片順序のランダム性など、いくつかの追加基準が説明されています。 ^[8]さらに、クロモトリプシスのある領域のすべての DNA 再配置が検出可能であれば、分節が結合される相対的な順序を再構築し、「派生染色体ウォーク」を通じてクロモトリプシス現象を特定できます。^[8]

クロモトリプシスの最も広く受け入れられている単純なモデルは、単一の染色体内で、異なる染色体領域がほぼ同時に断片化/粉砕され、その後誤った方向に再結合するというものである。数百塩基対の長さの欠失を含む特定の断片、したがって遺伝子セグメントの欠失が可能であり、その結果、二重微小染色体が生成されます。^[2]複数の染色体がクロモトリプシスに関与している場合、両方の染色体の断片は、ペアエンド結合と元の染色体間の断片の交換によって結合されます。^[3]

断片の再結合には、配列相同性がほとんどまたはまったく必要ないため、非相同末端結合（NHEJ）やマイクロ相同性介在切断誘導修復（MMBIR）などの非相同またはマイクロ相同修復機構が二本鎖切断修復を支配し、配列相同性を必要とする相同組み換えとは対照的に、クロモトリプティックランドスケープのモデリングに関与していることが示唆されています。断片の結合と再編成は、父方の染色体でも起こることが示されています。^[5]

癌細胞だけでなく、発育不全や先天性欠損のある患者、つまり生殖細胞でもクロモトリプシスが報告されている。クロモトリプシスのような過程を経たと思われるこれらの生殖細胞を複数の分子技術で調べたところ、逆位や転座だけでなく、重複や三重化も見られ、コピー数が増加していた。これは、フォークストールおよびテンプレートスイッチングモデル（FoSTeS）やマイクロホモロジー媒介切断誘導複製（MMBIR）など、崩壊した複製フォークの修復を伴う複製プロセスに起因する可能性がある。 ^[9]このことから、この現象はクロモトリプシスではなく、染色体の再構成を意味する「クロモアナシンセシス」と名付ける方が適切であると思われる。^[9]しかし、分析されたクロモトリプシスを示すサンプルのほとんどはコピー数が低いため、ペアエンド結合が主な修復メカニズムである。^[2]

クロモトリプシスにおけるペアエンド結合と複製修復の相対的な重要性を理解するためには、クロモトリプシスイベントとクロモトリプシスサンプルのさらなる研究が必要である。^[3]

クロモトリプシスの主な特徴の1つは、単一の染色体の局所的な領域で発生する多数の複雑な再配置です。このような限定された損傷を引き起こす能力は、クロモトリプシスと染色体再配置が開始されるためには、染色体が凝縮される必要があることを示唆しています（たとえば有糸分裂）。^{[1] [3]}

クロモトリプシスのメカニズムは十分に解明されていません。クロモトリプシスの発生方法については複数の考えがあります。^{[引用が必要]}

微小核モデルは、染色体破砕における染色体の破損と修復がいつどのように起こるかを説明する最も受け入れられているモデルである。癌細胞では、染色体の断片化は微小核の存在と相関関係にある。^[3]微小核は、中期から後期への移行時に有糸分裂エラーによって形成される構造である。染色体の分離に欠陥のある細胞は、染色体全体または染色体の断片を含む微小核を形成する。単一の染色体が個々の微小核に分離されることは、染色体破砕においてDNA断片化が単一の染色体にのみ起こる理由を説明できる。^[10]

これらの微小核は不完全なDNA複製を受け、主核でのDNA複製よりも遅く、近位DNA損傷応答（DDR）が開始されます。しかし、DNA修復と細胞周期チェックポイントの活性化はそれに続きません。^[11]その結果、微小核で正しく複製されない染色体は断片化されます。^[10]これらの染色体の粉砕が起こるメカニズムは完全には解明されていませんが、異常なDNA複製または早期染色体凝縮（サイクリン依存性キナーゼ活性によって半複製された染色体が圧縮される）によって引き起こされると考えられています。^[12]結果として生じた断片化された染色体セグメントは一緒に結合して再編成された染色体を生成し、その後、娘細胞の主核に再組み込まれる可能性があります。新しい染色体は、細胞周期分裂の何世代にもわたって存続し、がん細胞の発生に寄与する可能性があります。^{[3] [10]}

微小核モデルは適切であるが、様々な癌ゲノムのクロモトリプシスには他の要因も寄与する可能性が高い。^[3]

有糸分裂中に遭遇する高エネルギー電離放射線などの環境刺激によって染色体の破壊が引き起こされ、近接した染色体断片の再構成が引き起こされる。^[1]

アポトーシスを引き起こす放射線、栄養欠乏、酸素欠乏などのストレス刺激は、クロマチンの断片化を招き、ほとんどの細胞をアポトーシスに至らしめる。しかし、少数の細胞はアポトーシスを生き残る。この切断されたDNAは修復を必要とし、これが不適切に行われると、染色体に再配置が導入される。現在、クロモトリプシスは、おそらくアポトーシスの阻害によって、ガンを引き起こすγヘルペスウイルスなどのウイルスによって引き起こされるのではないかと推測されている。しかし、この推測にはさらなる調査が必要である。^[13]

テロメア二本鎖切断またはテロメア機能不全は、外因性因子または複製ストレスによって発生します。テロメア機能不全は、がん細胞に関連する染色体異常を促進することが知られています。たとえば、テロメア二本鎖切断/テロメア機能不全は、姉妹染色分体/末端融合および後期橋の形成を引き起こし、二動原体染色体をもたらし、さらなる再編成につながる可能性があります。クロモトリプシスは主にテロメア領域に関係していることがわかっているため、これはより妥当な説明です。^[13]

TP53 遺伝子の変異により、細胞がクロモトリプシスを起こしやすくなる可能性がある。^{[引用が必要]}

ソニックヘッジホッグ髄芽腫（SHH-MB）脳腫瘍のゲノム配列解析により、SHH-MBにおけるTP53変異とクロモトリプシスとの間に重要な関連があることが判明した。TP53とクロモトリプシスの関連性に関するさらなる研究により、クロモトリプシスで起こる大規模なゲノム再編成において、腫瘍抑制タンパク質であるp53が役割を果たしていることが明らかになった。したがって、p53の状態とクロモトリプシスには強い関連性があり、一部の癌がより攻撃的である理由についての洞察が得られる。^{[14] [15]}

また、TP53変異を含む細胞は、非相同末端結合 などの低忠実度修復機構を好むことも示されています。TP53変異は、より短い^{[説明が必要]}で、末端融合を起こしやすい細胞でも発現しています。また、TP53変異が未熟染色体凝縮に関係している可能性も仮説として挙げられています。TP53は、通常では耐えられないほど破壊的であると考えられる壊滅的な出来事から細胞が生き残る能力にも寄与している可能性があります。^[1]

クロモトリプシスは、がん遺伝子の増幅、がん遺伝子を含む領域の増幅、および腫瘍抑制因子の喪失を引き起こすことが確認されている。^[3]

染色体分離エラーは、DNA損傷や、腫瘍の発達に関連する異数性などの染色体異常につながる可能性があります。 ^{[3] [16]}微小核の形成は一般に異数性と同時に発生し、異数性細胞はp53を含むメカニズムによって制御されます。微小核が細胞周期を進行して染色体損傷を誘発するには、p53レベルの低下が必要であることがわかっています。さらに調査を進めると、p53変異を持つ患者に染色体破裂性腫瘍が発生することがわかりました。^{[17] [18]}

DNA損傷応答の欠陥は、微小核形成の頻度の増加を引き起こし、その結果クロモトリプシスの発生を引き起こす可能性があります。DDR経路がクロモトリプシスに影響を与え、腫瘍の発達や癌を引き起こす例は数多くあります。^[3]

• ブルーム症候群： RecQ DNAヘリカーゼファミリーをコードするBLM遺伝子の変異により微小核が蓄積し、患者を癌にかかりやすくするブルーム症候群を引き起こす。 ^[19]
• ファンコニ貧血：ファンコニ貧血は、 DNA修復経路に影響を与えるため、患者が癌になりやすい疾患です^{。 [20]} FANCM遺伝子の変異は、微小核形成の増加を引き起こし、その結果、極度のクロモトリプシスを引き起こします。 ^[21]

DDR欠陥を含む細胞と同様に、アポトーシス機構が抑制されている可能性があり、それが突然変異や異数性の発生をさらに促進すると考えられる。^[3]

クロモトリプシス関連癌患者の研究は、予後に関する情報を提供する可能性がある。TP53変異とクロモトリプシスは、SHH髄芽腫患者で関連している。^[1]神経芽腫の臨床転帰不良（ファンコニ貧血におけるFANC遺伝子の欠失によって引き起こされるものなど）は、クロモトリプシスの頻繁な発生に関連している。^{[22]クロモトリプシスの}生検材料の スクリーニングは、良好な予後推定と患者の転帰改善につながる可能性がある。^{[引用が必要]}

クロモトリプシスの単一イベントの性質を裏付ける初期の計算シミュレーションは理論の中心であるが、必ずしも単一イベントの存在を証明するものではなく、進行性癌の発達に関する既知のモデルは複雑な再編成の発生と矛盾しないことが指摘された。^[23]また、単一の外傷性イベントはなく、繰り返される破壊-融合-橋のサイクルが複雑な遺伝子パターンを引き起こす可能性があることも示唆されている。^[24]

2015年、いくつかの研究グループが、クロモトリプシスは確かに単一の壊滅的な出来事によって引き起こされるという実験的証拠を発表しました。手動で分離された細胞の生細胞イメージングと単一細胞ゲノム配列の組み合わせを使用して、微小核形成はさまざまなゲノム再編成を生み出す可能性があり、そのうちのいくつかはクロモトリプシスの既知の特徴をすべて再現することが示されました。^{[25]さらに、}テロメア危機を誘発し、結果として生じたクローンを配列決定する研究では、クロモトリプシスの1回限りの染色体破局モデルを直接再現する複雑なDNA再編成が実証されました。^{[26] [27]}

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