Эпигенетика и синдромы Прадера-Вилли (PWS) и Ангелмана (AS)
Сестринские синдромы - синдром Прадера-Уилли (PWS; OMIM 176270) и синдром Ангелмана (AS; OMIM 105830) - в большинстве случаев вызываются одной и той же делецией 15q11-q13, размером 5-6 млн. нуклеотидов, но их фенотипы во многом различны. Геномный импринтинг в области 15q11-q13 объясняет эти фенотипические различия, с учетом того, что PWS вызывается делециями, унаследованными по отцовской линии, тогда как при AS делеции имеют материнское происхождение ( Ledbetter et al., 1981 ; Magenis et al., 1987 ; Nicholls et al., 1989 ). PWS, который случается с частотой примерно 1/10000, был описан в середине прошлого столетия и характеризуется младенческой гипотонией , задержкой развития , невозможностью роста вследствие плохого питания , апатией , за которыми следуют гиперфагия , тяжелое ожирение , низкорослость , вторичный гипогонадизм с гипоплазией гениталий и ослабление познавательных способностей . Пациенты с PWS также имеют отличительные физические черты, такие как небольшой размер кистей и стоп , миндалевидные глаза и тонкая верхняя губа . Большинство пациентов с PWS имеют слабое или среднее замедление умственного развития , подавляющее большинство из них проявляет разнообразные типы навязчиво-маниакального поведения , беспокойства , и иногда они замкнуты и несчастливы ( рис. 23.4 а). Наоборот, пациенты с AS имеют "счастливый настрой" , часто улыбаются , и подвержены необъяснимым приступам смеха . Они страдают тяжелыми задержками развития , минимальными (если вообще имеют их) речевыми навыками , проблемами с равновесием ( атаксией ), производят аномальные похлопывающие движения кистями , характеризуются микроцефалией , припадками и некоторыми искаженными чертами, такими как выдающаяся нижняя челюсть и широкий рот ( рис. 23.4 б).
При обоих нарушениях могут наблюдаться гипотония , гипопигментация кожи и радужной оболочки и косоглазие . Большинство PWS и AS (приблизительно 70%) вызваны отцовскими и материнскими делециями 15q11-q13 , соответственно. Около 25% случаев PWS вызвано материнской UPD 15q11-q13, тогда как отцовская однородительская дисомия этого участка отвечает за 2-5% пациентов с AS ( рис. 23.3 ). Разница в частоте однородительской дисомии между PWS и AS обычно инициируется материнским нерасхождением, поскольку на него влияет возраст матери, приводящий к зачатиям с трисомией или моносомией по хромосоме 15 . Эти случаи затем подвергаются "спасению", что приводит к материнской UPD и PWS или отцовской UPD и AS, соответственно. Разница в частоте встречаемости этих двух однородительских дисомий предположительно связана с частотой образования двух аномальных яйцеклеток и с вероятностью "спасения" при обоих этих обстоятельствах. Транслокации в пределах критического PWS/AS участка отвечают менее чем за 10% таких случаев, но следует заметить, что такие транслокации связаны с высоким риском рецидива (до 50%), в зависимости от пола передающего родителя. Действительно, PWS и AS сосуществовали в некоторых семьях благодаря транслокациям или другим структурным аномалиям 15q11-q13, и фенотип при этом определялся полом передающего родителя ( Hasegawa et al., 1984 ; Smeets et al., 1992 ).
Дефекты импринтинга представляют еще один класс мутаций, ведущих к фенотипам PWS или AS. Такие дефекты, которые включают в себя разделенный на две части центр импринтинга ( 1С ) в пределах 15q11-q13 ( Ohta et al., 1999 ), являются причиной того, что хромосома, принадлежащая по происхождению одному из родителей, имеет измененный эпигенотип , как правило, эпигенотип хромосомы, происходящей от другого родителя. Дефекты импринтинга часто включают в себя делецию 1С, но есть случаи, когда такие дефекты оказываются имеющими место благодаря эпигенетической мутации, не затрагивающей последовательность нуклеотидов ДНК. Итог таких разнообразных нарушений импринтинга один и тот же, и он включает в себя изменения в метилировании ДНК , структуре хроматина и, в конечном счете, паттерны экспрессии генов. Дефекты импринтинга объясняют 2-5% случаев PWS и AS, а делеции в 1С обычно ассоциируются с 50%-ным риском рецидива, в зависимости от пола родителя, передающего аномалию, тогда как риск рецидива в семьях без делеции в 1С невысок. Идентификация дефектов импринтинга у небольшого количества пациентов с AS, которые были зачаты после инъекции спермы в цитоплазму яйцеклетки ( ICSI , intracytolasmic sperm injection), поставила вопрос о том, что, возможно, этот способ оплодотворения in vitro вызывает дефекты импринтинга ( Сох et al., 2002 ; Orstavik et al., 2003 ). Обнаружение дефектов импринтинга среди случаев AS у пациентов, родившихся у субфертильных родительских пар, не прошедших процедуру ICSI (но подвергнутых гормональной стимуляции), порождает дальнейшие вопросы относительно того, имеют ли бесплодие и дефекты импринтинга общие механизмы, или действительно вспомогательные репродуктивные технологии [ гормоны и (или) ICSI] имеют эпигенетические последствия ( Ludwig et al, 2005 ).
Какой конкретно ген (гены) затрагивается геномным импринтингом в 15q11 -q13, известно лишь для AS, но не для PWS. Около 10-15% случаев AS вызываются мутациями потери функции в гене лигазы ЕЗ убиквитина ( UBE3A ), кодирующем белок, связанный с Е6 ( E6-AP , E6-associated protein) ( Kishino et al., 1997 ; Matsuura et al., 1997 ). Изучение экспрессии показало, что Ube3a экспрессируется исключительно с материнской аллели в мозжечковых клетках Пуркинье и в нейронах гиппокампа . Более того, мыши Ube3a(+/-), лишенные материнской аллели, воспроизводят черты AS ( Jiang et al., 1998 ). Эти результаты, так же как и данные по человеку, указывают на ген UBE3A, как на первопричину AS. Отцовская UPD или материнские делеции в 15q11-q13, ведут к потере экспрессии UBE3A в клетках Пуркинье. В случае дефектов импринтинга в 1С оказывается, что потеря сайленсинга антисмыслового транскрипта ведет к подавлению экспрессии гена UBE3A ( Rougeulle et al., 1998 ). Интересно, что около 10% случаев AS остаются без молекулярного диагноза. Оказывается, что у ряда пациентов имеются мутации в белке ремоделинга хроматина - белке 2 , связывающемся с метил- CpG , - что обсуждается ниже.
В случае PWS есть несколько кандидатов на роль импринтирующих генов, которые экспрессируются только с отцовской аллели, однако неясно, которые из этих генов ответственны за фенотип PWS. Наиболее подходящими кандидатурами до сих пор являются гены в кластере некодирующих малых ядрышковых РНК ( snoRNAs ). Из белок-кодирующих генов наилучшими кандидатами являются SNURF - SNRPN и Necdin ( NDN ). Главный сайт старта транскрипции SNURF-SNRPN расположен в 1С и он кодирует малый ядерный рибонуклеопротеин ( SN-RPN ), который функционирует в регуляции сплайсинга . Считается, что главным сайтом дефектов импринтинга является еще один ген "рамка считывания вверх по течению от SNRPN " (или SNURF ), наряду с некодирующими экзонами, расположенными "вверх по течению", потому что разрушение ( дизрупция ) этого гена ведет к изменению импринтинга SNRPN и других импринтированных генов 15q11-q13. Мыши с отсутствием Snrpn выглядят нормальными, а мыши с делециями, захватывающими Snrpn и другие гены, гомологичные генам в 15q11-q13, характеризуются гипотонией, задержкой роста, и погибают еще до окончания вскармливания ( Tsai et al., 1999 ). Несколько генов малых ядрышковых РНК ( snoRNA ) экспрессируются с отцовской аллели и, возможно, вносят свой вклад в фенотип PWS ( Meguro et al., 2001 ). Недавние исследования показали, что потеря отцовской аллели из одного кластера этих генов (HBII-52) не вызывает PWS ( Runte et al., 2005 ). Однако исследования на мышах заставляют предполагать, что утрата малой ядрышковой РНК Pwcrl/MBII-85, вероятно, отвечает за неонатальную смертность в моделях PWS, разработанной на мышах ( Ding et al., 2005 ). Следовательно, PWS может вызываться потерей одного и более генов малых ядрышковых РНК, возможно, в сочетании с потерей других генов, экспрессирующихся в 15q11-q13 по отцовской линии. Тщательное исследование редких семей с транслокациями и делециями поддерживает мнение, что недостаточность по малым ядрышковым РНК PWCR1/HBII-85вызывает PWS ( Schule et al., 2005 ).
