CC BY
33
МОЛОГ1Я
DOI 10.26724 / 2079-8334-2017-4-62-183-186 УДК 575.224:616-056.7-039.42
). II. Ковамова. Л. Я. Фч-.юмюк. Т. В. 1>ш \ мяк. I.. О. Бмгмшк. М. И. К'у. шикая I ВУ » "Термомо. м.скмм государси'.еммым мешмммскмм уммверсмич мм. I. Я. I орбачевского
МО! У краппы ". Термомоль
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИНДРОМА РЕТТА.
АССОЦИИРОВАННЫЕ С ЭПИМУТАЦИЕЙ С^тС В ТРАНСГЕНЕРАЦИОННОМ
НАСЛЕДОВАНИИ
e-mail: [email protected]
Эпимутация С^тс, ассоциированная с образованием метилцитозина в CpG островках при репликации ДНК хромосом, возникает у мальчика-деда F0 поколения в сенсетивном периоде гаметогенеза под влиянием средовых факторов. Эпимутация и замена С-G на А-Т приводят к продукции неполноценного протеина МеСР2, что ведет к дефектной регуляции экспрессии генов, контролируемой протеином МеСР2 и нарушает постнатальное развитие мозга ребенка. Экспрессия фенотипа синдрома Ретта при трансгенерационном наследовании может наблюдаться у мальчика-внука F2 поколения вследствие гомозиготизации гомологичных локусов q28 Х и Y хромосом. В результате трансгенерационного наследования у мальчиков и девочек разных поколений наблюдается одноаллельная и биаллельная однородительская дисомия mat и pat происхождений.
Ключевые слова: синдром Ретта, pat, mat происхождение, трансгенерационное наследование, эпимутация, однородительская дисомия.
Синдром Ретта (СР) впервые описал как самостоятельное заболевание австрийский педиатр A.Rett в 1966 году [19]. B. НагЬе^ выделил это заболевание в отдельную нозологическую группу, назвав его «Синдромом Ретта» [13]. В настоящее время СР рассматривается как X-сцепленное редкое генетическое заболевание девочек (1:10000, 1:15000), спорадические случаи которого ассоциируются с экспрессией СР по доминантному типу. Клинически классические случаи СР проявляются постнатальным нарушением развития нервной системы, прежде всего, умственной отсталостью (занимает 2-е место после синдрома Дауна), а также аутизмом, замедлением роста окружности головы, потерей речи, утратой произвольных движений, появлением стереотипных движений рук, судорогами. Умственное развитие ребенка с СР останавливается на уровне 4-х летнего возраста. В большинстве случаев ребенок после рождения развивается вначале нормально, нервно-психические расстройства начинают проявляться постепенно в возрасте 6-18 месяцев.
В 80 % случаев СР ассоциируется с мутациями гена МЕСР2 (methyl-CpG-binding protein 2) [1, 2], который кодирует протеин МеСР2 и локализован в локусе Xq28 длинного плеча X хромосомы. Протеин МеСР2 при метилировании ДНК, присоединяясь к ДНК, может регулировать транскрипцию кодонов и контролирует экспрессию генов, необходимых для развития синапсов между нейронами BDNF, IDI, EGR2, JUN3 и др. Мутации гена МЕСР2, ведущие к нарушению продукции и структуры протеина МеСР2, тем самым нарушают развитие головного мозга и его функционирование [2, 3, 8, 23]. В 10 % случаев синдром Ретта ассоциируется с мутациями генов CDKL5 или FOXG1 [11]. Генетические основы патогенеза заболевания изучены в ряде исследований [7, 9, 10, 17, 20, 21]. Мутации генов, как правило, возникают de novo и экспрессируют в фенотипе больных СР почти исключительно у девочек в гетерозиготном состоянии по Х-сцепленному доминантному типу. Считается, что у мальчиков такие мутации гена МЕСР2 в гемизиготном положении приводят к летальному исходу. Описано всего около 60 случаев СР у мальчиков [4, 5, 6, 14, 15, 16, 21]. В Украине последний случай СР наблюдался у пациента в возрасте 3-х лет и 2-х месяцев с клиническим диагнозом «синдром Ретта», у которого при генетическом анализе был установлен кариотип 46, XY с миссенс-мутацией в 4 экзоне гена MECP2: c.398 G-T, p.R133L, т.е. мутация была обнаружена в типичном для СР месте [6, 19]. Главной причиной развития СР являются различные мутации гена МЕСР2, наиболее часто делеции, приводящие к нарушению последовательности нуклеотидов, продукции дефектного протеина МеСР2, что ведет к дерегуляции экспрессии генов и нарушает постнатальное развитие мозга ребенка. У матерей, унаследовавших мутированные гены от родителей по мужской линии, может наблюдаться носительство, которое протекает бессимптомно [19]. Известны семейные случаи заболевания СР, которые чаще встречаются при
близкородственных браках, а также случаи заболеваний без мутаций [6, 14, 15]. В связи с тем, что только генетическими изменениями в генотипе больных СР, ассоциированными с мутациями, трудно объяснить случаи заболевания СР у детей без мутаций, а также более редкие, чем у девочек, заболевания среди мальчиков как и случаи живорожденных мальчиков с фенотипом СР.
Целью работы был поиск и изучение возможных эпигенетических механизмов развития СР.
Материал и методы исследования. На основании материалов исследований эпигенетических механизмов развития СР мы изучили возможность эпимутации C^-mC в инициации развития СР у детей как альтернативы классической генной мутации.
Результаты исследования и их обсуждение. Характерные для СР нарушения функции гена МЕСР2 и кодируемого им протеина МеСР2 - регулятора экспрессии генов с соответствующими молекулярными изменениями могут проявляться без нарушения последовательности нуклеотидов, вследствие первичной эпимутации. Эпимутация C^-mC: присоединение метильной группы к углероду, расположенному в положении 5 пиримидинового кольца цитозина в островке CрG при репликации ДНК Х и Y хромосом ведет к спариванию метилцитозина вместо гуанина (G) с тимином (Т), а группа CH3, присоединившись к цитозину (С), нарушает считывание цитозиновых кодонов. Эхансеры транскрипции, с которыми взаимодействуют факторы транскрипции, могут препятствовать взаимодействию с белками репрессорами. Спонтанное дезаминирование метилцитозина ведет к мутации - замене пары С-G на А-Т [9]. Для выяснения вопроса о том, как замена оснований QG на А,Т может конкретно повлиять на продукцию полноценного протеина МеСР2, нами проведена такая замена С, G на А, Т в кодонах аминокислот стандартного генетического кода, результаты которой представлены на таблице 1.
Таблица 1
Замена с-g на а-т в кодонах аминокислот стандартного генетического кода
1-е основа 2-е основание 3-е основани
ние U C A G е
U UUU (Phe/F) Фенил-аланин UTU (Ser/S) Серин UAU (Гу^ Тирозин UAU (Cys/C) Цистеин U
UUT UTT UAT UAT C
UUA (Leu/L) Лейцин UTA UAA Стоп (Охра) Стоп (Янтарь) UAA Стоп (Опал) A
UUA UTA UAA UAA (Trp/W) Триптофан G
C TUT TTU (Pro/P) Пролин TAU (Шв/Н) Гистидин TAU (Arg/R) Аргинин U
CUC TTT TAT TAT C
TUA TTA TAA (О1л/0) Глутамин TAA A
TUA TTA TAA TAA G
A AUU (Ile/I) Изолейц ин ATU (Thr/T) Треонин AAU (ЛЙЛ/Ы) Аспарагин AAU (Ser/S) Серин U
AUT ATT AAT AAT C
AUA ATA AAA (Ьуз/К) Лизин AAA (Arg/R) Аргинин A
AUA [A] (Met/M) Метионин ATA AAA AAA G
G AUU (Val/V) Валин ATU (Ala/A) Аланин AAU (Авр/О) Аспараги-новая AAU (Gly/G) Глицин U
кислота
Вследствие такой замены изменяется смысловая нагрузка кодонов аминокислот, в том числе метионина, который играет инициирующую роль в синтезе протеина. Отдельные кодоны ряда аминокислот приобретают способность кодировать различные аминокислоты: AUA - изолейцин и метионин; AAA - лизин и аргинин; кодоны AAU и AAT - аспарагин и серин; AAU - аспарагиновую кислоту и глицин; TAA - глютамин и аргинин; UAU - тирозин и цистеин. Кодон UAA, который образовался вследствие замены в стандартном кодоне триптофана UGG, является гомологом стандартного стоп-кодона Ochre, а стандартные стоп-кодоны Amber и Opal также приобретают гомологичные кодоны UAA. В итоге все стоп-кодоны и кодон триптофана смогут осуществлять функцию, свойственную для стандартного кодона Ochre. Перечисленные выше изменения в кодонах аминокислот в результате их считывания приводят к продукции неполноценного протеина МеСР2, который будет нарушать экспрессию генов в постнатальном развитии мозга ребенка. Нарушения
механизма экспрессии генов, инициированные эпимутацией, могут играть весьма существенную роль в развитии СР, если учесть, что эпимутации, ассоциированные с факторами внешней среды, возникают в 100 раз чаще, чем спонтанные мутации, а цитозиновые CpG островки с динуклеотидами CG составляют около 80 % всех CG нуклеотидов и около 60 % всех активно транскрибируемых генов. Эпигенетические модификации ассоциированые с аберрантным метилированием ДНК, могут трансгенерационно наследоваться в поколениях, если они возникают в сенсетивном периоде препубертатного гаметогенеза.
На схеме можно проследить наследование эпимутации C^-mC в трех поколениях (F0^F2), от деда к внукам, Х и Y хромосомами pat (отцовского) и mat (материнского) происхождения.Если предположить, что эпимутация C^-mC возникает под влиянием средовых факторов при репликации ДНК Х и Y хромосом у мальчика F0 поколения, то его эпигенотип будет содержать аберрантно метилированные Х и Y хромосомы, унаследованные от матери (mat) и отца (pat) соответственно. Аберрантно метилированная Х хромосома мальчика F0 поколения передается только дочерям F1 поколения, которые смогут передать ее своим сыновьям F2 поколения. В результате трансгенерационного наследования у мальчиков и девочек разных поколений наблюдается одноаллельная и биаллельная однородительская дисомия mat и pat происхождений. В хромосоме Х в локусе Xq28 расположен ген МЕСР2. Хромосома Y имеет аберрантно метилированный гомологичный локус q28. Экспрессия СР у мальчиков-внуков в этом случае сможет происходить вследствие гомозиготизации гомологичных локусов q28 Х и Y хромосом. Таким образом, эпимутация, в отличие от мутации, не экспрессирует в гемизиготном положении. Экспрессия эпимутации в виде фенотипа СР воможна у мальчиков-внуков вследствие гомозиготизации гомологичных локусов Х и Y хромосом.
Заключение
Эпимутация С^гос в островках СрG и замена С-G на А-Т в цитозиновых кодонах могут инициировать молекулярные нарушения, аналогичные ассоциированным с мутациями и создают молекулярный базис для альтернативного пути развития СР у девочек и мальчиков без первичной мутации. Образованием метилцитозина в островках СрG в промоторах гена (эпимутация С^гос) при аберрантном метилировании можно объяснить случаи заболеваний СР без первичных мутаций-делеций. Экспрессией фенотипа СР только у внуков, при условии изначальной первичной эпимутации у деда, можно объяснить более редкие случаи заболеваний у мальчиков, чем у девочек (эпимутация деда экспрессирует только у внука, т.е только в последнем из 3-х поколений). Можно предполагать, что в спорадических случаях заболевания у девочек когда эпимутация возникает de novo, она инициирует экспрессию фенотипа заболевания преимущественно pat происхождения как при классической мутации. Эпимутация Х хромосомы при этом находится в гетерозиготном состоянии и экспрессирует по доминантному принципу. Эпимутация Х хромосом отцовского происхождения у женщин, по-видимому, не экспрессирует, также как и первичные мутации, унаследованные женщинами от родителей по отцовской линии. Однородительская дисомия, которая имеет место у внуков вследствие трансгенерационнного наследования эпимутации, может объяснить случаи эмбриональной летальности у мальчиков и девочек и, возможно, случаи ее экспрессии в фенотипе СР.
1. Amir RE, Van den Yuser IB, Wan M, Tran CO, Francke U, Zoghbi HY. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2 encoding methyl-CpG- binding protein2, Nat. Genet. 1999; 23, 2:185-188.
2. Amir RE, Zoghbi HY. Rett Syndrome: methyl-CpG-binding protein 2 mutation and phenotype-genotype correlations. Am.J. Med.Genet. 2000; 97,2:147-152.
3. Berridge CW, Waterhouse BD. The locus coeruleus-noradrenergic system: modulation of behavioral state and state-dependent cognitive process, Brain Res.Dev. 2003; 42, 33: 33-84.
4. Budgeb SS, Dorssey HC, Steine RD. Clinical profile of a male with Rett syndrome. Brain and Dev. 2005; 27: 569-571.
5. Charytonov VI, Kashin AI. Rett syndrome in a boy: the presentation of a case. Bulletin of the Association of Psychyatrits of Ukraine. 2012;1: 1-4.
6. Charytonov VI. Rett Syndrom's diagnostic in a patient of male sex, NEURONEWS. 2013; 2 (47): 1-4.
7. Christodoulou J, Ho G. MeCP2 Related Disorders, 2012, pp 1-29. In Pagon RA, Adam MP, Ardinger HH., Wallace SE, Amemiya A, Bean LJH, Biard TD, Fong CT, Mefford HC, Smith RJH, Stephens K, Gene Reviews. [Internet] Seattle (WA): University of Washington, Seattle Gene Reviers. 1993; 2016; 2012.
8. Delcuve GP, Rastergam M, Davia JR. Epigenetic Diseases. J. Cell.Physiol. 2009; 2: 243-250.
9. Gvozdev VF. Regulation of gene activity due to chemical modification (methylation) of DNA. Sorosovsky Educational Journal. 1999; 10: 11-17.
10. Giard M, Couvert P, Carrie A, Tardieu M, Chelly J, Beldjord C, Bienvenu T. Parental origin of de novo MECP2 mutations in Rett syndrome, Europ. Hum. Genet. 2001; l.9, 3: 231-236.
11. Grechanina JuB, Grechanina EJ. Epigenetic diseases. Rett syndrome. Clinical genetics. 2011; 1,2: 35-48.
12. Guerrini R, Parrini R. Epilepsy in Rett syndrome, and CDKL5- and FOXG1- Gene-related encephalopathies. Epilepsia. 2012; 12: 2067-2078.
13. Harberg B, Aicardi J, Dias K, Ramos O A. progressive syndrome of autism, dementia, ataxia, and loss purpuseful hand use in girls Rett's syndrome: report of 35 causes, Annals of neurology.1983; 14, 4: 471-479.
14. Meloni I, Brutini M, Longo I, Man F, Rizzolio F, D'Adamo P, Denvnendt K, Fryns J-P, Toniolo D, Renieri A A. Mutation in the Rett Syndrome Gene, MECP2, Causes X-Linked Mental Retardation and Progressive Spasticity in Males. Am.J.Genet. 2000; 67.4: 982-985.
15. Moog U, Smeets EEJ, Roosendaal KEP, Schoenmakers S, Harberg J. Neurodevelopmental disorders in males related to the gene causing Rett syndrome in females (MECP2). Europ.J. Pediatric Neurology. 2003; l.7, 1: 5-12.
16. Phillipart M. The Rett syndrome in male, Brain Dev. 1990; 12, 1: 33-36.
17. Rett A. On a unusual brain atrophy syndrome in hyperammanemia in childhood, Wien. Med. Wochen. 1966; 116, 37: 723-726.
18. Rasanzeva LZ, Ulas WU. Childre Rett Syndrome. J. Treatments doctors. 1998; 1: 1-9.
19. Renieri A, Meloni I, Longo I, Ariani E, Mari F, Pesscucci C, Cambi F. Rett Syndrome: the complex nature of a monogenic disease. J. Mol. Med.(Berlin). 2003; 81, 6: 346-354.
20. Shahbazlan MD, Young JI, Yuva-Paylor LA, Spencer CM, Antalffai BA, Noebels JL, Armstrong DL, Paylor R, Zoghbi HY. Mice with Truncated MeCP2 Recapitulated Many Rett Syndrome Feature and Display Hyperacetylation of Histone H3. . Brain Phys. 2002; 2: 243-254.
21. Villard L, Krebe A,Cardoso C, Chelly J, Tardieu U, Fontes M. Two affected boys in a Rett syndrome family. Neurology. 2000; 55, 8: 1188-1193.
22. Van den Yeyer IB, Zoghbi HY. Mutations in the gene encoding methyl-CpG- binding protein2 cause Rett syndrome, Brain. Dev. 2001; 1: 147-151.
23. Trappe R, Laccone F, Cobilanschi J, Meins M., Huppke P, Hanefeld F, EngelW. MECP2 mutations in sporadic cases of Rett syndrome are almost exlusively of paternal origin. J. Hum. Gen. 2001; 68, 5: 1093-1101.
РефеРатм
ЕШГЕНЕТИЧН1 I ГЕНЕТИЧН1 АСПЕКТИ СИНДРОМУ РЕТТА. АСОЦШОВАШ З ЕШМУТАЦЕЕЮ С ^ тС, У ТРАНСГЕНЕРАЦ1ЙНОМУ УСПАДКУВАНН1 Ковамова Е.Н., Биумяк Т.В., Биумяк К.О., Кулицкая М.И.
Етмутапш С^тС,асоцшйована з утворенням метилщтозину в СpG осцрвцях при репликацп ДНК хромосом виникае у хлопчика-дада F0 поколшня у сенситивному перкад гаметогенезу тд впливом факт^рв середовища. Етмутащя i замiна С-G на А-Т призводять до продукцп неповноцiнного протешу МеСР2, що призводить до дефектно! регуляцп експресii гетв, яка контролюеться протешом МеСР2, i руйнуе постнатальний розвиток мозку дитини. Експресiя фенотипу синдрому Ретта при трансгенерацшному успадкуваннi може спостерiгатися у хлопчика-внука F2 поколшня внашпдок гомозиготизацп гомологiчних локусiв q28 X та Y хромосом. У результата трансгенерацшного успадкування у хлопчиюв i давчаток рiзних поколiнь спостерiгаеться одноалельна та бiалельна однобатьювська дисомiя mat i pat походження.
КЛючовi слова: синдром Ретта, pat, mat походження, трансгенерацшне успадкування, етмутацш, однобатьювська дисомя.
Стаття надiйшла 9.09.2017 р.
EPilENETIC AND GENETIC ASPECTS OF RETT SYNDROME, ASSOCIATED WITH EPIMUTATION C ^ mC IN THE TRANSGENERATIONAL INHERITANCE Kovanova E.N., Bihunyak Т.У, Bihuniak K.O., Kulitska M.I.
The C^mC epimutation associated with the formation of methylcytosine in CpG islands occurs under the influence of environmental factors during the gametogenesis in the generation F0 of the boy-grandfather. Epimutation and the replacement of CG on АТ promote the production of defective MeCP2 protein that can deregulate gene expression in the postnatal development of the child's brain. Expression of the phenotype of Rett syndrome in transgenerational inheritance can be observed in the different generations grandson boy due to homozygosity of homologous loci of q28 X and Y chromosomes. As a result of transgenic inheritance in boys and girls of different generations there is a uniallelic and biallelic uniparent dysomia of mat and pat origin.
Кеу words: Rett syndrom, pat, mat origin, transgenerational inheritance, epimutation, uniparent dysomia.
Рецензент Бшаш С.М.
