Наследственные болезни с нетрадиционным наследованием: болезни геномного импринтинга

Недавно генетики и эмбриологи описали третье исключение - это геномный импринтинг, когда оба родителя передают потомкам совершенно идентичные гены, но эти гены несут специфический отпечаток пола родителей, т.е. отцовские и материнские гены активированы или супрессированы во время гаметогенеза по-разному. Таким образом, в некоторых случаях важно, от кого из родителей унаследован ген. Суть геномного импринтинга заключается в том, что гены, передаваемые потомству, несут специфический «отпечаток» пола родителя, т.е. отцовские и материнские гены маркированы по-разному; причем эти «отпечатки» временные и могут быть «стерты». Вследствие геномного импринтинга потомки, получившие маркированные гены от матери, отличаются от тех, которые унаследовали такие гены от отца. Другими словами, в некоторых случаях важно, от которого из родителей унаследован ген.

Многие исследователи  пытались установить молекулярную природу  геномного импринтинга, обеспечивающие его механизмы, а также число  и функции маркируемых генов. Благодаря этому сделано несколько  замечательных открытий, которые  расширяют понимание ряда раковых  и наследственных заболеваний, а  также некоторых других патологий. Изучение геномного импринтинга, возможно, откроет что-то новое и в наследовании признаков, которые вполне удовлетворительно  объясняются в рамках классической менделевской генетики.

Термин «импринтинг» (imprint - отпечаток) впервые предложил в 1960 г. Х. Кроуз из Колумбийского университета США для описания селективной элиминации отцовских хромосом у насекомых.

Геномный импринтинг называют эпигенетическим явлением, подчеркивая этим, что наследуются изменения генной активности, обусловленные родительским происхождением хромосом или их фрагментов, а не структурные перестройки генетического материала (мутации).

Таким образом, в некоторых  участках генома, подверженных геномному  импринтингу, экспрессируется только один отцовский или материнский аллель, т.е. наблюдается моноаллельная экспрессия импринтированных генов (генов, которые дифференциально экспрессируются в зависимости от отцовского или материнского происхождения) в отличие от обычной диаллельной. Причем, если импринтирован материнский ген, то экспрессируется отцовский аллель и наоборот. Наличие такого способа регуляции работы генов свидетельствует о неэквивалентном вкладе родителей в функционирование генома потомков, а фенотипические признаки, контролируемые импринтированными локусами, могут появляться в результате не только мутаций генов, но и нарушения эпигенетической программы регуляции генной экспрессии.

Геномный импринтинг занимает особое место среди специфических  механизмов регуляции активности генов  на ранних стадиях развития, приводя  к различиям в экспрессии гомологичных материнских и отцовских аллелей.

Первоначальный «отпечаток», созданный в половых клетках, служит основанием для дальнейших модификаций  в результате взаимодействий между  родительскими геномами и цитоплазматическими  факторами яйцеклетки во время формирования пронуклеуса (автономное существование яйцеклетки и сперматозоида в зиготе).

Последующие эпигенетические  модификации могут привести к  тому, что изменения в экспрессии генов будут стабильно передаваться в процессе развития клеточных поколений. Геномный импринтинг, например, может  изменять дозу генов, контролирующих рост эмбриона, клеточную пролиферацию и дифференцировку.

Изучение геномного импринтинга  у млекопитающих началось в начале 80-х годов XX в. после опытов на мышах, проведенных Дж. Мак Гратом, Д. Солтером и М. Сурани .

Авторы разработали тонкий микрохирургический метод переноса клеточных ядер мышиных эмбрионов  в стадии пронуклеусов и показали, что наследование хромосомных наборов только от одного из родителей приводит к нарушению процесса развития.

Оказалось, что отцовский  генетический вклад важен для  развития плаценты, а материнский  вклад необходим для развития тела эмбриона. Далее было показано, что наследование части индивидуальных хромосом или целой хромосомы только от одного из родителей может также приводить к аномальному фенотипу.

Таким образом, геномный импринтинг состоит в том, что хромосомы  половых клеток (сперматозоидов или  яйцеклеток) индивида приобретают «отпечаток» его пола. Потомство получает один набор хромосом с отцовской маркировкой некоторых генов, а другой - с материнской. При образовании у потомка половых клеток прежний «отпечаток» стирается и эти гены маркируются в соответствии с полом данной особи.

1.3 Болезни импринтинга

Проявления геномного  импринтинга удивительным образом  связаны с некоторыми заболеваниями  человека. Неожиданно оказалось, что  в природе уже существуют параллели  тем экспериментальным состояниям, которые исследовали у мышей. Недавно Р. Николлс и его коллеги из Медицинской школы Гарвардского университета установили, что у многих больных с синдромов Прадера--Вилли обе хромосомы 15 унаследованы от матери.

Р. Николлс, Дж. Кнолл (тоже сотрудник Гарвардского университета) и Ч. Уильямс из Флоридского университета обнаружили связанную с геномным импринтингом закономерность у больных с синдромом Ангельмана. У таких больных нередко имеют место частичные делеции унаследованной от матери хромосомы 15, в результате чего полностью функциональна только отцовская хромосома 15.

Эти два заболевания, хотя и столь разные по клинической  картине, могут быть связаны с  различиями в импринтинге одних  и тех же генов одной и той  же хромосомы. Однако в отличие от ненормально крупных и мелких мышей, синдромы Прадера--Вилли и Ангельмана не удается представить просто как две стороны одной медали, т. е. объяснить избытком либо недостатком продуктов одних и тех же генов. Исследования Николлса и его коллег показали, что бывает очень трудно предсказать, каким образом конкретные признаки зависят от процесса геномного импринтинга. Полезно было бы изучить на этот предмет многие наследственные заболевания человека; не исключено, что найдутся указания на влияние геномного импринтинга.

Примером импринтинга  целого генома у человека является истинный пузырный занос, который возникает при оплодотворении яйцеклетки, лишенной материнских хромосом, двумя сперматозоидами. Несмотря на наличие полноценного диплоидного набора, ранний эмбриогенез таких зигот протекает аномально: ткани собственно эмбриона вообще не формируются, однако бурно разрастается трофобласт. В случае двойного набора материнских хромосом развивается тератома - эмбриональная опухоль. Следовательно, у человека, как и у мыши, на ранних стадиях развития геном отца преимущественно обеспечивает развитие провизорных органов, а геном матери -- эмбриональных структур. Только материнский или только отцовский геномы не в состоянии обеспечить нормальное развитие эмбриона.

На организменном уровне эффект импринтинга обнаружен в  связи с наличием в хромосомном  наборе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения - так называемая однородытельская дисомия (ОРД), т.е. наблюдается качественный, а не количественный хромосомный дисбаланс. Известны два основных механизма образования ОРД у человека: коррекция трисомии до дисомии (гетеродисомия), происходящая в 1-м мейотическом делении, и коррекция моносомии до дисомии (изодисомия) -- во 2-м мейотическом делении.

Феноменология импринтинга  значительно лучше изучена у  мыши, чем у человека, и поскольку  известна гомология между хромосомами  человека и мыши (примерно по 700 локусам), можно использовать данные по импринтингу, полученные на мышах, для целенаправленного  поиска импринтинга по определенным локусам у человека.

Импринтированные гены и их транскрипты обнаружены на многих хромосомах человека - 1, 5, 6, 7, 11, 13, 15, 19, 20 и X. На хромосоме 7 мыши и хромосомах 1 и 15человека найдены два больших кластера ортологичных импринтированных генов, т.е. эволюционно консервативных по статусу импринтинга. Идентифицированы гены с полиморфным импринтингом, т.е. с сочетанием моноаллельной экспрессии в одних тканях и диаллельной -- в других. По-видимому, такая тканеспецифическая эпигенетическая модификация некоторых генов может быть одним из механизмов, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов клеток разных тканей в ходе развития.

В последние годы с помощью  молекулярно-генетических методов  феномен геномного импринтинга  наблюдают и при мультифакториальных заболеваниях. Например, четко выраженный отцовский импринтинг обнаружен при атопическом дерматите, материнский - при бронхиальной астме и атопии у детей. При инсулинзависимом сахарном диабете выявлена более высокая вероятность отцовского импринтинга. Ген инсулина у человека расположен в кластере импринтированных генов 11р15 и гомологичен локусам в мышином геноме, подверженным импринтингу. Кроме того, обнаружена ОРД отцовского происхождения у детей с неонатальным сахарным диабетом.

Примеров заболеваний, в  основе этиологии которых лежит  нарушение функции импринтированных участков генома, довольно много, поэтому можно говорить об особом классе заболеваний человека - «болезнях импринтинга», которых насчитывается уже более 30. Основные из них приведены в табл. 1.

Таблица1 Предполагаемые «болезни импринтинга» у человека

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИНДРОМОВ ПРАДЕРА-ВИЛЛИ И АНГЕЛЬМАНА

2.1 Цитогенетическая характеристика синдромов Прадера-Вилли и Ангельмана

Наиболее убедительные данные получены при синдроме Прадера--Вилли (СПВ) и синдроме Ангельмана (СЭ), которые, имея существенно разные клинические проявления, в своей основе имеют сходные молекулярно-цитогенетические изменения (табл. 2 и 3).

Таблица 2 Корреляция генотип-фенотип  при синдроме Ангельмана

Таблица 3 Корреляция генотип--фенотип при синдроме Прадера-Вили

Наиболее частой причиной возникновения Синдрома Прадера-Вилли и Синдрома Ангельмана является протяженная (до 4 млн п.н.) деления критического района 15(q11-q13), которую находят у 70-75 % больных с этими синдромами. Делецию при Синдроме Прадера-Вилли обнаруживают на отцовской хромосоме 15, а при Синдроме Энжельмена делеция той же области на ее материнском гомологе. Второй причиной возникновения этих синдромов оказалась однородительская дисомия, т.е. наследование обоих гомологов хромосомы 15 от одного из родителей. С помощью ДНК-маркеров региона делеции путем блот-гибридизации по Саузерну, а также анализа метилирования было продемонстрировано различное родительское происхождение хромосомы 15: в первом случае отцовское, во втором - материнское. Поскольку этот регион хромосомы 15 идентичен аналогичному региону хромосомы 2 мыши, для которого хорошо известен геномный импринтинг, исследования стали проводить в этом направлении. Оказалось, что регион Синдрома Прадера-Вилли активен на отцовской хромосоме (при наличии делеции на отцовской хромосоме или материнской ОРД отсутствуют отцовские гены) и не активен на материнской. Материнская ОРД наблюдается в 25 % случаев Синдрома Прадера-Вилли, а отцовская ОРД становится причиной возникновения СЭ в 3--5 % случаев.