Approximately 45% of the human genome is comprised of transposable elements (TEs). Results from the Human Genome Project have emphasized the biological importance of TEs. Many studies have revealed that TEs are not simply "junk" DNA, but rather, they play various roles in processes, including genome evolution, gene expression regulation, genetic instability, and cancer disposition. The effects of TE insertion in the genome varies from negligible to disease conditions. For the past two decades, many studies have shown that TEs are the causative factors of various genetic disorders and cancer. TEs are a subject of interest worldwide, not only in terms of their clinical aspects but also in basic research, such as evolutionary tracking. Although active TEs contribute to genetic instability and disease states, non-long terminal repeat transposons are well studied, and their roles in these processes have been confirmed. In this review, we will give an overview of the importance of TEs in studying genome evolution and genetic instability, and we suggest that further in-depth studies on the mechanisms related to these phenomena will be useful for both evolutionary tracking and clinical diagnostics.
Besides single-nucleotide variants in the human genome, large-scale genomic variants, such as copy number variations (CNVs), are being increasingly discovered as a genetic source of human diversity and the pathogenic factors of diseases. Recent experimental findings have shed light on the links between different genome architectures and CNV mutagenesis. In this review, we summarize various genomic features and discuss their contributions to CNV formation. Genomic repeats, including both low-copy and high-copy repeats, play important roles in CNV instability, which was initially known as DNA recombination events. Furthermore, it has been found that human genomic repeats can also induce DNA replication errors and consequently result in CNV mutations. Some recent studies showed that DNA replication timing, which reflects the high-order information of genomic organization, is involved in human CNV mutations. Our review highlights that genome architecture, from DNA sequence to high-order genomic organization, is an important molecular factor in CNV mutagenesis and human genomic instability.
Cancer is unique amongst human diseases in that its cellular manifestations arise and evolve through the acquisition of somatic alterations in the genome. In particular, instability in the number and structure of chromosomes is a near-universal feature of the genomic alterations associated with epithelial cancers, and is triggered by the inactivation of tumour suppressor mechanisms that preserve chromosome integrity in normal cells. The nature of these mechanisms, and how their inactivation promotes carcinogenesis, remains enigmatic. I will review recent work from our laboratory on the tumour suppressor BRCA2 that addresses these issues, focusing on new insights into cancer pathogenesis and therapy that are emerging from improved understanding of the molecular basis of chromosomal instability in BRCA2-deficient cancer cells.
Whole-genome doubling (WGD), characterized by the duplication of an entire set of chromosomes, is commonly observed in various tumors, occurring in approximately 30-40% of patients with different cancer types. The effect of WGD on tumorigenesis varies depending on the context, either promoting or suppressing tumor progression. Recent advances in genomic technologies and large-scale clinical investigations have led to the identification of the complex patterns of genomic alterations underlying WGD and their functional consequences on tumorigenesis progression and prognosis. Our comprehensive review aims to summarize the causes and effects of WGD on tumorigenesis, highlighting its dualistic influence on cancer cells. We then introduce recent findings on WGD-associated molecular signatures and genetic aberrations and a novel subtype related to WGD. Finally, we discuss the clinical implications of WGD in cancer subtype classification and future therapeutic interventions. Overall, a comprehensive understanding of WGD in cancer biology is crucial to unraveling its complex role in tumorigenesis and identifying novel therapeutic strategies.
Centrosome abnormalities are hallmarks of human cancers. Structural and numerical centrosome abnormalities correlate with tumor aggressiveness and poor prognosis, implicating that centrosome abnormalities could be a cause of tumorigenesis. Since Boveri made his pioneering recognition of the potential causal link between centrosome abnormalities and cancer more than a century ago, there has been significant progress in the field. Here, we review recent advances in the understanding of the causes and consequences of centrosome abnormalities and their connection to cancers. Centrosome abnormalities can drive the initiation and progression of cancers in multiple ways. For example, they can generate chromosome instability through abnormal mitosis, accelerating cancer genome evolution. Remarkably, it is becoming clear that the mechanisms by which centrosome abnormalities promote several steps of tumorigenesis are far beyond what Boveri had initially envisioned. We highlight various cancer-promoting mechanisms exerted by cells with centrosome abnormalities and how these cells possessing oncogenic potential can be monitored.
Stalled DNA replication forks activate specific DNA repair mechanism called post-replication repair (PRR) pathways that simply bypass DNA damage. The bypassing of DNA damage by PRR prevents prolonged stalling of DNA replication that could result in double strand breaks (DSBs). Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) functions to initiate and choose different bypassing pathways of PRR. In yeast, DNA replication forks stalled by DNA damage induces monoubiquitination of PCNA at K164, which is catalyzed by Rad6/Rad18 complex. PCNA monoubiquitination triggers the replacement of replicative polymerase with special translesion synthesis (TLS) polymerases that are able to replicate past DNA lesions. The PCNA interaction motif and/or the ubiquitin binding motif in most TLS polymerases seem to be important for the regulation of TLS. The TLS pathway is usually error-prone because TLS polymerases have low fidelity and no proofreading activity. PCNA can also be further polyubiquitinated by Ubc13/ Mms2/Rad5 complex, which adds an ubiquitin chain onto monoubiquitinated K164 of PCNA. PCNA polyubiquitination directs a different PRR pathway known as error-free damage avoidance, which uses the newly synthesized sister chromatid as a template to bypass DNA damage presumably through template switching mechanism. Mammalian homologues of all of the yeast PRR proteins have been identified, thus PRR is well conserved throughout evolution. Mutations of some PRR genes are associated with a higher risk for cancers in mice and human patients, strongly supporting the importance of PRR as a tumor suppressor pathway.
As a scaffold, SLX4/FANCP interacts with multiple proteins involved in genome integrity. Although not having recognizable catalytic domains, SLX4 participates in diverse genome maintenance pathways by delivering nucleases where they are needed, and promoting their cooperative execution to prevent genomic instabilities. Physiological importance of SLX4 is emphasized by the identification of causative mutations of SLX4 genes in patients diagnosed with Fanconi anemia (FA), a rare recessive genetic disorder characterized by genomic instability and predisposition to cancers. Recent progress in understanding functional roles of SLX4 has greatly expanded our knowledge in the repair of DNA interstrand crosslinks (ICLs), Holliday junction (HJ) resolution, telomere homeostasis and regulation of DNA damage response induced by replication stress. Here, these diverse functions of SLX4 are reviewed in detail.
Genomic instability, which occurs through both genetic mechanisms (underlying inheritable phenotypic variations caused by DNA sequence-dependent alterations, such as mutation, deletion, insertion, inversion, translocation, and chromosomal aneuploidy) and epigenomic aberrations (underlying inheritable phenotypic variations caused by DNA sequence-independent alterations caused by a change of chromatin structure, such as DNA methylation and histone modifications), is known to promote tumorigenesis and tumor progression. Mechanisms involve both genomic instability and epigenomic aberrations that lose or gain the function of genes that impinge on tumor suppression/prevention or oncogenesis. Growing evidence points to an epigenome-wide disruption that involves large-scale DNA hypomethylation but specific hyper-methylation of tumor suppressor genes, large blocks of aberrant histone modifications, and abnormal miRNA expression profile. Emerging molecular details regarding the modulation of these epigenetic events in cancer are used to illustrate the alterations of epigenetic molecules, and their consequent malfunctions could contribute to cancer biology. More recently, intriguing evidence supporting that genetic and epigenetic mechanisms are not separate events in cancer has been emerging; they intertwine and take advantage of each other during tumorigenesis. In addition, we discuss the collusion between epigenetics and genetics mediated by heterochromatin protein 1, a major component of heterochromatin, in order to maintain genome integrity.
Kim, Songmi;Cho, Chun-Sung;Han, Kyudong;Lee, Jungnam
Genomics & Informatics
/
v.14
no.3
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pp.70-77
/
2016
Transposable elements are one of major sources to cause genomic instability through various mechanisms including de novo insertion, insertion-mediated genomic deletion, and recombination-associated genomic deletion. Among them is Alu element which is the most abundant element, composing ~10% of the human genome. The element emerged in the primate genome 65 million years ago and has since propagated successfully in the human and non-human primate genomes. Alu element is a non-autonomous retrotransposon and therefore retrotransposed using L1-enzyme machinery. The 'master gene' model has been generally accepted to explain Alu element amplification in primate genomes. According to the model, different subfamilies of Alu elements are created by mutations on the master gene and most Alu elements are amplified from the hyperactive master genes. Alu element is frequently involved in genomic rearrangements in the human genome due to its abundance and sequence identity between them. The genomic rearrangements caused by Alu elements could lead to genetic disorders such as hereditary disease, blood disorder, and neurological disorder. In fact, Alu elements are associated with approximately 0.1% of human genetic disorders. The first part of this review discusses mechanisms of Alu amplification and diversity among different Alu subfamilies. The second part discusses the particular role of Alu elements in generating genomic rearrangements as well as human genetic disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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