С нарушениями процессов геномной памяти связаны болезни импринтинга или болезни геномной памяти (БГП), объединяющие
24 нозологии, которые в зависимости от этиологической причины делятся на три класса:
• болезни генного импринтинга — 14 нозологий (58,3\% всех БГП);
• болезни хромосомного импринтинга — 10 нозологий (31,7\%);
• болезни ошибок импринтинга, обусловленные микроделециями в регуляторных областях импринтированных генов или центрах импринтинга (ЦИ) — две нозологии (входят в предыдущие два класса).
Болезни генного импринтинга
Этиология
При болезнях генного импринтинга наблюдается моноаллельная экспрессия в локусах хромосом одного из родителей. Причина — точковые мутации в генах, дифференцированно экспрессирующихся в зависимости от материнского и отцовского происхождения и приводящих к специфическому метилированию цитозиновых оснований в молекуле ДНК.
Эти мутации обусловливают развитие заболеваний, для которых большое значение имеют характер наследования и происхождение хромосом. К таким заболеваниям относятся:
• болезнь Гиршпрунга, обусловленная мутацией в гене RET (10q11.2); чаще всего наследуется по материнской линии;
• нейрофиброматоз Реклингаузена (тип 2) — мутация в гене SCH (22q12); наследуется по материнской линии;
• псориаз — проявляется тяжелее, если наследуется по отцовской линии;
• семейная гипертрофическая кардиомиопатия — наследуется по материнской линии;
• синдром Ангельмана (СА) — делеция критического района, находящегося в материнской хромосоме 15 (15q11.2-q13);
• синдром Вильямса — проявляется более выраженной задержкой физического и умственного развития и микроцефалией, если делеция затрагивает материнскую хромосому 7 (7q11.23);
• синдром «крика кошки» — проявляется более выраженно, если делеция захватывает отцовскую хромосому 5 (5р15.3);
• синдром Корнелии де Ланге (3q26) — проявляется более выраженно, если наследуется по материнской линии;
• синдром Прадера-Вилли (СПВ) — делеция критического района, находящегося в отцовской хромосоме 15 (15q11.2-q13);
• синдром Турета и поликистоз почек — проявляются раньше и тяжелее, если наследуются по материнской линии;
• тяжелая (злокачественная) шизофрения — проявляется более выраженно, если наследуется по отцовской линии;
• spina bifida — наследуется по материнской линии (в 2 раза чаще, чем по отцовской линии);
• эпилепсия — проявляется тяжелее, если наследуется по материнской линии.
Следует отметить, что в случае СА и СПВ особенности молекулярной организации критического района хромосомы 15 связаны с гомологической рекомбинацией, мейотической нестабильностью и объясняют высокую частоту хромосомных аберраций. В свою очередь, в семьях с повторными случаями СА и СПВ в геномах здоровых родственников обнаружены близко расположенные, но противоположно импринтированные гены, которые названы генамикандидатами этих заболеваний (см. ниже).
Кроме того, обнаружена потеря фрагментов хромосом в клетках злокачественных опухолей, расцениваемая как потеря гетерозиготности (см. главы 17 и 25). Например, при нейробластомах утрачивался локус 1р36 материнского происхождения или наблюдалась гиперамплификация гена N-Myc в локусе 2р24 отцовского происхождения.
Механизмы патогенеза
Известны два механизма патогенеза, касающиеся как самой молекулы ДНК, так и молекул белков, входящих в состав хроматина хромосом, подверженных импринтингу.
Первый механизм — это нарушение метилирования импринтированных генов. В настоящее время хорошо изучена эпигенетическая модификация или специфическое метилирование цитозиновых остатков ДНК по 5-му углеродному атому. Это единственная допустимая в физиологических условиях химическая модификация, стабильно сохраняющаяся в ряду клеточных поколений и прямо или косвенно влияющая на экспрессию генов. У человека дифференцированное метилирование родительских аллелей наблюдается, как правило, внутри или рядом с ГЦ-богатыми районами, содержащими разные типы нуклеотидных повторов, между которыми нет гомологии, а длина единицы повтора каждый раз другая, и возможно его любое расположение по отношению к импринтированному гену, промотору или регуляторному участку. По-видимому, такие повторы вовлекаются в установку процесса импринтинга (метилирования гена). Они
служат мишенями для маркирования определенного аллеля за счет организации уникальной для него вторичной структуры ДНК. Так, показано, что эти повторы создают свернутые структуры, узнаваемые гетерохроматинспецифическими белками. Например, метилирование CpG-районов изменяет структуру ДНК с образованием формы z-ДНК, что ведет к полной инактивации импринтированных генов.
Второй механизм связан с особенностями структурной организации и функционирования хроматина в локусах, в которых располагаются импринтированные гены. В пользу этого указывают результаты экспериментов по изучению времени репликации импринтированных хромосомных доменов в S-фазе митоза. В частности, до репликации в клеточном ядре наблюдаются два гибридизационных сигнала, соответствующих материнскому и отцовскому аллелям импринтированного гена, а после репликации такой сигнал приобретает сдвоенную структуру. Асинхронность вычисляется как соотношение сдвоенных и одиночных сигналов.
В случае СПВ и СА критический район соответственно на отцовской или материнской хромосоме 15 раньше реплицируется в S-фазе. При этом время репликации коррелирует с уровнем активности генов и зависит от конденсации хроматина в районах промоторов и примыкающих к нему районах.
Инактивация транскрипции сопровождается уплотнением хроматина (гетерохроматизацией), в результате чего ДНК становится менее доступной для РНК-полимеразы и факторов, необходимых для инициации транскрипции. Химическая природа модификаций гетерохроматина до сих пор не выяснена. Имеются данные о взаимосвязи процессов упаковки хроматина и метилирования ДНК. Например, показано, что транскрипционно активный хроматин имеет пониженное содержание линкерного гистона Н1, связывающего между собой нуклеосомы и упаковывающего их в фибриллы (см. главу 3). Этот гистоновый белок предпочтительно связывается с метилированными последовательностями ДНК.
Такое же сродство (аффинность) имеют негистоновые белки хроматина группы МеСР. При этом сила связывания определяется плотностью метилированных CG-динуклеотидов, а не конкретной нуклеотидной последовательностью. Некоторые из негистоновых белков хроматина подавляют транскрипцию непосредственно, например в белке МеСР2 для этого имеется специальный домен.
Таким образом, установка процессов метилирования ДНК про-
исходит только в импринтированных локусах на последующих этапах дифференцировки гамет. Основным ферментом, обеспечивающим метилирование de novo у млекопитающих, является ДНКметилтрансфераза, или Dnmt1 (см. главу 7). Вместе с тем, остается невыясненным механизм распознавания нуклеотидных последовательностей ДНК, которые должны быть по-разному метилированы в отцовском и материнском гаметогенезе. В этой связи были выделены два альтернативных способа сплайсинга 5′-экзонов гена Dnmt1, один из которых реализуется в оогенезе, другой — в сперматогенезе.
При прямом эпигеномном воздействии на экспрессию конкретного гена метилированию подвергается сам импринтированный ген. В этом процессе участвуют ДНК-связывающие белки, вызывающие гетерохроматизацию метилированного локуса. В результате доступ активаторов транскрипции к ДНК ограничивается, и экспрессия гена останавливается. При этом действие многочисленных факторов транскрипции зависит от характера метилирования ДНК. Среди этих факторов выделяют, с одной стороны, метилчувствительные активаторы и метилзависимые репрессоры (они опосредуют инактивацию метилированного гена), а с другой стороны — метилчувствительные репрессоры и метилзависимые активаторы (они обеспечивают экспрессию метилированного гена).
В случае косвенного влияния метилирования на экспрессию импринтированного гена предполагается модификация не самого гена, а другого гена — импринтора, находящегося на той же хромосоме в цис-положении. При этом функция гена-импринтора направлена на поддержание моноаллельной экспрессии одного или нескольких импринтированных локусов в пределах конкретного кластера генов.
Как оказалось, гены-импринторы часто (если не всегда) кодируют нетранслируемые РНК — это универсальный механизм конкурентной экспрессии, необходимый для поддержания в соматических клетках моноаллельной экспрессии всех импринтированных генов, включая гены, относящиеся к кластеру генов СПВ и СА.
Таким образом, общей особенностью импринтированных генов, находящихся в составе критических районов хромосом, является наличие генов, кодирующих нетранслируемую РНК. Например, для СПВ и СА обнаружено несколько таких генов (ZNF127AS, PAR5, PARSN, IPW, PAR1, C15orf2, PWCR1, UBE3A-AS). Некоторые из них синтезируются на антисмысловой цепи соответствующих генов (AS
означает «антисенс» — см. главу 20). В частности, на антисмысловой цепи белок-кодирующего гена ZNF127 транскрибируется в противоположном направлении нетранслируемая антисмысловая РНК, или ZNF127AS. Причем ген ZNF127 и его антисмысловой аналог ZNF127AS активны только на отцовской хромосоме.
Антисмысловая РНК также обнаружена для гена UBE3A, но его транскрипция (как и UBE3A-AS) происходит на разных родительских хромосомах. Так, UBE3A-AS экспрессируется на отцовской хромосоме и только в тех тканях мозга, в которых UBE3A подвержен импринтингу и активен только на материнской хромосоме. В остальных тканях, где UBE3A экспрессируется биаллельно, транскрипт UBE3A-AS не обнаруживается.
В целом можно заключить, что механизмы генного импринтинга остаются малоизученными.
Болезни хромосомного импринтинга
Этиология
Для болезней хромосомного импринтинга характерна однородительская дисомия (ОРД) или наличие двух копий хромосомы либо отцовского, либо материнского происхождения (см. главу 4). Термины: «однородительская дисомия» или «изодисомия» впервые предложены Э. Энжелом в 1980 г. для обозначения одного из типов анеуплоидии в гаметах млекопитающих. Эти термины указывают на наличие у диплоидного потомства двух локусов, полученных от одного и того же родителя, тогда как в норме наследуется только по одному локусу от каждого родителя. Примерами таких заболеваний служат:
• ОРД по материнской хромосоме 2, сопровождающаяся дизэмбриогенезом и задержкой развития;
• ОРД по длинному плечу отцовской хромосомы 6 (6q23-q24), сопровождающаяся неонатальным сахарным диабетом;
• ОРД по длинному плечу материнской хромосомы 7 при муковисцидозе;
• ОРД по короткому плечу материнской хромосомы 7 в области гена GRB10 при синдроме Сильвера-Рассела;
• частичная трисомия отцовской хромосомы 11 (11р15.5) или сбалансированная транслокация с точками разрывов в материнской хромосоме 11 при синдроме Беквитта-Видемана.
В свою очередь, ОРД по материнской хромосоме 14 обусловливает: акромикрию, гипотонию, задержку физического, моторного
и умственного развития, сколиоз, умеренно выраженный черепнолицевой дисморфизм, а ОРД по этой же хромосоме отцовского происхождения сопровождается скелетно-мышечными аномалиями и тяжелой УО.
Кроме того, материнская и отцовская ОРД по хромосоме 15 ведет к СПВ и СА соответственно (см. ниже). ОРД по длинному плечу отцовской хромосомы 20 в области гена GNAS1 ведет к псевдогипопаратиреоидизму. ОРД по Х-хромосоме отцовского происхождения сопровождается дисгенезией гонад и низким ростом (но это только единственное наблюдение).
Механизмы патогенеза
Механизмы хромосомного импринтинга — это формирование ОРД, наличие в кариотипе двух хромосом одной пары, полученных от одного из родителей: либо отца, либо матери, а не двух родителей, как это происходит в норме.
Известны три механизма формирования ОРД.
Первый механизм — это комплементация гамет, случайное слияние двух гамет с разнонаправленной анеуплоидией по одной и той же хромосоме. Например, оплодотворение диплоидной по хромосоме 15 яйцеклетки нуллисомным по хромосоме 15 сперматозоидом ведет
к СПВ.
Второй механизм — это коррекция трисомии до дисомии, т.е. оплодотворение одной дисомной гаметы одной гаплоидной (нормальной) гаметой и формирование трисомной зиготы с элиминацией из нее (в последующих делениях дробления) хромосомы, находившейся в нормальной гамете. Доказательством служат два случая трисомии по материнской хромосоме 15, выявленных при пренатальных исследованиях ворсин хориона. После рождения у обоих детей наблюдался СПВ, подтвержденный анализом ДНК материнского происхождения.
Третий механизм — это коррекция моносомии до дисомии при оплодотворении нормальной и нуллисомной гамет с формированием моносомной зиготы и последующей дупликацией в ней моносомной хромосомы.
На основе этих механизмов формируется ОРД двух типов.
1. Гетеродисомия или наследование двух разных гомологичных хромосом от одного из родителей. Этот тип ОРД обусловлен либо комплементацией гамет, либо коррекцией трисомии до дисомии и наблюдается у большинства больных с СПВ в результате нерасхожде-
ния материнских хромосом в первом делении мейоза. Вероятность нерасхождения, по-видимому, зависит от возраста матери, превышающего 30 лет на момент рождения ребенка.
2. Изодисомия или наследование двух копий одной хромосомы от одного из родителей.
Болезни ошибок импринтинга
Этиология
Болезни ошибок импринтинга — результат микроделеций в регуляторных областях импринтированных генов, или центрах импринтинга (ЦИ).
Первое сообщение о таких болезнях относится к 1993 г., когда у больных с СПВ и СА не было отмечено типичных делеций критического района хромосомы 15 (15q11.2-q13), но также (как и в случае ОРД) наблюдался одинаковый характер метилирования обеих родительских копий этого критического района. В дальнейшем выяснено, что в одном случае была одинаковой и соответствовала характеру метилирования на обеих родительских хромосомах экспрессия импринтированных генов, локализованных в критическом районе и характерных для СПВ (гены: SNRPN, ZNF127, PAR1, PAR5, IPW,
PWCR1, C15orf2).
Молекулярно-генетические исследования показали, что ошибки импринтинга часто сопровождаются микроделециями ЦИ. Сами делеции в ЦИ не связаны с клиническими проявлениями, но могут выявляться у здоровых родителей и других родственников больных пробандов. Анализ родословных в таких семьях свидетельствует, что делеции ЦИ наследуются (без клинических проявлений) в ряду поколений у лиц одного и того же пола. Таким образом, к заболеваниям этой группы относятся те же два синдрома (СПВ и СА), однако вызваны они другими генетическими причинами, т.е. это их генетические варианты.
Механизмы патогенеза
При генетических вариантах СПВ и СА показано, что на одной из родительских хромосом изменен на обратный или инвертирован характер метилирования (и экспрессии) генов. Это объясняется переключением (эпигеномной заменой) генов хромосомы 15 в гаметогенезе одного из родителей, возникшим в результате ошибок в ЦИ. Предложены две модели такой замены в гаметогенезе:
• первая модель — эпигеномное переключение только в той гомологичной хромосоме, которая получена от родителя противоположного пола, тогда как вторую гомологичную хромосому модификация не затрагивает;
• вторая модель — это предварительное «стирание» существующей геномной «памяти» на обеих родительских хромосомах с последующим установлением «памяти», соответствующей данному полу; эта модель наиболее предпочтительна.