Болезни, вызванные увеличением числа тринуклеотидных повторов
Увеличение числа тринуклеотидных повторов вызывает по меньшей мере 10 нервных болезней ( табл. 363.2 ). В соответствии с локализацией измененного участка в гене болезни разбиты на четыре группы:
- повторы находятся в 5'-концевой нетранслируемой области;
- в пределах открытой рамки считывания (в транслируемой области гена);
- в З'-концевой нетранслируемой области или
- внутри интронов.
К первой группе относятся болезни, вызванные мутациями в ломких участках Х-хромосомы . На длинном плече Х-хромосомы имеются 4 ломких участка (FRAXA, FRAXE, FRAXF и FRA16A), в которых возможно увеличение числа повторов ЦГГ или ЦЦГ. Мутация в участке FRAXA вызывает синдром ломкой Х-хромосомы - самую частую из моногенных форм умственной отсталости . Участок FRAXA находится в 5'-концевой нетранслируемой области гена FMRI , кодирующего белок FMPR . Развитие синдрома обусловлено отсутствием этого белка. Предполагают, что повторы ЦГГ метилируются и взаимодействуют с метил-ЦГ-связывающими белками , подавляющими транскрипцию гена FMRI и снижающими концентрацию белка FMPR . У двух больных с классической клинической картиной были обнаружены внутригенные делеции. Таким образом, болезнь вызывают мутации, подавляющие функцию. При числе повторов более 200 подавляется и трансляция соответствующей мРНК. Увеличение числа повторов в участке FRAXE вызывает легкую форму умственной отсталости .
Ко второй группе относят шесть дегенеративных заболеваний ЦНС , при которых увеличение числа повторов ЦАТ в пределах открытой рамки считывания ведет к образованию аномального белка с удлиненным полиглутаминовым участком. Нормальные аллели содержат 5-38 (но не более) повторов, а мутантные - в 2-4 раза больше. Чем больше число повторов, тем болезнь раньше начинается и тяжелее протекает. По-видимому, удлиненные полиглутаминовые участки нарушают функцию не только самого дефектного белка, но и других белков, с которыми он взаимодействует. Эти участки могут быть субстратом трансглутаминаз , образующих аномальные поперечные сшивки белков. Возможно также, что полиглутаминовые участки действуют как "застежки" посредством образования водородных связей между амидами пептидных связей нормальных белков и остатками глутамина дефектного белка. Обе модели объясняют доминантный характер наследования, например болезни Гентингтона , относящейся к данной группе.
Гипотеза о ведущей роли дефекта белка имеет разносторонние подтверждения. Повторы ЦАТ, находящиеся в пределах открытой рамки считывания, действительно кодируют полиглутаминовые участки белка. У трансгенных мышей, имеющих человеческий ген SCA1 с увеличенным числом повторов ЦАГ (вызывающий у людей оливопонтоцеребеллярную атрофию ), характерный фенотип проявляется только при экспрессии мутантного гена. Есть данные о том, что при болезни Гентингтона и дентаторубропаллидосубталамической дегенерации энергетический обмен нейронов нарушен за счет взаимодействия полиглутаминовых участков дефектного белка с глицеральдегидфосфатдегидрогеназой.
Модель развития болезни должна также объяснять, почему при каждой болезни избирательно поражаются определенные группы нейронов, хотя соответствующие дефектные белки экспрессируются гораздо шире. Возможно, что белки с удлиненными полиглутаминовыми участками взаимодействуют с другими, еще не установленными белками, обладающими клеточной специфичностью. Одним из них может быть уже известный гентингтинсвязанный белок (HAP1) , который избирательно экспрессируется в определенных участках мозга и обладает сродством к гентингтину с удлиненными полиглутаминовыми участками. Другой возможный механизм специфичности поражений нейронов заключается в том, что в отдельных популяциях нейронов число повторов ЦАГ увеличивается больше, чем в других. Однако последний механизм менее вероятен, поскольку в разных участках мозга число повторов в гене, вызывающем болезнь Гентингтона , почти одинаково (различия не превышают 3-5).
К третьей группе пока относят единственную болезнь - атрофическую миотонию , при которой увеличенное число тринуклеотидных повторов локализовано в З'-концевой нетранслируемой области гена. Число повторов ЦТГ (соответствуют ЦАГ кодирующей цепи) в З'-концевой нетранслируемой области гена миотонин-протеинкиназы (DMPK) у больных значительно увеличено (в норме 5-40), в тяжелых случаях вставка достигает размера в несколько тысяч нуклеотидов. Число повторов в разных тканях различно, что указывает на нарушение репликации как в мейозе, так и в митозе. Поскольку функция З'-концевой нетранслируемой области состоит в обеспечении стабильности и процессинга мРНК, увеличение числа повторов может повлиять на экспрессию гена и количество миотонин-протеинкиназы. При взрослой форме атрофической миотонии содержание мРНК миотонин-протеинкиназы в мышечной ткани существенно снижается. Поскольку уменьшено содержание как нормальной, так и мутантной мРНК, возможно, существует другой, еще не изученный механизм действия доминантно-негативных мутаций на уровне РНК.
Другой возможной причиной атрофической миотонии является подавление экспрессии соседних генов. В непосредственной близости от гена миотонин-протеинкиназы (в направлении теломеры) находится ген DMWD , экспрессия которого максимальна в нервной ткани и в яичках. Обнаружен ген SIX5 , примыкающий к участку повторов ЦТГ со стороны центромеры, который кодирует гомеодоменный белок, ассоциированный с локусом атрофической миотонии. Увеличение числа повторов ЦТГ может вызывать подавление экспрессии нескольких генов вследствие нарушения структуры хроматина, регуляторного действия на соседние гены (цис-эффект) или действия содержащих повторы транскриптов на экспрессию другого аллеля (транс-эффект).
К четвертой группе отнесены болезни, вызванные увеличением числа тринуклеотидных повторов в интроне. Причиной атаксии Фридрейха является увеличение числа повторов ГАА в первом интроне гена фратаксина (FRDA) , приводящее к снижению содержания мРНК за счет подавления транскрипции или нарушения сплайсинга (то есть мутация вызывает подавление функции). Болезнь наследуется аутосомно-рецессивно. Соответственно, большинство больных гомозиготны по мутантному аллелю, но некоторые являются смешанными гетерозиготами - в одном аллеле увеличено число тринуклеотидных повторов, а в другом имеется точечная мутация. При атаксии Фридрейха не наблюдается антиципации , она часто начинается в детском или подростковом возрасте.
Открытие тринуклеотидных повторов объяснило молекулярный механизм давно известного явления антиципации : более раннее начало болезни в последующих поколениях связано с увеличением от поколения к поколению числа тринуклеотидных повторов.
Различная экспрессивность гена в семье при болезни Гентингтона (в частности, существование ювенильной формы этой болезни) и особенно при атрофической миотонии связана с индивидуальными различиями числа повторов.
Поскольку антиципация отмечена при ряде других нервных и психических болезней, возможно, и они вызваны увеличением числа тринуклеотидных повторов.
