Болезни экспансии тринуклеотидных повторов (БЭТП) -достаточно большой класс наследственных заболеваний, объединенных на основе общности молекулярного механизма — наличия, так называемых, «динамических мутаций», характеризующихся увеличением числа копий тандемных тринуклеотидных повторов в регуляторной или транслируемой части генов. Такой тип мутаций обнаружен пока только в генах человека и не встретился ни у одного из видов млекопитающих или других хорошо изученных живых организмов. Показано, что для некоторых генов в норме характерно наличие определенного числа тринуклеотидных повторов, причем, для каждого из них сушествует определенный количественный интервал популяционной изменчивости, при этом число повторов в нормальных аллелях может варьировать от нескольких десятков до нескольких сотен. Появление клинических признаков наблюдается лишь тогда, когда количество повторов превысит критический для данного гена уровень. Возникновение этих мутаций - двухступенчатый процесс.

На первом этапе происходит увеличение количества повторов выше характерного для популяции уровня при прохождении клетки через мейоз. Для одних заболеваний характерно увеличение количества повторов в мейозе женских половых клеток, для других - в мужских, для третьих - такой зависимости не выявлено. Таким образом, на первом этапе возникает аллель гена, содержащий увеличенное по сравнению с нормой количество тринуклеотидных повторов, но не достаточное для развития заболевания. Это состояние принято называть премутацией. Содержащий такую «премутацию» аллель становится нестабильным, что в ряде случаев приводит к возникновению полной мутации - увеличению количества повторов до критического уровня, необходимого для развития заболевания. Механизмы возникновения этого типа мутаций до конца не изучены. Предполагается, что они могут быть результатом нарушения функции ДНК-полимеразы во время репликации ДНК в митозе или мейозе.

Общие клинико-генетические характеристики болезни экспансии тринуклеотидных повторов следующие:

1) антиципация, т.е., утяжеление клинических проявлений заболевания из поколения в поколение в пределах одной родословной. Увеличение тяжести клинической картины проявляется как более ранним возрастом манифестации и быстрым прогрессированием заболевания, так и появлением более тяжелых симптомов у потомков пораженных. Феномен антиципации объясняется нарастанием количества тринуклеотидных повторов в цикле мейотических и митотических клеточных делений. Для одних заболеваний, например хореи Гентингтона, антиципация наблюдается при передаче заболевания от отца к детям (увеличение количества повторов в мужском мейозе), для других, например миотонической дистрофии, - при передаче гена через матерей (появление более протяженной экспансии в женском мейозе);

2) корреляция между тяжестью клинических проявлений и количеством тринуклеотидных повторов в различных семьях и у больных в одной и той же семье;

3) парадокс Шермана — возможность увеличения количества пораженных лиц в каждом последующем поколении в зависимости от того, кто из родителей передал мутацию потомкам. Возникновение этого феномена обусловлено наличием здоровых носителей «премутации», у которых экспансия тринуклеотидных повторов не достигла порога, необходимого для возникновения клинических симптомов. Этот парадокс был впервые выявлен при анализе родословных больных с синдромом Мартина-Белл, характеризующегося ломкостью Х-хромосомы, и он будет рассмотрен при описании этого заболевания.

Болезни экспансии тринуклеотидных повторов имеют не только общие черты, но и некоторые различия, обусловленные типом и локализацией тринуклеотидных повторов в структуре генов. На основании этиопатогенетических различий можно выделить две группы заболеваний.

Первую группу составляют болезни, при которых возникает экспансия CAG-пoвторов, кодирующих глутамин в транслируемой части гена, что приводит к включению в структуру экс пресс иру емого им белка полиглутаминового тракта. Экспансия тринуклеотидных повторов при этой группе заболеваний относительно невелика и их количество у больных колеблется в интервале от 40 до 80. При этом транскрипция и трансляция мутантных генов не нарушена, а патология возникает, по-видимому, в результате неправильного функционирования увеличенного в размере белка. Продукты экспрессии этих генов обнаруживаются в различных тканях и органах, что позволяет предполагать их значительную роль в ядерно-белковых и белок-белковых взаимодействиях. Все описанные в настоящее время заболевания этой группы представляют собой наследственные нейродегенерации, характеризующиеся поздним началом и неуклонным прогрессированием. К таким заболеваниям можно отнести хорею Гентингтона и различные варианты спино-церебеллярных атаксий.

Вторую группу составляют заболевания, при которых экспансия тринуклеотидных повторов возникает в нетранслируемои части гена. В этом случае для появления клинических симптомов необходима большая, чем в первой группе БЭТП, экспансия повторов (от нескольких сотен до нескольких тысяч), а характер клинических проявлений и темп прогрессирования болезни зависит от функции мутантного белка. Столь резкое увеличение количества тринуклеотидных повторов делает ген нестабильным, как в соматических, так и в половых клетках, что приводит к возникновению феномена антиципации в родословных больных. К заболеваниям этой группы можно отнести миотоническую дистрофию, синдром Мартина-Белл и атаксию Фридрейха.

В последние годы описано одно заболевание - окулофарингеальная миопатия, возникновение которого связано с коротким участком экспансии GCG-повторов, кодирующих аминокислоту аланин, в первом экзоне гена РАВР 2 (поли-А-связываюшего белка). Это приводит к увеличению полиаланинового участка в N-концевой части белковой молекулы и ее олигомеризации с образованием внутриядерных включений. Показано, чтоу98% здоровых людей имеется 6 таких тринуклеотидных повторов и лишь у 2% обнаруживается 7 GCG-повторов в гене. У больных окулофарингеальной миопатией количество повторов варьирует от 8 до 13 и в большинстве случаев равно 9. Особенность наследования этого заболевания заключается в том, что при возникновении различного сочетания аллелей гена РАВР 2 у больных может наблюдаться как аутосомно-доминантный, так и аутосомно-рецессивный типы наследования. Аутосомно-доминантный вариант имеет место при наличии аллеля, содержащего более 7 GCG-повторов (наиболее часто больные являются гетерозиготами по аллелюс 9 повторами).

Сочетание аллелей GCG-7/GCG-9 вызывает более тяжелую клиническую картину, чем комбинация аллелей GCG-6/GCG-9. Аутосомно-рецессивный тип наследования заболевания регистрируется у гомозигот по аллелям GCG-7 и GCG-9. Из приведенного примера следует, что межаллельные взаимодействия у человека могут обусловливать различные типы наследования одного и того же заболевания. Кроме того, определенный аллель (в данном случае это аллель GCG-7) может выступать в роли модификатора тяжести течения болезни.

Болезни экспансии тринуклеотвдных повторов с явлением антиципации. Под генетической антиципацией (или упреждением) понимается более раннее проявление и возрастание тяжести симптомов наследственного заболевания в последующих поколениях родословной. Антиципация реально проявляется при определенных видах моногенной неврологической патологии, а также при некоторых мультифакториальных заболеваниях.

В начале 90-х годов XX века при исследовании ряда тяжелых неврологических заболеваний были обнаружены «динамические» мутации с экспансией (резким увеличением числа копий) тринуклеотидных повторов у индивидов в последующих поколениях родословной. Развивающиеся в результате таких мутаций наследственные заболевания характеризуются четко выраженным проявлением антиципации.

Феномен экспансии числа тринуклеотидных повторов был впервые обнаружен при исследовании синдрома Мартина—Белла или синдрома фрагильной (ломкой) Х-хромосомы, основным фенотипическим проявлением которого является умственная отсталость. Синдром ломкой Х-хромосомы характеризуется довольно широкой распространенностью в популяции (1:1000) и необычным характером наследования. Лишь у 80% мужчин-носителей мутантного локуса имеются клинические и цитогенетические признаки заболевания. 20% носителей как клинически, так и цитогенетически нормальны, но после передачи мутации всем своим дочерям они могут иметь пораженных внуков. Неэкспрессируемый мутантный ген в таком случае становится экс-прессируемым в последующих поколениях.

Таким образом мутантный ген при синдроме ломкой Х-хромосомы может существовать в двух формах, отличающихся по своей пенетрантности. Одна — фенотипически не проявляющаяся — премутация, которая при прохождении через женский мейоз превращается в другую форму — полную мутацию. При таком необычном способе наследования и фенотипического проявления мутантного гена, отличном от классического Х-сцепленного наследования, обнаруживается феномен антиципации — более тяжелое проявление заболевания в последующих поколениях.

В основе клинических проявлений и цитологической нестабильности в локусе, ответственном за синдром ломкой Х-хромосомы, лежит многократное увеличение повторов тринуклеотида ЦГГ. В норме число повторов колеблется от 5 до 50. Премутация — неэкспрессируемая форма — характеризуется увеличением числа повторов до 50—200. Возрастание числа повторов тринуклеотида ЦГГ свыше 200 приводит к клинической манифестации заболевания и цитогенетическому проявлению ломкой Х-хромосомы. Как правило, у пораженных лиц наблюдается также аномальное метилирование ДНК, приводящее к репрессированию гена.

Интересно, что переход от состояния премутации к полной мутации возникает при передаче от матери, причем экспансия ЦГГ-повторов значительно выше при передаче от матери к сыну, чем от матери к дочери.

Антиципация, характерная для синдрома ломкой Х-хромосомы, объясняется четкой связью между числом тринуклеотидных повторов и тяжестью клинических проявлений заболевания с цитологической экспрессией ломкости Х-хромосомы.

Приведу Вам клинико-генетическую характеристику нескольких наиболее распространенных болезней экспансии тринуклеотидных повторов:

1. Синдром ломкой х хромосомы. Синдром Мартина-Белл.

Заболевание впервые описано в 1943 году. Это самый распространенный синдром, сопровождающийся умственной отсталостью у мужчин. Его частота в различных популяциях колеблется от 16 до 25 на 100 000 лиц мужского пола.

Основной этиологический фактор заболевания, выявленный у 99% больных, -увеличение количества тринуклеотидных CGG -повторов в нетранслируемой области первого экзона гена FMR 1, содержащего 17 экзонов и локализованного в хромосоме Xq27.3. Этот протяженный повтор расположен дистальнее CpG-островка на расстоянии 250 п.н. Все элементы, необходимые для нормальной экспрессии гена располагаются в пределах хромосомного участка, длиной в 2,8 т.п.н., перекрывающего 5'-область первого экзона, содержащего CGG-повторы. Число таких повторов у здоровых индивидуумов может колебаться от 6 до 200. Возникновение мутации в гене представляет собой двухступенчатый процесс. На первом этапе число повторов увеличивается до уровня, превышающего критический для данной популяции. Это состояние обозначается как премутация. В случае СМ Б премутацией считают количество повторов, превышающее 56. Полная мутация характеризуется наличием 200 и более тринуклеотидных повторов. Носители иремутации имеют повышенный риск рождения больного ребенка с полной мутацией в гене, приводящей к возникновению клинических признаков СМБ. Необходимо отметить, что переход премутации гена в полную мутацию при данном заболевании возникает только в женском мейозе. При этом уровень экспансии повторов находится в зависимости от пола потомка -он заметно выше у сыновей, чем удочерей женщин-носительниц. В качестве объяснения этого феномена рассматривается возможность взаимодействия в зиготе нормального и мутантного генов FMR I двух Х-хромосом. До настоящего времени остается неясной причина возникновения феномена экспансии CGG-повторов в гене FMR 1. Предполагается существование нескольких механизмов — неравный кроссинговер, аномальная рекомбинация влокусе Х-хромосомы, содержащем ген FMRU а также потеря негомологичных AGG-триплетов, которые в норме разделяют цепочку монотонных повторов. Увеличение количества CGG-повторов выше определенного уровня происходит вблизи CpG-островков, что приводит к возникновению гиперметилирования всей GC-насыщенной регуляторной области гена и вызывает полный блок его транскрипции в результате супрессии его промотора. Описан мозаичный вариант СМБ, появление которого связано с экспансией CGG-повторов в небольшом клеточном клоне. Таким образом, патогенез заболевания имеет несколько звеньев:

1) экспансия тринуклеотидного CGG-повтора в первом экзоне гена;

2) избыточное метилирование CpG-островка этого гена;

3) подавление экспрессии белкового продукта гена.

Ключевым звеном патогенеза следует считать гиперметилирование гена. Механизм возникновения этого феномена окончательно не установлен.

Рис.1.

Наряду с этим выявлена генетическая гетерогенность СМБ, связанная как с полилокусностью, так и полиаллелизмом. Показано, существование аллельных вариантов заболевания, обусловленных наличием точковых мутаций и делеций гена FMRL Кроме того, у больных с клиническими проявлениями СМБ в Х-хромосоме выявлено еще два фолат-чувствительных ломких сайта, находящихся на расстоянии ЗООт.п.н. и 1,5—2 млн.п.н. от известного ломкого сайта, содержащего ген FMR1. Механизм мутаций в двух генах, идентифицированных в этих ломких сайтах и обозначенных FRAXE и FRAXF, сходен с таковым при классической форме СМБ и обуслопчен экспансией GCC- и CGG-повторов с метилированием CpG-островков. Отличием двух редких вариантов СМБ от классического является увеличение количества тринуклеотидных повторов, как в женском, гак и в мужском мейозе.

Показано, что основным патогенетическим механизмом классического варианта заболевания служит отсутствие нуклеоцитоплазматического белка FMR1 (от англ. fragile menral retardation), осуществляющего челночную функцию и связывающего различные мРНК. В частности, этот белок участвует в формировании комплекса, необходимого для осуществления процессов трансляции в рибосомах.

Клинические проявления заболевания характеризуются триадой признаков:

1) олигофренией (IQ больных составляет 35-50);

2) дисморфией (прогнатизм, оттопыренные ушные раковины;

3) макроорхидизмом, выявляемым после периода полового созревания.

У 80% больных обнаруживается пролапс митрального клапана. Однако полная форма СМБ встречается только у 60% пораженных, у 10% больных выявляется только умственная отсталость, в остальных случаях имеет место различная комбинация симптомов.

Тип наследования этого заболевания наиболее близок к X-сиепленному доминантному, однако, имеет ряд особенностей, обозначаемых как парадокс Шермана. Он заключается в том, что вероятность развития основного признака заболевания

— умственной отсталости — зависит от положения индивида в родословной. Проиллюстрируем это на примере родословной, представленной на рисунке. При анализе родословной становится очевидным, что появление заболевания у членов третьего поколения трудно интерпретировать с точки зрения моногенного типа наследования. Объяснить этот феномен удалось после проведения молекулярно-генетического обследования всех членов родословной и установления их генотипов. Показано, что I, является носителем премутации в гене FMRJ, который передал ее своим дочерям II2 и II4. Женщины-носители премутации здоровы, однако имеют высокий риск рождения ребенка с СМБ. При этом пораженными могут быть дети обоего пола. Это может быть обусловлено двумя механизмами. Наиболее вероятный из них — характерное для этого заболевания увеличение числа тринуклеотидных повторов в мейозе женских половых клеток. В этом случае вероятность перехода премутации в мутацию зависит от количества CGG-повторов в гене FMRi. Риск рождения ребенка с СМБ у носительниц премутации представлен в таблице.

Показано также, что только 50% всех женщин носителей полной мутации имеют умственную отсталость различной степени выраженности. Различия клинических проявлений у женщин может быть обусловлено феноменом несбалансированной лайонизации Х-хромосомы материнского и отцовского происхождения в различных клетках организма. Необходимо отметить еще одну особенность проявления этого заболевания. Показано, что даже при наличии полной мутации в гене у 20% мужчин симптомы болезни отсутствуют.

Диагностика заболевания может осуществляться с использованием различных методов. До выяснения молекулярно-генетических основ данной патологии клинический диагноз СМБ подтверждали исключительно цитогенетическими методами. Было известно, что у большинства больных при культивировании клеток в среде с дефицитом фолатов на карсограмме выявляется феномен «ломкости» Х-хромосомы в 27 сегменте ее длинного плеча. В последние годы разработаны простые и дешевые молекулярно-генетические методы диагностики СМБ. Они основаны на анализе метилирования CpG-островков, прилежащих к FRAXA, FRAXE и FRAXF в избирательной полимеразной цепной реакции. В ряде случаев для одновременного анализа состояния метилирования CpG-островков и экспансии повторов образцы ДНК больного обрабатывают рестриктазой EcoR1, а затем чувствительной к метилированию рестриктазой, один из участков узнавания которой расположен в промоторной области гена. С помощью этого метода удается диагностировать более 98% больных, имеющих метилированные полные мутации в гене FMR1. Третий подход к диагностике СМБ иммунохимический; методами иммунохимии определяется уровень белкового продукта гена FMRI в тканях человека,

В настоящее время благодаря молекулярно-генетическим методам стала возможной эффективная профилактика повторных случаев заболевания в отягощенных семьях. Молекулярный анализ позволяет диагностировать СМБ не только при наличии клинических проявлений заболеваний, но и выявлять носителей «премутации» среди родственников больных.