Эпигенетика и синдром ломкой X-хромосомы
Умственная отсталость, связанная с ломкой Х-хромосомой (OMIM 309550), - это один из наиболее обычных случаев (causes) наследуемой умственной отсталости. Более 60 лет назад Мартин и Белл описали семью, в которой было показано, что умственная отсталость расщепляется как нарушение, сцепленное с Х-хромосомой ( Martin and Bell, 1943 ). В 1969 году Лабе сообщал о сужении на длинном плече Х-хромосомы у некоторых умственно отсталых пациентов мужского пола и у бессимптомных пациентов женского пола ( Lubs, 1969 ). Такой хромосомный вариант был картирован в Xq27.3 и был назван ломкой Х-хромосомой ( Harrison et al., 1983 ). Цитогенетические исследования, особенно те, в которых использовались культуральные среды с дефицитом фолиевой кислоты и тимидина, выявили ломкий сайт в семьях с Х-сцепленной умственной отсталостью; впоследствии эти семьи были диагносцированы как несущие синдром ломкой Х-хромосомы ( Sutherland, 1977 ; Richards et al., 1981 ). Мужчины с этим синдромом имеют умственную отсталость от умеренной до тяжелой, макроорхидизм , аномалии соединительных тканей , такие как сверхрастяжимость суставов , и большие уши ( рис. 23.6 ) ( Hagerman et al., 1984 ). Ген, отвечающий за синдром ломкой Х-хромосомы, - это ген FMR1 , который кодирует белок FMRP . Наиболее обычный механизм мутации - это экспансия нестабильного некодирующего повтора CGG ( Warren and Sherman, 2001 ). Нормальные аллели содержат 6-60 повторов, премутационные - 60-200, а полная мутация содержит более 200 повторов. Увеличение количества повторов на 5' UTR гена FMR1 представляет собой превосходный пример генетического расстройства, опосредованного изменением структуры хроматина в cis-конфигурации .
Островок CpG в 5'-регуляторном участке FMR1 становится в случае полной мутации аберрантно метилированным после экспансии повторов ( Verkerk et al., 1991 ). Пониженное ацетилирование гистонов на 5' конце было установлено в клетках пациентов с ломкой Х-хромосомой при сравнении со здоровыми контрольными пациентами ( Coffee et al., 1999 ). В свою очередь, измененные паттерны метилирования ДНК и ацетилирования гистонов приводят к потере экспрессии FMR1, и, соответственно, к потере функции белка FMRP у пациентов с синдромом ломкой Х-хромосомы. Таким образом, эти пациенты имеют первичную генетическую мутацию и вторичную эпигенетическую мутацию.
Интересный эпигенетический механизм был предложен для объяснения того, как повтор CGG в гене FMR1 метилируется и впоследствии сайленсируется . Тот факт, что премутационный повтор CGG формирует одиночную и стабильную шпилечную структуру ( Handa et al., 2003 ), наряду с данными о том, что повторы CGG могут расщепляться Dicer , обусловил возможность того, что обнаружившие экспансию повторы CGG (которые в период раннего развития не метилированы) могут транскрибироваться и что получающаяся в результате РНК образует шпильку, которая может расщепляться Dicer для образования малых некодирующих РНК. Эти молекулы малых РНК связываются с РНК-индуцированным инициатором транскрипционного сайленсинга генов ( RITS ) и рекрутируют de novo метилтрансферазы ДНК и (или) метилтрансферазы гистонов к 5' UTR гена FMR1, что приводит к полному метилированию повтора CGG и транскрипционной репрессии FMR1 пo мере развития ( Jin et al., 2004а ).
FMRP - это селективный РНК-связывающий белок, который содержит два домена КН и бокс RGG. Он связывается с полисомами РНК-зависимым способом посредством информационных рибонуклеопротеиновых частиц и предположительно участвует в супрессирующей трансляции как in vitro, так и in vivo ( Laggerbauer et al., 2001 ; Li et al., 2001 ). Локализация белка FMRP совместно с иРНК и полирибосомами в дендритных шипиках (dendritic spines) свидетельствует о его роли в регуляции локального белкового синтеза в ответ на стимуляцию синапса ( Feng et al., 1997 ; Weiler and Greenough, 1999 ; Brown et al., 2001 ; Darnell et al., 2001 , Darnell et al., 2005 ). Были идентифицированы предполагаемые мишени FMRP, которые играют роль в развитии синапса и которые могли бы частично объяснить возникновение фенотипов, связанных с нарушением развития нервной системы ( Brown et al., 2001 ; Darnell et al., 2001 ).
Некоторые исследования позволяют предположить, что основной механизм, с помощью которого FMRP регулирует трансляцию - это РНК- интерференция ( RNAi ). Гомолог ломкой Х-хромосомы у дрозофилы ( Dfmr1 ) связывается с Argonaute (AG02) и с комплексом РНК-индуцированного сайленсинга ( RISC ), a FMRP млекопитающих взаимодействует с EIF2C2 и связывается с активностью Dicer ( Caudy et al., 2002 ; Ishizuka et al., 2002 ; Jin et al., 2004b ). Наиболее вероятный механизм, предполагаемый для роли FMRP как супрессора трансляции, состоит в том, что FMRP связывается со специфическими иРНК-лигандами, рекрутирует RISC вместе с miRNAs и облегчает узнавание между miRNAs и иРНК-лигандами ( Jin et al., 2004а ).
У носителей предмутации ломкой Х-хромосомы (60-200 повторов) развивается отчетливый нейродегенеративный синдром, характеризующийся тремором и атаксией ( Hagerman and Hagerman, 2004 ). Интересно, что эти предмутации могут индуцировать патогенез на уровне РНК, поскольку присутствуют РНК и белок гена FMR . Исследования на модельных животных предполагают, что РНК, кодируемая повторами CGG, присоединяется к некоторым клеточным белкам, изменяет их функцию, вызывая их накопление ( Jin et al., 2003 ; Willemsen et al., 2003 ).
