Синдром Прадера-Вилли
СПВ впервые описан в 1956 г. Встречается с частотой 1:10-20 тыс. Как правило, возникает спорадически, хотя известны семейные формы.
Основные признаки: черепно-лицевой дисморфизм (долихоцефалия, миндалевидный разрез глазных щелей, гипертелоризм, эпикант, микрогнатия, «рыбий рот», высокое нёбо, диспластичные ушные раковины, акромикрия, нарушения дерматоглифики), низкий рост, ожирение, мышечная гипотония, гипогонадизм, гипопигментация, задержка умственного развития.
Продолжительность жизни больных не превышает 25-30 лет.
Этиология и механизмы патогенеза СПВ и «альтернативного» ему по генетической природе СА были изучены в последние годы. Выделены три генетические причины СПВ
Первая (основная) причина — это делеция критического района отцовской хромосомы 15 (15q11.2-q13) — 95\% случаев генного импринтинга. Столь высокая частота этой мутации обусловлена мейотической нестабильностью указанного хромосомного района. Показано: делеции (как и в случае СА) могут возникать в гаметогенезе в результате внутриили межхромосомных перестроек. Причем внутрихромосомные делеции происходят путем образования большой петли, имеющей 3-4 млн н.п.
Рассмотрим молекулярную организацию критического района хромосомы 15. На рис. 76 приведена молекулярная структура этого критического района хромосомы 15.
На рис. 76 обозначены два кластера точек разрывов при делециях, картированных проксимальнее гена ZNF127, локализованного в этом критическом районе.
Здесь же расположены три белок-кодирующих гена (NDN, MAGEL2, SNRPN) и 7 генов, кодирущих нетранслируемые РНК (ZNF127AS, PAR5, PARSN, IPW, PAAR1, C15orf2, PWCR1), — все гены в этих локусах при СПВ экспрессируются моноаллельно на отцовской хромосоме. Для трех из указанных генов (гены NDN, ZNF127, SNRPN) показана тканеспецифическая экспрессия в нейронах головного мозга.
Неимпринтированная область хромосомы 15 находится в дистальной части критического района 15q11.2-q13. Она включает несколько биаллельно функционирующих генов, в том числе локус Р (отвечает за пигментацию кожи и глаз), гены GABRB3, GABRA3 и GABRG3 (кодируют субъединицы рецептора гамма-аминомасляной кислоты, или ГАМК-А), и ген HERC2. Последний ген филогенетически относится к самым древним генам: он считается родоначальником семейства END-псевдогенов, возникшего в результате нескольких последовательных дупликаций. Считается, что END-псевдогены способствуют процессам гомологической рекомбинации и неравного кроссинговера между повторяющимися последовательностями ДНК в критическом районе 15q11.2-q13 (см. главу 3).
К первопричинам СПВ, обусловливающим только 5\% случаев генного импринтинга, относятся: инвертированная дупликация (тетрасомия), простая дупликация (трисомия), несбалансированная транслокация (моносомия), а также сбалансированная транслокация и инверсия критического района отцовской хромосомы 15 (15q11.2-q13).
Вторая причина СПВ — это ОРД по материнской хромосоме 15, обусловливающая 25\% случаев болезни (см. выше).
• Третья причина СПВ — это ошибки импринтинга (см. выше). Генами-кандидатами СПВ являются следующие. Ген SNURF-SNRPN — состоит из 10 экзонов и имеет необычную бицистронную структуру. Его мРНК-транскрипт содержит две неперекрывающиеся рамки считывания для двух разных белков: первый белок SNURF (по-видимому, участвует в регуляции экспрессии импринтированных генов на отцовской хромосоме), второй белок N или SmN (является компонентом малых ядерных рибонуклеопротеинов — мяРНП). Анализ экспрессии двойного транскрипта гена SNURF-SNRPN показал его присутствие во всех тканях. Кроме двойного транскрипта, в мышечной и почечной тканях была обнаружена укороченная мРНК, соответствующая 1-34 экзонам этого гена.
Рис. 76. Молекулярная структура критического хромосомного района 15q11.2- q13 (по Genomic Imprinting, 1997):
а — генетическая карта критического района 15(q11-q13), в которой положение генов обозначено кружками, точки разрывов хромосомы (при стандартных делециях) обозначены зигзагами; транскрипция отцовского (Р) и материнского (М) аллелей обозначена знаками: «+» — экспрессируется, «-» — не экспрессируется; б — характер аллельного метилирования локусов критического района 15 (q11-q13).
Экзоны генов показаны прямоугольниками, сайты инициации транскрипции каждого гена — стрелками. ЦИ имеет два альтернативных сайта инициации транскрипции. Отсутствие метилирования показано незакрашенными прямоугольниками, наличие метилирования — закрашенными прямоугольниками
• ZNF127 — в составе этого гена выделены две формы: собственно ZNF127 и антисенс ZNF127AS; обе формы транскрибируются в противоположных направлениях только на отцовской хромосоме. Ген содержит ряд мотивов типа «цинковые пальцы« (см. главу 8). Экспрессия гена ZNF127 показана во всех тканях с максимумом проявления в семенниках. Высокий уровень транскрипта ZNF127AS также показан в тканях мозга и легких; в других тканях его почти нет. Предполагается, что потеря экспрессии этих генов в ряде тканей организма обусловливает развитие таких симптомов, как бесплодие, гипогонадизм, неврологические и психические расстройства, ожирение.
• NDN — некдиновый ген. Он не содержит интронов и кодирует белок, угнетающий рост нейронов (подобно белку RBI при ретинобластоме, являющемуся супрессором опухолевого роста). Данный белок тормозит переход G1-cтадии клеточного цикла в стадию S. При этом некдин максимально экспрессируется в нейронах гипоталамуса, контролирующего процессы развития ожирения и гипогонадизма у больных.
• Локус Р — располагается в дистальной части критического района хромосомы 15, экспрессируется биаллельно, контролирует пигментацию кожи и радужки глаз. Потеря двух аллелей локуса Р ведет к альбинизму и гипопигментации кожи (у гетерозигот).
Синдром Ангельмана
СА впервые описан в 1965 г. под названием синдрома «счастливой куклы». Основные признаки: микробрахицефалия с уплощенным затылком, большая нижняя челюсть, открытый рот, выступающий язык, макростомия, редкие зубы, гипопигментация.
У больных детей наблюдается задержка психомоторного развития, невозможность обучения, явления атаксии, гиперкинезия, мышечная гипотония, судорожная готовность и гиперрефлексия. Постоянны приступы неконтролируемого смеха и хлопания в ладоши.
В основе синдрома лежат те же причины, что и при СПВ, однако затронута не отцовская, а материнская хромосома.
Первая причина — варианты делеции критического района материнской хромосомы 15 (15q11.2-q13), возникающие в гаметогенезе в результате внутри- и межхромосомных перестроек (см. выше).
Вторая причина — ОРД отцовской хромосомы 15, возникающая при нерасхождении хромосом в оогенезе и зависящая от возраста матери на момент рождения ребенка (см. выше).
Третья причина — ошибки в ЦИ. Генами-кандидатами СА являются следующие.
• Ген UBE3A — основной ген-кандидат, мутации в котором обусловливают развитие 20\% случаев СА. Этот ген кодирует фермент У6-АР убиквитин-протеинлигазу, экспрессия которой обнаружена во всех тканях. Кодируемый белок служит коактиватором для рецепторов стероидных гормонов. В ряде структур головного мозга ген UBE3A активен только в материнской хромосоме, что может объяснить развитие атаксии и тремора дефицитом кодируемого геном фермента в клетках Пуркинье, а развитие эпилептических припадков и невозможность обучения ребенка — отсутствием экспрессии этого гена в нейронах гиппокампа. Ген UBE3A транскрибируется с нескольких промоторов и имеет 7 нетранслируемых экзонов со стороны 5′-конца. Среди мутаций данного гена преобладают мутации со сдвигом рамки считывания и нонсенсмутации. Описаны также инверсии с точками разрывов внутри
гена UBE3A.
• Ген АТР1 С — кодирует аминофосфолипидтранспортирующую АТРазу. Экспрессируется преимущественно с материнского аллеля в фибробластах кожи и в разных структурах мозга. Передает сигналы в ЦНС и поддерживает контакты между клеточными мембранами. Отсутствие продуктов экспрессии этого гена в мозге больных СА ведет к тяжелому детскому аутизму.
• Ген GABRB3 является одним из генов кластера ГАМКА- рецепторных генов, расположенных между геном UBE3A и локусом Р. Эти рецепторные гены попадают в область наиболее частых делеций критического района. Ген GABRB3 кодирует бета-3-субъединицу ГАМКА-рецептора. Поэтому симптоматика СА (моторные нарушения, нарушения памяти, неспособность к обучению, судорожные припадки) может быть обусловлена гаплонедостаточностью данного гена.
Синдром Беквитта-Видемана
Синдром Беквитта-Видемана (СБВ) относится к распространенным наследственным заболеваниям с частотой в популяции 1:10- 12 тыс. Тип наследования болезни аутосомно-доминантный с неполной пенетрантностью и варьирующей экспрессивностью.
Примерно 15\% всех случаев СБВ расцениваются как семейные формы.
Основные клинические признаки СБВ: гигантизм (масса тела при рождении свыше 3900 г), черепно-лицевой дисморфизм (долихоцефалия, гипоплазия верхней челюсти и средней трети лица, прогнатизм, макроглоссия, вертикальные насечки на мочках и небольшие полулунные ямочки на задней поверхности завитков ушных раковин), гемангиомы на лбу, пигментные пятна на коже затылка и лица, пупочная грыжа. У всех больных наблюдается вицеромегалия внутренних органов или увеличение размеров гонад, надпочечников, печени, поджелудочной железы, предстательной железы, почек и селезенки. Предполагается, что вицеромегалия связана с сохранением паракринной и эндокринной функций частью эмбриональных клеток на пренатальном и постнатальном этапах онтогенеза. У 15\% больных с СБВ выявляется УО. У многих больных наблюдается повышенная предрасположенность к развитию онкогенных заболеваний, например частота нефробластомы достигает 59\%, карциномы надпочечников — 15\%, гепатобластомы — 2\%.
Важный диагностический признак — гемигипертрофия, наблюдаемая в 12,5\% случаев СБВ, а у больных с опухолями этот признак проявляется в каждом втором случае.
Критической областью для СБВ является терминальная часть короткого плеча хромосомы 11 (11р15.5). В этой области расположен кластер импринтированных генов, перемешанных с неимпринтированными генами (рис. 77).
Критическая область включает в левой части (по отношению к центромере) 6 генов и ограничена геном NAP2; в правой части — 7 генов и ограничена геном L 23.
Кластер генов критической области хромосомы 11(11р15.5) начинается с первого гена — NAP2, биаллельно экспрессирующегося в эмбриональных и зрелых тканях.
Второй ген — IPL/TSSC3 — преимущественно экспрессируется с материнского аллеля и ограниченно — с отцовского аллеля; наиболее активен в плаценте, легких, миокарде, печени, поджелудочной железе и почках. В клетках мозга взрослых людей и лимфоцитах крови он экспрессируется биаллельно. При развитии опухолей головного мозга ген IPL/TSSC3, по-видимому, выполняет роль гена-супрессора материнского аллеля.
Третий ген — IMPTI/TSSC5 — кодирует белок мембранного переносчика, контролирующего полиспецифический транспорт и множественную лекарственную устойчивость.
Рис. 77. Схема молекулярной организации критической области 11р15.5 (по Немцовой М.В. и Залетаеву Д.В., 2004)
Кроме того, точковые мутации этого гена и потеря его материнской копии были идентифицированы при раке грудной железы, нефробластоме и рабдомиосаркоме.
С антисмысловой цепи ДНК транскрибируется другой ген этого локуса — ген IMPTI-AS, имеющий множество сайтов инициации транскрипции, но экспрессирующий только два транскрипта. Считается, что этот ген не транслируется и поэтому не относится к импринтированным генам.
Четвертый ген — CDKN1C — также известен как ген р57К1Р2. Он кодирует ингибитор циклинзависимой киназы, относящийся к CIP-зависимым регуляторам клеточного цикла. Его гиперэкспрессия останавливает клеточный цикл в предсинтетической стадии.
В гене обнаружены точковые мутации, в связи с чем он считается реальным геном-кандидатом синдрома СБВ. Мутации гена р57 KIP
встречаются в 40\% семейных и 5\% спорадических случаев СВБ. В самом гене суммарная частота мутаций составляет 10-15\%.
В клетках таких опухолей, как карцинома надпочечников, нефробластома и рабдомиосаркома, выявляется гиперэкспрессия гена р57 KIP с материнского аллеля.
Роль пятого гена — KvLQT1 — в этиологии СБВ точно не определена, однако считается, что он участвует в процессе импринтинга при этом заболевании. Данный ген кодирует белок, формирующий заслонку калиевых каналов. Он экспрессируется биаллельно только в сердечной мышце; его точковые мутации сопровождаются доминантно наследуемым дефектом проводимости сердечной мышцы или LQT-синдромом (удлиненный Q-Т-интервал и желудочковая аритмия), а также аутосомно-рецессивным синдромом Джервила-Ланге-Нильсона, сочетающимся с аналогичными нарушениями проводимости миокарда и глухотой. Ген этого синдрома (KvLQT1) экспрессируется с материнского аллеля и обнаруживается в большинстве тканей организма, но он почти не экспрессируется в мозге и скелетных мышцах. В интроне гена KvLQT1 обнаружен ген LIT1 (см. ситуацию «ген в гене», глава 1), транскрибирующийся с антисмысловой цепи, но только с отцовской хромосомы.
При СБВ установлена биаллельная экспрессия этого гена, тогда как при нефробластоме наблюдается лишь моноаллельная его экспрессия.
Шестой ген TSSC4 и восьмой ген TSSC6 не относятся к импринтированным генам СБВ, но они кодируют белки с опухоль-подавляющей функцией, например белки с предполагаемой опухоль-подавляющей функцией в случае рабдомиосаркомы. Между этими генами расположен седьмой ген — ТАРА1 (CD81), кодирующий интегральный мембранный белок, обнаруженный в разных типах клеток. Этот ген участвует в развитии на ранних этапах Т-лимфоцитов. Он экспрессируется только с материнской хромосомы.
Девятый ген — ASL2, также экспрессирующийся с материнского аллеля. Его белковый продукт является фактором транскрипции, содержащим мотив: спираль-петля-спираль (см. главу 8). Этот белок участвует в развитии трофоэктодермы.
Десятый ген — INS (ген инсулина) имеет биаллельную экспрессию, а находящийся рядом с ним инсулиноподобный фактор роста IGF2 кодирует фетальный фактор роста.
Одиннадцатый ген или IGF2-фактор экспрессируется только с отцовского аллеля, может быть митогеном для всех типов клеток, но у человека он специфически модулирует рост и дифференцировку мышечных клеток. Нарушение экспрессии IGF2 обусловливает органомегалию при СВБ. Биаллельную экспрессию IGF2 обнаруживают в нефробластомах, карциномах коры надпочечников, рабдомиосаркомах, других эмбриональных опухолях, встречающихся при СБВ.
Двенадцатый ген Н19 кодирует нетранслируемую РНК с неустановленной функцией. Этот ген тесно сцеплен с предыдущим геном IGF2; их экспрессия регулируется общим энхансером, расположенным в 3′-конце гена Н19, который имеет противоположный импринтинг с материнской хромосомы.
Тринадцатый ген L23 кодирует рибосомоподобный белок, экспрессирующийся биаллельно в эмбриональных и зрелых тканях. Этим геном ограничена дистальная часть критической области 11р15.5.
К генетическим вариантам СБВ относятся:
• частичная трисомия дистальной части короткого плеча хромосомы 11 (результат аномальной сегрегации в мейозе структурных перестроек отцовского происхождения);
• спорадические дупликации критической области хромосомы 11 (11р15.5); их частота (совместно с частичной трисомией) — около 2\%;
• однородительская отцовская дисомия (результат постзиготической митотической нестабильности — рекомбинации с высокой долей мозаицизма);
• сбалансированная транслокация между хромосомами 11 и 22, унаследованная от матери.
Помимо этих генетических вариантов, идентифицированы точковые мутации в одном из двух генов-кандидатов СБВ — гене CDKN1C, c которым связывают 10-15\% всех мутаций.
Другой ген-кандидат СБВ — IGF2 не имел точковых мутаций, но его экспрессия у больных проходила либо только с материнской хромосомы, либо наблюдалась ОРД по отцовской хромосоме 11, т.е. в данном случае имела место потеря импринтинга (ПИ).
Описан больной с унаследованной от матери сбалансированной инверсией короткого плеча хромосомы 11 с точками разрывов в области СБВ-ХР2 (см. ниже), что также объяснялось ПИ при нормальном эпигенотипе Н19.
Таким образом, определенная часть спорадических случаев СВБ не связана с указанными выше генетическими вариантами, а объяс-
няется ПИ. В общей сложности, структурные аномалии хромосомы 11 выявляются у 2\% больных с СБВ. Первым по частоте повреждаемости является район локализации гена KvLQT1, обозначаемый как СБВ-ХР1; два других района — СБВ-ХР2 и СБВ-ХР3 — расположены ближе к центромере на 5 и 7 млн н.п. соответственно. В районе СБВ-ХР2 выделены два гена, содержащих мотив «цинковые пальцы» (см. главу 8). Это гены ZNF214 и ZNF215, второй ген имеет пять альтернативных и один антисмысловой транскрипты, в норме экспрессирующиеся только с материнского аллеля. Структура хромосомного района СБВ-ХР3 пока не изучена.
Подходы к диагностике
Непосредственными причинами болезней импринтинга являются не только генетические нарушения (точковые, структурные и хромосомные мутации), но и функциональные нарушения, связанные с взаимодействием между импринтированными и неимпринтированными генами в критических областях хромосом.
В случае мутаций диагностическими тестами являются молекулярногенетические и цитогенетические методы исследования наследственного материала. Например, при СПВ и СА критическим районом служат локусы 15q11.2-q13, а при СБВ — локус 11р15.5. В случае функциональных нарушений с диагностической целью исследуется экспрессия импринтированных генов, и ее результаты строго соотносятся с характером метилирования. При СПВ и СА происходит инактивация генов за счет либо отцовского, либо материнского гиперметилирования двух локусов: D15S63 (ген PW71) и D16S9 (ген ZNF127), а также инактивация промоторной области гена SNRPN. При СБВ гиперметилирование касается импринтированных генов IGF2 и LIT1, которые моноаллельно экспрессируются (метилируются) с отцовского или материнского аллелей.
В основе тестов для диагностики СПВ, СА и СБВ лежит анализ аллельного метилирования критических областей хромосом. Применяются три метода.
• Анализ аллельного метилирования локусов импринтированных генов. Используя метод, учитывают, что при СПВ независимо от его причины присутствуют только метилированные аллели, а при СА — только неметилированные аллели локусов критических областей хромосом.
• Бисульфатная модификация ДНК и метилспецифическая ПЦР. Метод основан на модификации геномной ДНК бисульфитом
• натрия, позволяющим осуществить химическое превращение неметилированных остатков цитозина в урацил, в то время как 5-метилцитозин остается неизменным. По измененному нуклеотидному составу судят о состоянии метилирования каждого цитозинового остатка на исследуемом фрагменте ДНК. В частности, при СПВ образуется продукт той длины, которая соответствует метилированному материнскому аллелю, а при СА обнаруживается неметилированный отцовский аллель. Для анализа применяется набор из трех праймеров (общий, материнский и отцовский). Материнский и отцовский праймеры попарно с общим праймером дают продукты амплификации, равные 313 и 221 н.п. соответственно. Разновидностью этого метода является МС-ПЦР, используемая для скрининговой диагностики СПВ и СА, но без определения их генетических причин. Анализ микросателлитного полиморфизма локусов критического района 15q11.2-q13. Метод позволяет идентифицировать делеции и ОРД на основе анализа микросателлитного полиморфизма в локусах D15S11 (входит в область наименьшего перекрывания всех делеций при СПВ), D15S113 (расположен внутри области перекрывания всех делеций при СА) и GABRB3 (характеризуется большим количеством аллелей и гетерозиготностью). Обычно формируются делеции стандартной протяженности (4 млн н.п.), перекрывающие все три локуса. Анализ этих трех локусов можно проводить методом мультиплексной ПЦР с тремя парами праймеров. При отсутствии делеций и ОРД при диагнозе СПВ и СА, подтвержденном на основе анализа метилирования, можно предполагать наличие делеции или мутации в ЦИ. В случае СА (если результат анализа метилирования отрицательный) причиной наследственной природы заболевания может быть мутация в гене-кандидате UBE3A, что имеет большое значение для МГК семьи и прогноза рождения здорового потомства.
Подходы к лечению
Подходы к радикальной этиологической и патогенетической терапии болезней импринтинга не разработаны, поэтому их лечение только симптоматическое.