Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ, МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И КЛИНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Юров И. Ю., Ворсанова С. Г., Воинова В. Ю., Чурносов М. И., Юров Ю. Б.,

2.5. Эпигенетические процессы и наследственные болезни

В исследованиях генетических процессов, связанных с патогенезом заболеваний, особое внимание уделяется не только изменениям последовательностей ДНК, но также и транскрипционной активности ДНК в клетке. Вариация активности генома (экспрессия генов) как в отдельно взятой клетке, так и во всем организме достигается за счет различных эпигенетических процессов. Эпигенетические процессы представляют собой наследуемые изменения в экспрессии генов, нарушающие законы Менделя, без количественного или качественного (мутационного) изменения последовательности ДНК. В настоящее время описан целый ряд эпигенетических феноменов и процессов, таких как инактивация хромосомы Х, геномный импринтинг, унипарентальная дисомия, изменение порядка репликации ДНК, метилирование ДНК, биохимическая модификация гистонов и другие. Изучает подобные процессы особое направление в генетике – эпигенетика. Наиболее изученными эпигенетическими процессами являются модификация химической структуры ДНК за счет метилирования цитозина динуклеотидов в 5’-положении, приводящего к транскрипционной инактивации генов, а также различные биохимические модификации гистоновых белков, образующих хроматин, которые могут приводить как к инактивации, так и к активации генов. Следует отметить, что эпигенетические механизмы лежат в основе нормальной активности клетки, тогда как нарушение этих процессов приводит к целому ряду функциональных аномалий различных тканей организма, среди которых наиболее часто встречаются пороки развития центральной нервной системы. Наиболее подробно изученным эпигенетическим феноменом является процесс инактивации хромосомы Х.

Женский кариотип характеризуется наличием двух половых хромосом Х, а мужской – половыми хромосомами (гоносомами) Х и Y. Этот факт свидетельствует о несоответствии содержания генетической информации у лиц мужского и женского пола. У человека, как и у других млекопитающих, этот дисбаланс экспрессии генов разрешается благодаря инактивации одной из хромосом Х во всех клетках организма. Предположение о возможной инактивации генов хромосомы Х было впервые предложено после исследования конденсированных хроматиновых структур в клетках млекопитающих. На внутриклеточном уровне данный процесс сопровождается образованием исключительно стабильной гетерохроматиновой структуры – одной или нескольких инактивированных хромосом Х. В зависимости от их количества в клетке определяется анеуплоидия хромосомы Х. Селективность процесса инактивации хромосомы Х является произвольной. В результате у большинства женских особей наблюдается мозаичная экспрессия материнских и отцовских аллелей локусов хромосомы Х. В среднем вклад каждой хромосомы должен составлять примерно 50 %, но поскольку процесс Х-инактивации случайный, то он теоретически может значительно варьировать. Инактивированная хромосома Х характеризуется следующими свойствами: полной транскрипционной инактивацией большинства Х-сцепленных генов; конденсацией гетерохроматина в интерфазе; поздней репликацией инактивированной хромосомы Х в S фазе деления клетки; метилированием цитозина ЦГ динуклеотидов в 5’-положении в генах, подверженных транскрипционной инактивации; химической модификации гистоновых белков (гипоацетилирование), приводящей к транскрипционной инактивации генов, а также некоторыми другими особенностями, которые приводят к образованию и сохранению стабильности на протяжении клеточного цикла, связанного с факультативным гетерохроматином (неактивной хромосомой Х). Особое место занимает экспрессия гена XIST (X-inactive specific transcript) на инактивированной хромосоме, продуктом которой является ядерная или хромосомная РНК, покрывающая инактивированную хромосому Х и участвующая в структурной организации факультативного гетерохроматина или неактивной хромосомы Х.

Несмотря на то, что вклад каждой хромосомы Х (отцовской и материнской) должен составлять примерно 50 %, у значительного числа женщин наблюдается инактивация преимущественно одной из родительских хромосом Х – неравная Х-инактивация или сдвиг Х-инактивации. Известны следующие механизмы инактивации хромосомы Х, приводящие к случайной (равной) [1] и неравной Х-инактивации [2 и 3]:

1) процесс, приводящий к случайной Х-инактивации, следующий: отцовская или материнская хромосома Х независимо инактивируется в каждой клетке на ранних стадиях развития плода. Инактивация генов сохраняется за счет метилирования цитозина на неактивной хромосоме Х. Таким образом, достигается практически эквивалентная (50:50) экспрессия генов отцовской и материнской хромосом Х в организме;

2) процесс, приводящий к неслучайной Х-инактивации, следующий: одна из хромосом Х (отцовская или материнская) имеет летальную мутацию, что препятствует дальнейшему развитию клеток, в которых хромосома Х с мутацией активна. В результате чего, в организме присутствуют преимущественно клетки, в которых мутированная хромосома Х неактивна, и, таким образом, в организме наблюдается неравная Х-инактивация;

3) процесс, приводящий к неслучайной Х-инактивации, может быть следующий: мутации в гене XIST приводят к тому, что выбор активной хромосомы Х неслучайный.

Неравная инактивация хромосомы Х представляется одной из особенностей ряда наследственных заболеваний. Болезни, связанные с ней, могут быть вызваны генными или хромосомными (геномными) мутациями, а также внешними факторами, при которых наблюдается неравная инактивация хромосомы Х без мутаций. Эта группа заболеваний включает в себя болезни, связанные с Х-сцепленными рецессивными мутациями, большую часть которых составляет Х-сцепленная умственная отсталость, а также ряд мультифакторных заболеваний (например, аутизм).

Известным эпигенетическим феноменом, имеющим особое значение для медицинской генетики – генетики нервных и психических болезней, является полиморфизм генов или SNP (single nucleotide polymorphisms), приводящий к изменению последовательности ДНК, связанному с изменением функциональной активности закодированного белка. В настоящее время описано несколько подобных генов, полиморфные варианты которых имеют повышенную частоту среди больных нервными и психическими болезнями, например, гены, кодирующие серотониновые и допаминовые рецепторы при шизофрении. Несмотря на то, что этот феномен все же связан с изменением последовательности ДНК, тот факт, что они являются синонимическими мутациями, позволяет рассматривать подобные вариации экспрессии генов в рамках эпигенетики.

Определённые участки гомологичных хромосом не являются функционально одинаковыми. Локусы в таких участках могут показывать различия их активности в зависимости от материнского и отцовского происхождения. Так, определённые гены в зависимости от того, на какой хромосоме (материнской или отцовской) они расположены, вносят различный вклад в развитие эмбриона. Такие специфические различия в регуляции генов в зависимости от родительского происхождения определяются как геномный импринтинг.

Геномный импринтинг может вовлекать генные локусы либо отцовского, либо материнского происхождения. Так, в соматических клетках человека как у мужчин, так и у женщин отцовская последовательность ДНК гомологичных хромосом может быть активна, в то время как материнская последовательность ДНК инактивирована. Геномный импринтинг и унипарентальная дисомия (см ниже) являются причиной ряда таких заболеваний, как синдром Прадера-Вилли и Ангельмана, связанных с локусами длинного плеча (q) хромосомы 15. Геномный импринтинг также зависит от особенностей метилирования в зависимости от родительского происхождения хромосом (различное метилирование локусов родительских хромосом). Например, если ген материнского происхождения метилирован (инактивирован), а этот же ген отцовского происхождения не является метилированным, то только отцовский ген будет экспрессироваться. Так как импритинг стирается в половых клетках, то гомологичные гены становятся метилированными в женских половых клетках, а в мужских половых клетках – неметилированными, в результате чего в зиготе наблюдается различие в метилировании аллелей импринтированных генов. Особенно хорошо демонстрирует феномен геномного импринтинга один из участков хромосомы 7 у мыши. Если одна третья часть обеих хромосом 7 в эмбрионе мыши отцовского происхождения, то мышь будет иметь большие размеры тела. Напротив, если материнского, то эмбрионы будут иметь маленькие размеры по сравнению с нормой и погибнут в ходе эмбрионального развития. Это объясняется различиями инактивации гена инсулин-подобного фактора роста-2 (IGF2), который расположен в этом участке и является особенно значимым для роста в эмбриональном развитии. Данный участок хромосомы 7 у мыши является гомологичным определенному участку короткого плеча хромосомы 11 у человека. Однородительская дисомия этого участка предрасполагает к наследственным синдромам, которые характеризуются клиникой синдрома Беквита-Видемана (большой размер тела и опухоль Вилмса). Другим примером однородительской дисомии являются синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана, при которых наблюдается потеря функций в одном из хромосомных участков в зависимости от родительского происхождения. Синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана являются клинически различными заболеваниями с нарушениями развития и поведения. Они вызваны потерей функции двух хромосомных участков, локализованных вблизи друг от друга на хромосоме 15. Эти два заболевания различаются клинической картиной вследствие потери функции, связанной с участком хромосомы либо отцовского, либо материнского происхождения. Это синдромы одного и того же участка одной хромосомы. Делеция этой части хромосомы 15 обнаруживается от 15 % до 75 % пациентов с синдромами Прадера-Вилли или Ангельмана. Если делеция затрагивает отцовскую хромосому, то это приводит к синдрому Прадера-Вилли и, наоборот, если материнскую – к синдрому Ангельмана. Для синдрома Прадера-Вилли характерны неонатальная гипотония, задержка развития, гиперфагия и ожирение, короткий рост, маленькие верхние и нижние конечности, гипогонадизм и гипопигментация. При cиндроме Ангельмана делеция хромосомы 15 имеет материнское происхождение. Для этой болезни характерны следующие признаки: умственная отсталость с нарушением развития речи, дружеское расположение (ласковый смех без видимых причин), гиперактивное поведение, судороги, специфические изменения в ЭЭГ и гипопигментация. Имеются ДНК маркеры, позволяющие установить родительское происхождение делеции молекулярно-генетическими методами. При синдроме Прадера-Вилли отсутствует отцовский аллель, а при cиндроме Ангельмана – материнский. Примерно до 30–35 % пациентов с синдромом Прадера-Вилли и 15–30 % с синдромом Ангельмана не имеют делеции. В этих случаях часто обнаруживают однородительскую дисомию у 30 % детей с синдромом Прадера-Вилли и у 2 % – с синдромом Ангельмана. У 1–2 % пациентов с синдромом Прадера-Вилли и у 20 % с синдромом Ангельмана не обнаруживают ни делеции, ни однородительской дисомии. В этих случаях болезнь может иметь семейное происхождение. Эти два синдрома являются примером геномного импринтинга у человека. Генные локусы этих синдромов, следовательно, являются объектами геномного импринтинга. Импринтинговые локусы в этом участке затрагивают большое число генов и, по-видимому, контролируются общим центром импринтинга, расположенном в этом районе. Мутации в центре импринтинга могут передаваться половыми клетками одного из родителей.

Унипарентальная или однородительская дисомия является феноменом, определяемым присутствием двух гомологичных хромосом (или хромосомных сегментов), унаследованных только от одного родителя и отсутствием соответствующей хромосомы (или сегмента), унаследованных от другого родителя. Различают два типа унипарентальной дисомии: изодисомия и гетеродисомия. Термин изодисомии относится к наличию двух копий одной и той же родительской хромосомы; гетеродисомия означает, что каждая из двух гомологичных хромосом передалась от одного родителя. Однородительская дисомия может являться причиной различных заболеваний у человека, включая мультифакторные болезни, связанные с нарушениями психики.

Повторяющиеся последовательности ДНК являются относительно нестабильными элементами генома человека. Для медицинской генетики, изучающей различные генетические феномены, связанные с нарушениями психики, особый интерес представляют тринуклеотидные повторы – тандемно повторяющиеся элементы, дискретной единицей которых является последовательность, состоящая из 3-х нуклеотидов. Несмотря на то, что заболевания, причиной которых является экспансия (увеличение) тринуклеотидных повторов, вызваны мутационными изменениями последовательности ДНК, многие из них принято рассматривать в рамках эпигенетики. Это связано с тем, что некоторые тринуклеотидные повторы имеют в своей структуре цитозин и гуанин, образующие ЦГ последовательности, цитозин которых в условиях экспансии метилируется. Наиболее ярким примером такого заболевания, имеющим исключительное значение для медицинской генетики, педиатрии и психиатрии, является синдром умственной отсталости, сцепленный с ломкой хромосомой Х или FRAXA. FRAXA представляет собой самую частую генетическую форму, связанную с умственной отсталостью и экспансией тринуклеотидных повторов. Это заболевание связано с увеличением нестабильных ЦГГ-повторов в гене FMR1 (Fragile X mental retardation 1). Считается, что больные FRAXA характеризуются наличием более 200 тринуклеотидных ЦГ-повторов. В результате экспансии ЦГГ-повторы также как и ЦГ динуклеотиды, расположенные далее по длине последовательности, метилируются, что приводит к отсутствию экспрессии гена FMR1. Отсутствие продукта транскрипции гена FMR1 – белка FMRP приводит к умственной отсталости в сочетании с различными когнитивными отклонениями. Из фенотипических проявлений синдрома FRAXA необходимо отметить умеренную или тяжёлую умственную отсталость (IQ = 30–55), гиперактивность, гиперкинез, эмоциональную нестабильность, признаки аутизма, большие оттопыренные ушные раковины, макроорхидизм, а также неадекватные движения рук (в 60 % случаев); уменьшенный ответный глазной контакт (в 90 % случаев); характерные изменения речи (быстрое повторение целых фраз, окончаний, звуков, бормотание); у 50 % больных девочек наблюдается умственная отсталость средней тяжести, приводящая к когнитивным отклонениям; макроцефалия (в раннем детстве). В ряде случаев наблюдается внезапная смерть. Психопатологические отклонения, в основном, присутствующие у мальчиков, характеризуются выраженным полиморфизмом: от разной степени умственной отсталости до ранней злокачественной детской шизофрении со спонтанно возникающими тревожно-депрессивными состояниями и бредоподобным фантазированием. У нормальных индивидуумов число повторов варьирует от 6 до 52. Известно также, так называемое, «премутационное состояние», которое характеризуется увеличением ЦГГ-повторов от 54 до 200. Частота носителей премутации в общей популяции оценивается как 1:250 женщин и 1:800 мужчин. У 30 % мужчин с премутацией в гене FMR1 наблюдаются характерные фенотипические отклонения – синдром FXTAS (fragile X tremor and ataxia syndrome – синдром тремора и атаксии, сцепленный с ломкой хромосомой Х). Кроме тремора и атаксии, у этих больных наблюдаются также социопатия, уменьшенный ответный глазной контакт, депрессия, когнитивные расстройства; отмечаются гиперактивность с дефицитом внимания, легкая умственная отсталость и аутистические проявления. Среди женщин с премутацией в гене FMR1 частота фенотипических отклонений пока не выяснена. Это может быть связано с компенсирующим эффектом присутствия второй хромосомы Х в женском кариотипе. Однако, известно, что у женщин с премутацией в 16–24 % случаев наблюдается повышенная частота рекуррентных спонтанных абортов, причина которых в настоящее время неизвестна.