การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงาน (Loss-of-Function) และการกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงาน (Gain-of-Function)

การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงาน (loss-of-function) และการกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงาน (gain-of-function) อธิบายถึงสองแนวทางหลักที่การกลายพันธุ์สามารถเปลี่ยนแปลงการทำงานของผลิตภัณฑ์ยีนได้ การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานจะลดหรือกำจัดกิจกรรมปกติของยีน ในขณะที่การกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานจะทำให้เกิดกิจกรรมใหม่หรือกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตีความการกลายพันธุ์ เนื่องจากกลไกที่คาดหวังสำหรับยีนที่กำหนดจะระบุว่าการกลายพันธุ์ชนิดใดที่น่าจะเป็นสาเหตุของโรค

Definition

การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานจะลดลงหรือกำจัดหน้าที่ปกติของผลิตภัณฑ์ยีน ในขณะที่การกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานจะสร้างกิจกรรมใหม่หรือกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น ทั้งสองกำหนดผลลัพธ์การทำงานที่ตรงกันข้ามกัน ซึ่งใช้ในการให้เหตุผลเกี่ยวกับความเป็นไปได้และกลไกการออกฤทธิ์ของการกลายพันธุ์

Scope

บทความนี้อธิบายถึงกลไกทั้งสองประเภทและประเภทย่อยของกลไกเหล่านั้น ซึ่งรวมถึงภาวะแฮปโลอินซัฟฟิเชียนซี (haploinsufficiency) และผลกระทบแบบเด่นเชิงลบ (dominant-negative effects) ในด้านการสูญเสียการทำงาน และผลกระทบแบบกระตุ้น (activating) หรือแบบนีโอเมอร์ฟิก (neomorphic) ในด้านการเพิ่มการทำงาน และเหตุผลที่กลไกถูกรวมอยู่ในการให้เหตุผลการจัดประเภท นี่เป็นหัวข้อทางระเบียบวิธีและแนวคิด ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานและการกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานแตกต่างกันอย่างไรในระดับโมเลกุล?
• ภาวะแฮปโลอินซัฟฟิเชียนซี (haploinsufficiency), ผลกระทบแบบเด่นเชิงลบ (dominant-negative), ผลกระทบแบบกระตุ้น (activating) และแบบนีโอเมอร์ฟิก (neomorphic) คืออะไร?
• เหตุใดกลไกที่คาดหวังของยีนจึงจำกัดว่าการกลายพันธุ์ใดที่ถูกตีความว่าเป็นสาเหตุของโรค?
• มีการใช้หลักฐานกลไกภายในกรอบการจัดประเภทการกลายพันธุ์อย่างไร?

Key concepts

• การสูญเสียการทำงาน
• การเพิ่มการทำงาน
• ภาวะแฮปโลอินซัฟฟิเชียนซี
• ผลกระทบแบบเด่นเชิงลบ
• การกลายพันธุ์แบบกระตุ้น (แบบต่อเนื่อง)
• กิจกรรมแบบนีโอเมอร์ฟิก
• การตีความที่จำเพาะต่อกลไก

Mechanisms

การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงาน — การเปลี่ยนแปลงแบบไร้ความหมาย (nonsense), การเลื่อนกรอบ (frameshift), ตำแหน่งการต่อเชื่อมแบบแคนอน (canonical splice-site) หรือการเปลี่ยนแปลงแบบมิสเซนส์ที่เป็นอันตราย (deleterious missense) — จะลดปริมาณหรือกิจกรรมของผลิตภัณฑ์ยีน เมื่อสำเนาที่ทำงานได้เพียงชุดเดียวไม่เพียงพอ ผลที่ได้คือภาวะแฮปโลอินซัฟฟิเชียนซี (haploinsufficiency) และผลิตภัณฑ์กลายพันธุ์ที่รบกวนการทำงานปกติจะทำให้เกิดผลกระทบแบบเด่นเชิงลบ (dominant-negative effect) ในทางกลับกัน การกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานจะทำให้ผลิตภัณฑ์ทำงานอย่างต่อเนื่องหรือมากเกินไป (การกลายพันธุ์แบบกระตุ้น) หรือทำให้มีกิจกรรมใหม่ทั้งหมด (การกลายพันธุ์แบบนีโอเมอร์ฟิก) กลไกที่คาดหวังนั้นจำเพาะต่อยีน: ยีนยับยั้งเนื้องอก (tumour-suppressor genes) มักจะทำงานผ่านการสูญเสียการทำงาน ในขณะที่ยีนก่อมะเร็ง (oncogenes) ทำงานผ่านการเพิ่มการทำงาน ซึ่งเป็นความแตกต่างที่เน้นย้ำในการสำรวจจีโนมมะเร็ง (Vogelstein et al., 2013) ปัจจุบันมีการวัดปริมาณความไม่ทนทานต่อการสูญเสียการทำงานของยีนด้วยเมตริกข้อจำกัดของประชากร (population constraint metrics) (Karczewski et al., 2020) และกรอบการจัดประเภทใช้กลไกอย่างชัดเจน — ตัวอย่างเช่น การให้น้ำหนักกับการกลายพันธุ์แบบนัลล์ที่คาดการณ์ว่าเป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งเฉพาะเมื่อการสูญเสียการทำงานเป็นกลไกของโรคที่ได้รับการยอมรับสำหรับยีนนั้น (Richards et al., 2015)

Clinical relevance

การทราบว่ายีนก่อให้เกิดโรคผ่านการสูญเสียหรือเพิ่มการทำงานอย่างไร จะเป็นตัวกำหนดวิธีการตีความและรายงานการกลายพันธุ์ในยีนนั้น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการประเมินผลการค้นพบทางโมเลกุล บทความนี้อธิบายแนวคิดเชิงกลไกเบื้องหลังการตีความ; ไม่ได้ให้การประเมินรายบุคคลหรือคำแนะนำในการรักษา

Evidence & guidelines

กลไกถูกฝังอยู่ในกฎการจัดประเภทเชื้อพันธุ์ ACMG/AMP โดยที่หลักฐานการสูญเสียการทำงานที่คาดการณ์ไว้จะถูกให้น้ำหนักตามกลไกที่ได้รับการยอมรับของยีน (Richards et al., 2015) การสำรวจจีโนมมะเร็งแสดงลักษณะความแตกต่างระหว่างยีนยับยั้งเนื้องอกที่สูญเสียการทำงานกับยีนก่อมะเร็งที่เพิ่มการทำงาน (Vogelstein et al., 2013) และข้อมูลข้อจำกัดจะวัดปริมาณความไม่ทนทานต่อการสูญเสียการทำงานในยีนต่างๆ (Karczewski et al., 2020)

History

การแบ่งแยกการทำงานเป็นสองขั้วนี้ได้รับการอธิบายในพันธุศาสตร์คลาสสิกผ่านชุดอัลลีลที่อธิบายอัลลีลแบบอะมอร์ฟิก (amorphic), ไฮโปมอร์ฟิก (hypomorphic), แอนติมอร์ฟิก (antimorphic) และนีโอเมอร์ฟิก (neomorphic) และต่อมาได้ถูกเชื่อมโยงกับกลไกระดับโมเลกุลเมื่อมีการระบุลักษณะการทำงานของยีน จากนั้นการจัดลำดับจีโนมขนาดใหญ่ทำให้สามารถวัดความทนทานต่อการสูญเสียการทำงานโดยตรงทั่วทั้งจีโนมได้ (Karczewski et al., 2020)

Debates

ควรให้น้ำหนักกับการกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานที่คาดการณ์ไว้อย่างไรเมื่อกลไกของยีนไม่แน่นอน?

หลักฐานที่แข็งแกร่งสำหรับการก่อโรคจากการกลายพันธุ์แบบนัลล์ที่คาดการณ์ไว้ขึ้นอยู่กับการที่การสูญเสียการทำงานเป็นกลไกของโรคที่ได้รับการยอมรับสำหรับยีนนั้น เมื่อกลไกไม่ชัดเจนหรือยีนทนต่อการสูญเสียการทำงาน การกลายพันธุ์เดียวกันนี้จะมีน้ำหนักในการตีความน้อยกว่ามาก

Seminal works

• vogelstein-2013
• karczewski-2020

Frequently asked questions

การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานและการกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานแตกต่างกันอย่างไร?

การกลายพันธุ์แบบสูญเสียการทำงานจะลดหรือกำจัดกิจกรรมปกติของผลิตภัณฑ์ยีน ในขณะที่การกลายพันธุ์แบบเพิ่มการทำงานจะทำให้ผลิตภัณฑ์มีกิจกรรมใหม่หรือกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น ซึ่งแสดงถึงผลลัพธ์การทำงานที่ตรงกันข้ามกัน

เหตุใดกลไกของยีนจึงมีความสำคัญต่อการตีความการกลายพันธุ์?

การกลายพันธุ์แบบนัลล์ (สูญเสียการทำงาน) ที่คาดการณ์ไว้เป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งสำหรับการก่อโรคเฉพาะเมื่อการสูญเสียการทำงานเป็นกลไกของโรคที่ได้รับการยอมรับสำหรับยีนนั้น ในยีนที่ทำงานผ่านการเพิ่มการทำงานหรือที่ทนต่อการสูญเสียการทำงาน การกลายพันธุ์เดียวกันนี้จะถูกตีความแตกต่างกันมาก