Вступление

В основном, наследственные генетические болезни характеризуются однократной мутацией в гене или генах. К таким заболеваниям относят, например, митохондриальные болезни, болезни соматических клеток и другие. Болезни, о которых мы сейчас будем говорить, характеризуются несколько иными мутациями - динамическими. Под словом «динамические» подразумевается то, что с каждым поколением возрастает число копий этих самых тринуклеотидных повторов. Число этих повторов прямо пропорционально тяжести заболевания и обратно пропорционально возрасту начала заболевания. Здесь же мы сталкиваемся с таким термином, как антиципация (нарастание тяжести течения заболевания в ряду поколений, усугубление течения наследственных заболеваний от одного поколения к другому). Прежде чем говорить о самих болезнях, стоило бы поговорить о молекулярных механизмах, лежащих в основе этих заболеваний.

Механизмы

Основной механизм - это так называемое пробуксовывание (проскальзывание) при репликации. Случаются такие пробуксовки тогда, когда в зоне репликации оказываются тандемные повторы. В общем и целом этот процесс проходит в четыре стадии:

1. ДНК-Полимераза сталкивается с прямым повтором и реплицирует его.
2. ДНК-полимераза приостанавливает свою работу по какой-либо причине (отсутствие нужного нуклеотида, например).
3. Происходит отделение вновь синтезированной цепочки, и на ней образуется «шпилька» из повторов.
4. ДНК-Полимераза возобновляет свою работу, но из-за образовавшейся шпильки повторяет введение дезоксирибонуклеотидов в позиции, к которым присоединила их до этого. Именно этот механизм лежит в основе экспансии тринуклеотидных повторов , . Смотри Рис. 1.

Рис. 1. Проскальзывание ДНК-Полимеразой при репликации на примере простых повторяющихся повторов CA. (а) 15 повторов СА (b) начало синтеза новой цепочки ДНК (с) спонтанная остановка ДНК-полимеразы. Образование шпильки, которая сдвигает репликацию на несколько нуклеотидов назад. Дальнейшая репликация (d) Окончание репликации. Репарация молекулы ДНК с учетом вновь синтезированной цепи (e) Результат пробуксовывания ДНК Отдельно стоит поговорить о репарации таких явлений. Исследования, проведенные John Petruska и его коллегами, предоставили предполагаемую модель репарации в случаях образования шпилек и проскальзывания при репликации . Смотри Рис. 2. Рис. 2. Предложенный группой John Petruska репарации при проскальзывании. Стрелочки на рисунке обозначают триплеты CAG и CTG, вовлеченные в развитие болезни Гентингтона и некоторых других нейродегенеративных заболеваний. После расхождения цепочек и возможного перемещения шпилек внесение одноцепочечного разрыва эндонуклеазой позволяет шпильке на противоположной стороне распрямиться. После этого на разрезанной цепочке начинает свою работу ДНК-Полимераза β, которая является ферментом репарации, и ДНК-Лигаза, сшивающая одноцепочечные разрывы. Также в статье John Petruska отдельно говорится о вероятной причине расхождения цепочек: например, отрицательной суперспирализации . Также шпильки могут перемещаться друг относительно друга.

Болезни, вызываемые экспансией тринуклеотидных повторов.

В первую очередь следовало бы поговорить о самой известной и уже упомянутой выше болезни - Хорея Гентингтона.

Хорея Гентингтона - одно из самых тяжелых прогрессирующих нейродегенеративных наследственных заболеваний головного мозга. Хорея (chorea; от греческого слова "choreia" - пляска) - форма гиперкинеза, характеризуется непроизвольными, быстрыми, нерегулируемыми движениями, возникающими в различных мышечных группах. Для этого заболевания выяснено соотношение числа повторов CAG в гене IT-15 . Этот ген кодирует белок гентингтин, наибольшая концентрация которого обнаружена в ЦНС. Функция его неизвестна, но многие исследования подтверждают его участие в таких процессах, как взаимодействие с транскрипционными факторами, везикулярный транспорт, заякоривание цитоскелета, а также предотвращение апоптоза в нейронах . Увеличение числа повторов триплетов CAG (Рис. 3), кодирующих аминокислоту глутамин, приводит к образованию полиглутаминовой последовательности - из-за этого происходит неправильное сворачивание белка гентингтина, тем самым, приводит к нарушению всех функций, где участвует этот белок . Рис. 3. Соотношение количества повторов CAG с тяжестью заболевания. По типу наследования Хорея Гентингтона является аутосомно-доминантным заболеванием. Болезнь Гентингтона поражает специфические области мозга. Наиболее заметные ранние изменения затрагивают область базальных ганглиев, называемую полосатым телом, которое состоит из хвостатого ядра и скорлупы . Другие повреждаемые области включают: чёрную субстанцию, 3, 5 и 6 слои коры головного мозга, гиппокамп, клетки Пуркинье в мозжечке, боковые туберальные ядра гипоталамуса и часть таламуса (Рис. 4). Рис. 4. Слева - пораженный Хореей Гентингтона мозг   Симптомы. Первичная манифестация заболевания может произойти в любом возрасте, но чаще всего первые симптомы появляются в возрастном промежутке от 35 до 40 лет. Основным клиническим признаком на ранних этапах является хорея, которая проявляется неконтролируемыми и беспорядочными движениями. Изначально развивается по типу незначительных нарушений координации с внезапными, не поддающимися контролю движениями. Эти движения могут быть как резкими, так и замедленными. В последующем к данным признакам присоединяются симптомы нарушения речи, проблемы с процессом глотания и жевания. Из-за постоянного подергивания и нарушения тонуса мышц человек гримасничает, больной испытывает проблемы со сном. Также хотелось бы добавить, что с экспансией повторов CAG связана не только болезнь Гентингтона, но и другие нейродегенеративные заболевания: болезнь Кеннеди (спинобульбарная мышечная атрофия), болезнь Мачадо-Джозефа (спиноцеребеллярная атрофия типа 3).

Синдром Мартина-Белла (синдром ломкой X-хромосомы)

Развитие данного заболевания связано с увеличением числа повторов CGG в гене FMR1 (fragile X mental retardation 1). Белок, кодируемый этим геном, отвечает за нормальное когнитивное развитие . Также этот белок связывается со многими мРНК, отвечающими за синаптическую передачу. При увеличении числа повторов CGG происходит сначала уменьшение экспрессии белка FMR1 (состояние премутации), а затем транскрипционный сайленсинг гена: происходит метилирование участков CGG, а также промотора гена FMR1, гипоацетилирование ассоциированных гистонов и конденсация хроматина (Рис. 5). Рис. 5. Как предполагают, аномальное метилирование промотора гена FMR1 является причиной формирования сайта ломкости Х хромосомы (сайта, где с большей вероятностью произойдет разрыв). Обычно на таких сайтах образуются уже знакомые нам шпильки, которые либо препятствуют, либо замедляют репликацию. Синдром является X-сцепленным доминантным заболеванием с неполной пенетрантностью. Симптомы. Проявления могут быть от легких - отставания в обучении, задержки психомоторного развития до более серьезных когнитивных (или умственных) расстройств, приводящих к умственной отсталости. Также есть определённые фенотипические признаки: большая голова с высоким и широким лбом, длинное лицо с увеличенным подбородком, несколько уплощённая средняя часть лица, тупой, слегка клювовидно загнутый кончик носа. Уши большие, иногда оттопыренные, низко расположенные. Кисти и стопы широкие, дистальные фаланги пальцев также широкие, суставы имеют повышенную подвижность. Кожа нередко гиперэластична. Часто встречаются светлоокрашенные радужные оболочки, светлые волосы. Не обязательно встречаются все признаки — могут быть один или несколько. Возможно даже развитие аутизма. Наблюдается также гипотония (Рис. 6). Рис. 6. Ребенок с Синдромом Мартина-Белла.

Заключение

Эффективное лечение болезней экспансии тринуклеотидных повторов пока еще не разработано, однако уже есть потенциальные идеи, как эти болезни победить. Создание лекарств оказалось достаточно трудоемким, поэтому ученые обратили свое внимание на генную терапию – сайленсинг мутантных генов путем использования системы CRISPR/Cas9 , антисмысловых олигонуклеотидов и РНК-интерференции . Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки в лечении различных болезней экспансии тринуклеотидных повторов. Главным испытанием для них пока еще остается доставка в клетки in vivo. Но нужно сказать, что и в этой области наблюдается прогресс . Автор: Станислав Груздев

Список литературы:

 

1. Genetics: from genes to genomes / Leland Hartwell . . . .—4th ed. p. 377-379
2. Viguera, E; Canceill, D; Ehrlich, SD. (2001). Replication slippage involves DNA polymerase pausing and dissociation. The EMBO Journal 20 (10): 2587–2595.
3. John Petruska, Michael J. Hartenstine, and Myron F. Goodman (1998). Analysis of Strand Slippage in DNA Polymerase Expansions of CAG/
4. CTG Triplet Repeats Associated with Neurodegenerative Disease. J. Biol. Chem. 1998, 273:5204-5210. Gellibolian, R., Bacolla, A., and Wells, R. D. (1997) J. Biol. 272, 16793–16797
5. Walker FO (2007). «Huntington's disease». Lancet 369 (9557).
6. Harjes P, Wanker EE (2003). «The hunt for huntingtin function: interaction partners tell many different stories». Trends Biochem. Sci. 28
7. http://old.web.stanford.edu/group/hopes/cgi-bin/hopes_tes..
8. http://old.sites.bu.edu/ombs/tag/gene-silencing/
9. Fragile X syndrome: loss of local mRNA regulation alters synaptic development and function. Bassell GJ, Warren ST 2008 Oct 23; 60(2):201-14.
10. Santoro, MR; Bray SM, Warren ST.; Warren, S. T. (2012). "Molecular Mechanisms of Fragile X Syndrome: A Twenty-Year Perspective". Rev. Pathol. Mech. Dis. 7: 219–45.
11. CRISPR/Cas9-based Treatment of Human Trinucleotide Repeat Genetic Disease Inventors: Edgardo Rodriguez, Beverly Davidson, Feng Zhang & Chie-Yu Lin
12. Allele-selective inhibition of trinucleotide repeat genes Masayuki Matsui and David R. Corey Drug Discov Today. 2012 May; 17(9-10): 443–450. doi:10.1016/j.drudis.2012.01.006.

13. RNAi: a potential therapy for the dominantly inherited nucleotide repeat diseases EM Denovan-Wright and BL Davidson Gene Therapy (2006) 13, 525–531
14. Goemans NM, et al. Systemic administration of PRO051 in Duchenne’s muscular dystrophy. Engl. J. Med. 2011; 364:1513–1522.
15. Cirak S, et al. Exon skipping and dystrophin restoration in patients with Duchenne muscular dystrophy after systemic phosphorodiamidate morpholino oligomer treatment: an open-label, phase 2, does escalation study. 2011; 378:595–605.