МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 2, с. 205-211
= ОБЗОРЫ
УДК 575.2:616.056.7
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ХРОМАТИНА ПРИ ЭКСПАНСИИ
ТРИНУКЛЕОТИДНОГО ПОВТОРА CGG В ГЕНЕ fmr1 © 2015 г. Д. В. Юдкин1 2*, Н. А. Лемская1, И. В. Грищенко2, А. А. Дольский2
Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук,
Новосибирск, 630090 2Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090 Поступила в редакцию 14.07.2014 г.
Принята к печати 12.08.2014 г.
Синдром ломкой Х-хромосомы — наследственное нейродегенеративное заболевание человека, которое встречается с частотой от 1/4000 до 1/6000. Развитие этого заболевания, считающегося наиболее распространенной причиной наследственной умственной отсталости, связано с экспансией тринуклеотид-ного повтора CGG в 5'-промоторной области генаfmr1. В норме число копий CGG не превышает 54, если повтор состоит из 55—200 триплетов, то развиваются заболевания, ассоциированные с ломкой Х-хромо-сомой: синдром атаксии/тремора и первичная недостаточность яичников. У носителей более 200 триплетов возникает синдром ломкой Х-хромосомы. Гтавная причина этой патологии — отсутствие белка FMRP, кодируемого геномfmr1. Этот РНК-связывающий белок отвечает за дифференцировку нейронов. При увеличении количества триплетов CGG ген fmr1 прекращает свою работу. Следствием экспансии повтора CGG является метилирование ДНК, метилирование и деацетилирование гистонов, что влечет за собой гетерохро-матинизацию всего участка встройки. С таким хроматином связываются факторы транскрипции, подавляющие экспрессию гена fmr1, что приводит к развитию заболевания. В данном обзоре мы рассмотрим механизмы гетерохроматинизации участков экспансии повтора CGG в промоторной области гена fmr1.
Ключевые слова: синдром ломкой Х-хромосомы, гетерохроматинизация, транскрипция, экспрессия, метилирование, ацетилирование, гистоны, синдром атаксии/тремора, первичная недостаточность яичников.
CHROMATIN CHANGES CAUSED BY CGG REPEAT EXPANSION INfmr1 GENE, by D. V. Yudkin1,2*, N. A. Lemskaya1, I. V. Grischenko2, A. A. Dolskiy2 ^Institute of Molecular and Cellular Biology, Siberian Division, Russian Academy of Science, Novosibirsk, 630090 Russia, *e-mail: dim@mcb.nsc.ru; 2Novosibirsk State University, Novosibirsk, 630090 Russia). Fragile X syndrome is inheritable neurodegenerative disease with frequency 1/4000—1/6000. It is the main cause of inheritable mental retardation. Progression of the disorder is caused by CGG repeat expansion in 5' UTR offmr1 (fragile X mental retardation 1) gene. Normal allele contains <54 repeats. Allele containing 55—200 repeats induce fragile X-associated disorders: fragile X-associated tremor/ataxia syndrome and fragile-X associated primary ovarian insufficiency. Allele containing >200 repeats induce fragile X syndrome. Absence of FMRP protein is the main reason for the syndrome progression. FMRP is RNA-binding protein responsible for neuronal differentiation. In case of increasing CGG triplets number the expression offmr1 gene is repressed. Results of CGG expansion are DNA methylation, histone methylation and deacetylation. Repression transcription factors bind such chromatin and lead to disorder progression. In this review we discuss the mechanisms of heterochromatinization induced by CGG repeat expansion in the promoter region of fmr1 gene.
Keywords: fragile X syndrome, heterochromatinization, transcription, expression, methylation, acetylation, hi-stones, tremor/ataxia syndrome, primary ovarian insufficiency.
Б01: 10.7868/$002689841501019Х
ВВЕДЕНИЕ
В начале 90-х годов ХХ века был открыт особый тип мутаций — экспансия повторенных мик-росателлитных последовательностей. Эти мутации, называемые также динамическими, вызыва-
* Эл. почта: dim@mcb.nsc.ru
ют ряд генетических заболеваний человека. На сегодняшний день известно 22 заболевания, обусловленных экспансией повторов, например синдром ломкой Х-хромосомы, миотоническая дистрофия, болезнь Хантингтона и др. Так увеличе-
ние длины повтора CGG в 5'-промоторной области гена fmrl (fragile X mental retardation 1) и метилирование промотора, наблюдаемые при синдроме ломкой Х-хромосомы, вызывают нарушение экспрессии гена [1].
В большинстве случаев заболевание развивается, когда длина повтора превышает пороговое значение 55—150 копий. При этом генетические основы патогенеза различных заболеваний, связанных с экспансией повторов, имеют мало общего. Гены, вовлеченные в развитие этих болезней, могут находиться как в аутосомах, так и в половых хромосомах, иметь доминантный или рецессивный тип наследования, быть связанными или не связанными с полом. Увеличение количества повторов может происходить в различных участках гена. Главная проблема в изучении заболеваний, связанных с экспансией повторов, — определение их патогенетического механизма. Описано по крайне мере четыре таких механизма: 1) потеря функции гена, в котором произошла экспансия; 2) ген активен, его продукт содержит полиглутаминовую последовательность; 3) ген экспрессируется с образованием РНК, содержащей CUG-последовательность; 4) ген экспресси-руется с формированием продукта, содержащего полиаланиновый участок [2].
Известно, что гистоны подвергаются кова-лентным модификациям, в зависимости от которых формируется активный и неактивный хроматин. Экспрессия гена зависит от типа хроматина, в котором этот ген расположен [3]. Например, при атаксии Фридрейха увеличение числа копий GAA-повтора в гене фратаксина приводит к гете-рохроматинизации участка, содержащего повтор [4]. Гетерохроматинизацию наблюдали также при увеличении числа копий GC-богатой сателлитной ДНК IV крупного рогатого скота, встроенной в геном клеток эмбриональной карциномы мыши [5].
В представленном обзоре рассмотрены изменения состава хроматина, обусловленные экспансией повтора CGG, а также влияние этих изменений на транскрипцию гена fmrl и развитие заболеваний, связанных с ломкой Х-хромосомой.
ЗАБОЛЕВАНИЯ, АССОЦИИРОВАННЫЕ С ЛОМКОЙ Х-ХРОМОСОМОЙ
Экспансия микросателлитных повторов приводит к развитию ряда заболеваний, самые распространенные из которых — заболевания, ассоциированные с ломкой Х-хромосомой. В основе патогенеза данных заболеваний лежит экспансия триплетов CGG в гене fmrl. Этот ген, локализованный в Х-хромосоме, отвечает за синтез белка FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein), который принимает участие в транскрипции в клетках головного мозга [6]. В 5'-нетранслируемой обла-
сти гена /тг1 локализован повтор СОО. В норме этот ген содержит от 5 до 54 копий повтора. Если число триплетов СОО находится в пределах от 55 до 200, то такой аллель считается "премутант-ным". Частота премутаций составляет в среднем от 1/250 у мужчин и до 1/100 у женщин и варьирует в разных странах. Например, премутации выявляют у одной из 130 женщин в Израиле, у одного из 800 мужчин и у одной из 240 у женщин в Канаде, на Тайване встречаемость премутации у мужчин существенно ниже — 1/1670 [7]. Уровень транскрипции гена /тг1 у носителей премутации выше, чем у носителей нормального аллеля, что приводит к повышению содержания его мРНК в 6—8 раз. Интересно, что несмотря на высокий уровень транскрипции количество белка FMRP при этом остается прежним или даже несколько снижается. Причины этого еще не установлены. Определенную роль в снижении количества белка может играть токсичность РНК.
Примерно у 30% мужчин, носителей прему-тантного аллеля, развивается связанный с ломкой Х-хромосомой синдром атаксии/тремора — прогрессирующее нейродегенеративное расстройство, для которого характерна поздняя мозжечковая атаксия и возрастные когнитивные нарушения. Заболевание сопровождается кратковременными потерями памяти, деменцией, слабостью мышц конечностей, паркинсонизмом. Когда размер СОО-повтора составляет 90 копий, у больных начинают формироваться внутриклеточные включения, которые содержат мРНК гена /тг1 и ряд РНК-связывающих белков, что, вероятно, свидетельствует о токсичности самой РНК. Следует подчеркнуть, что мРНК с нормальным количеством копий СОО не оказывает токсического эффекта даже при концентрации, превышающей норму в 100 раз [8]. Некоторые мужчины, носители премутантного аллеля (более 100 копий повтора), могут иметь фенотипические проявления, характерные для синдрома Мартина—Белл (например, большие уши и повышенную подвижность суставов). При этом уровень Щ у них остается нормальным [8].
Большинство женщин, носительниц премута-ции, не имеют внешних проявлений патологии. Лишь в случае полной мутации изредка могут наблюдаться некоторые фенотипические особенности. Таким женщинам часто свойственны эмоциональные проблемы, депрессия, агорафобия, примерно у 20% из них наблюдается первичная недостаточность яичников, связанная с ломкой Х-хромосомой. К основным симптомам этого заболевания можно отнести преждевременную потерю ооцитов и раннюю менопаузу (до достижения 40 лет) [7, 8]. Механизм развития заболеваний при премутации остается неясным. Существует ряд гипотез, предполагающих связь
между этими заболеваниями и РНК-интерференцией [9, 10].
В случае полной мутации (более 200 копий СОО) аллель не экспрессируется, что приводит к развитию синдрома ломкой Х-хромосомы (синдром Мартина—Белл), наиболее распространенной формы наследственной умственной отсталости. Встречаемость этого заболевания в популяции составляет примерно 1/4000 у мужчин и 1/6000 у женщин [11]. Кроме экспансии повторов и подавления экспрессии гена/шг1, при этом заболевании возникает ломкость Х-хромосомы в районе Хд27.3. Образующийся ломкий сайт ^ЯАХА) обусловлен недорепликацией увеличенного СОО-повтора [6, 12]. У больных мужского пола развивается макроорхизм при отсутствии эндокринной патологии. Для носителей полной мутации характерна также большая голова с широким лбом, длинное лицо, большие оттопыренные уши. У них наблюдается дисплазия соединительной ткани и, как следствие, повышенная подвижность суставов и гиперэластичность кожи, в некоторых случаях возникает мышечная гипотония. Главный симптом синдрома Мартина—Белл — умственная отсталость с низким ^ и н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.