Genetyka medyczna. Wykrycie mutacji de novo w genie dystrofiny i jej znaczenie dla medycznego poradnictwa genetycznego w dystrofii mięśniowej Duchenne'a (obserwacja kliniczna)
Według The New York Times trzy grupy amerykańskich naukowców, niezależnie od siebie, po raz pierwszy zdołały ustalić powiązanie między mutacjami w niektórych genach a prawdopodobieństwem rozwoju u dziecka zaburzeń ze spektrum autyzmu. Ponadto badacze znaleźli naukowe potwierdzenie zidentyfikowanego wcześniej bezpośredniego związku między wiekiem rodziców, zwłaszcza ojców, a ryzykiem rozwoju autyzmu u potomstwa.
Wszystkie trzy grupy skupiły się na rzadkiej grupie mutacji genetycznych zwanej „de novo”. Te mutacje nie są dziedziczone, ale pojawiają się podczas poczęcia. Jako materiał genetyczny pobrano próbki krwi od członków rodziny, których rodzice nie byli autystyczni, au dzieci rozwinęły się różne zaburzenia ze spektrum autyzmu.
Pierwsza grupa naukowców, kierowana przez Matthew W. State, profesora genetyki i psychiatrii dziecięcej na Uniwersytecie Yale, której praca została opublikowana 4 kwietnia w czasopiśmie Nature, przeanalizowała obecność mutacji de novo u 200 osób z rozpoznaniem autyzmu, których rodzice rodzeństwo nie było autystyczne. W rezultacie znaleziono dwoje dzieci z tą samą mutacją w tym samym genie, nie łącząc ich nic poza diagnozą.
„To tak, jakby podczas gry w rzutki trafiać w ten sam punkt dwukrotnie w ten sam punkt. Istnieje 99,9999 procent szans, że wykryta mutacja ma związek z autyzmem” – cytuje publikację profesor State.
Zespół kierowany przez Evana E. Eichlera, profesora genetyki z University of Washington, zbadał próbki krwi z 209 rodzin z dziećmi autystycznymi i znalazł tę samą mutację w tym samym genie u jednego dziecka. Ponadto zidentyfikowano dwoje dzieci autystycznych z różnych rodzin, które miały identyczne mutacje „de novo”, ale w różnych genach. Takich zbiegów okoliczności nie zaobserwowano u osób, które nie były autystyczne.
Trzecia grupa badaczy, kierowana przez profesora Marka J. Daly z Uniwersytetu Harvarda, znalazła kilka przypadków mutacji de novo w tych samych trzech genach u dzieci z autyzmem. Co najmniej jedna mutacja tego typu jest obecna w genotypie każdej osoby, ale, zdaniem Daly'ego, autyści mają ich średnio znacznie więcej.
Wszystkie trzy grupy badaczy potwierdziły również wcześniej obserwowany związek między wiekiem rodziców a autyzmem u dzieci. Im starsi rodzice, zwłaszcza ojciec, tym większe ryzyko mutacji de novo. Po przeanalizowaniu 51 mutacji zespół kierowany przez profesora Eichlera odkrył, że tego typu uszkodzenia występują cztery razy częściej w męskim DNA niż u kobiet. A tym bardziej, jeśli wiek mężczyzny przekracza 35 lat. Naukowcy sugerują zatem, że to uszkodzony materiał genetyczny ojcowski uzyskany przez potomstwo w momencie poczęcia jest źródłem tych mutacji, które prowadzą do rozwoju zaburzeń autystycznych.
Naukowcy są zgodni, że poszukiwanie sposobów zapobiegania takiemu rozwojowi zdarzeń będzie długie, badania nad genetyczną naturą autyzmu dopiero się rozpoczynają. W szczególności zespoły Eichlera i Daly'ego znalazły dowody na to, że geny z mutacjami „de novo” biorą udział w tych samych procesach biologicznych. „Ale to tylko wierzchołek góry lodowej", mówi profesor Eichler. „Najważniejsze jest to, że wszyscy zgodziliśmy się, od czego zacząć".
Schizofrenia jest jedną z najbardziej tajemniczych i złożonych chorób i to pod wieloma względami. Jest to trudne do zdiagnozowania - nadal nie ma zgody co do tego, czy ta choroba jest jedna, czy wiele podobnych do siebie. Trudno to wyleczyć - obecnie istnieją tylko leki, które tłumią tzw. pozytywne objawy (takie jak majaczenie), ale nie pomagają przywrócić osobie do pełnego życia. Schizofrenia jest trudna do zbadania – nie cierpi na nią żadne inne zwierzę poza ludźmi, więc prawie nie ma modeli do jej badania. Schizofrenia jest bardzo trudna do zrozumienia z genetycznego i ewolucyjnego punktu widzenia - jest pełna sprzeczności, których biolodzy nie potrafią jeszcze rozwiązać. Dobrą wiadomością jest jednak to, że w ostatnich latach sprawy w końcu zaczęły nabierać tempa. Mówiliśmy już o historii odkrycia schizofrenii i pierwszych wynikach jej badań metodami neurofizjologicznymi. Tym razem porozmawiamy o tym, jak naukowcy szukają genetycznych przyczyn choroby.
Znaczenie tej pracy nie polega nawet na tym, że prawie co setna osoba na świecie choruje na schizofrenię, a postęp w tej dziedzinie powinien przynajmniej radykalnie uprościć diagnozę, nawet jeśli nie da się od razu stworzyć dobrego leku. Znaczenie badań genetycznych polega na tym, że zmieniają one już nasze rozumienie podstawowych mechanizmów dziedziczenia cech złożonych. Jeśli naukowcom uda się zrozumieć, w jaki sposób tak złożona choroba, jak schizofrenia, może „ukryć się” w naszym DNA, będzie to oznaczać radykalny przełom w zrozumieniu organizacji genomu. A znaczenie takiej pracy wykracza daleko poza psychiatrię kliniczną.
Najpierw kilka surowych faktów. Schizofrenia jest ciężką, przewlekłą, upośledzającą chorobą psychiczną, która zwykle dotyka ludzi w młodym wieku. Dotyka około 50 milionów ludzi na całym świecie (nieco mniej niż 1% populacji). Chorobie towarzyszy apatia, brak woli, często halucynacje, majaczenie, dezorganizacja myślenia i mowy oraz zaburzenia motoryczne. Objawy zwykle powodują izolację społeczną i zmniejszoną wydajność. Zwiększone ryzyko samobójstwa u pacjentów ze schizofrenią, a także współistniejącymi chorobami somatycznymi, prowadzi do skrócenia ich ogólnej długości życia o 10-15 lat. Ponadto chorzy na schizofrenię mają mniej dzieci: mężczyźni mają średnio 75 proc., kobiety – 50 proc.
Ostatnie półwiecze to czas szybkiego postępu w wielu dziedzinach medycyny, ale ten postęp w niewielkim stopniu wpłynął na profilaktykę i leczenie schizofrenii. Wreszcie, wynika to z faktu, że nadal nie mamy jasnego wyobrażenia o tym, jakie procesy biologiczne są przyczyną rozwoju choroby. Ten brak zrozumienia oznacza, że od czasu wprowadzenia na rynek pierwszego leku przeciwpsychotycznego chlorpromazyny (nazwa handlowa: Aminazine) ponad 60 lat temu, nie nastąpiła jakościowa zmiana w leczeniu tej choroby. Wszystkie obecnie dopuszczone do leczenia schizofrenii leki przeciwpsychotyczne (zarówno typowe, w tym chlorpromazyna, jak i atypowe) mają ten sam główny mechanizm działania: zmniejszają aktywność receptorów dopaminowych, co eliminuje halucynacje i urojenia, ale niestety ma niewielki wpływ na negatywne objawy takie jak apatia, brak woli, zaburzenia myślenia itp. Nie wspominamy nawet o skutkach ubocznych. Częstym rozczarowaniem w badaniach nad schizofrenią jest to, że firmy farmaceutyczne od dawna ograniczają finansowanie leków przeciwpsychotycznych, mimo że całkowita liczba badań klinicznych stale rośnie. Jednak nadzieja na wyjaśnienie przyczyn schizofrenii nadeszła z dość nieoczekiwanego kierunku – wiąże się ona z bezprecedensowym postępem w genetyce molekularnej.
Wspólna odpowiedzialność
Już pierwsi badacze schizofrenii zauważyli, że ryzyko zachorowania jest ściśle związane z obecnością chorych krewnych. Próby ustalenia mechanizmu dziedziczenia schizofrenii podjęto niemal natychmiast po ponownym odkryciu praw Mendla, na samym początku XX wieku. Jednak w przeciwieństwie do wielu innych chorób schizofrenia nie chciała wpasować się w ramy prostych modeli mendlowskich. Pomimo wysokiej odziedziczalności nie można było powiązać go z jednym lub kilkoma genami, dlatego w połowie wieku coraz bardziej popularne stały się tak zwane „syntezy”. psychogenne teorie rozwoju choroby. W zgodzie z psychoanalizą, która była niezwykle popularna w połowie stulecia, teorie te wyjaśniały pozorną dziedziczność schizofrenii nie genetyką, ale cechami wychowania i niezdrową atmosferą w rodzinie. Istniało nawet coś takiego jak „rodzice schizofrenogenni”.
Jednak ta teoria, pomimo swojej popularności, nie przetrwała długo. Ostatni punkt na pytanie, czy schizofrenia jest chorobą dziedziczną, postawiły badania psychogenetyczne prowadzone już w latach 60-70. Były to przede wszystkim badania bliźniąt, a także badania dzieci adoptowanych. Istotą badań bliźniąt jest porównanie prawdopodobieństw wystąpienia jakiegoś znaku - w tym przypadku rozwoju choroby - u bliźniąt jednojajowych i braterskich. Ponieważ różnica w oddziaływaniu środowiska na bliźnięta nie zależy od tego, czy są tożsame czy braterskie, różnice w tych prawdopodobieństwach powinny wynikać głównie z tego, że bliźnięta jednojajowe są genetycznie identyczne, podczas gdy bliźnięta dwujajowe mają średnio tylko połowę wspólne warianty genów.
W przypadku schizofrenii okazało się, że zgodność bliźniąt jednojajowych jest ponad 3 razy wyższa niż zgodność bliźniąt dwujajowych: dla pierwszego wynosi około 50 proc., a dla drugiego mniej niż 15 proc. Te słowa należy rozumieć w następujący sposób: jeśli masz identycznego brata bliźniaka cierpiącego na schizofrenię, to sam zachorujesz z prawdopodobieństwem 50 procent. Jeśli ty i twój brat jesteście bliźniakami dwujajowymi, ryzyko zachorowania nie przekracza 15 procent. Obliczenia teoretyczne, uwzględniające dodatkowo występowanie schizofrenii w populacji, szacują wkład dziedziczności w rozwój choroby na poziomie 70-80 proc. Dla porównania wzrost i wskaźnik masy ciała są dziedziczone w podobny sposób – cechy, które zawsze uważano za blisko spokrewnione z genetyką. Nawiasem mówiąc, jak się później okazało, tą samą wysoką odziedziczalnością charakteryzują się trzy z czterech innych głównych chorób psychicznych: zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi, choroba afektywna dwubiegunowa i autyzm.
Wyniki badań bliźniąt zostały w pełni potwierdzone w badaniu dzieci, które urodziły się pacjentom ze schizofrenią i zostały adoptowane we wczesnym dzieciństwie przez zdrowych rodziców adopcyjnych. Okazało się, że ich ryzyko zachorowania na schizofrenię nie jest zmniejszone w porównaniu do dzieci wychowywanych przez ich rodziców schizofreników, co wyraźnie wskazuje na kluczową rolę genów w etiologii.
I tu dochodzimy do jednej z najbardziej tajemniczych cech schizofrenii. Faktem jest, że skoro jest tak silnie dziedziczony, a jednocześnie bardzo negatywnie wpływa na sprawność nosiciela (przypomnijmy, że chorzy na schizofrenię zostawiają co najmniej o połowę mniej potomstwa niż osoby zdrowe), to jak udaje mu się to pozostać w populacji przez co najmniej ? Ta sprzeczność, wokół której toczy się pod wieloma względami główna walka między różnymi teoriami, została nazwana „paradoksem ewolucyjnym schizofrenii”.
Do niedawna naukowcom było zupełnie niejasne, jakie specyficzne cechy genomu pacjentów ze schizofrenią determinują rozwój choroby. Od dziesięcioleci toczy się gorąca debata nie o tym, które geny ulegają zmianie u pacjentów ze schizofrenią, ale o tym, jaka jest ogólna genetyczna „architektura” choroby.
Oznacza to, co następuje. Genomy poszczególnych ludzi są do siebie bardzo podobne, a różnice wynoszą średnio mniej niż 0,1 procent nukleotydów. Niektóre z tych wyróżniających cech genomu są dość rozpowszechnione w populacji. Powszechnie uważa się, że jeśli występują u więcej niż jednego procenta ludzi, można je nazwać pospolitymi wariantami lub polimorfizmami. Uważa się, że te powszechne warianty pojawiły się w ludzkim genomie ponad 100 000 lat temu, przed pierwszą migracją przodków współczesnego człowieka z Afryki, dlatego są powszechnie spotykane w większości ludzkich subpopulacji. Oczywiście, aby istnieć w znacznej części populacji przez tysiące pokoleń, większość polimorfizmów nie powinna być zbyt szkodliwa dla ich nosicieli.
Jednak w genomie każdego z ludzi są inne cechy genetyczne - młodsze i rzadsze. Większość z nich nie zapewnia przewoźnikom żadnej przewagi, więc ich częstotliwość w populacji, nawet jeśli są stałe, pozostaje nieznaczna. Wiele z tych cech (lub mutacji) ma mniej lub bardziej wyraźny negatywny wpływ na przystosowanie, więc są one stopniowo usuwane przez selekcję negatywną. Zamiast tego w wyniku ciągłego procesu mutacji pojawiają się inne nowe szkodliwe warianty. Podsumowując, częstość żadnej z nowych mutacji prawie nigdy nie przekracza 0,1 proc., a takie warianty nazywane są rzadkimi.
Tak więc architektura choroby oznacza dokładnie, które warianty genetyczne – pospolite czy rzadkie, mające silne działanie fenotypowe lub tylko nieznacznie zwiększające ryzyko zachorowania – determinują jej wystąpienie. To wokół tego zagadnienia do niedawna toczyła się główna debata na temat genetyki schizofrenii.
Jedynym faktem bezspornie ustalonym metodami genetyki molekularnej w odniesieniu do genetyki schizofrenii w ostatniej tercji XX wieku jest jej niesamowita złożoność. Dziś wiadomo, że predyspozycje do choroby determinują zmiany w dziesiątkach genów. Jednocześnie wszystkie zaproponowane w tym czasie „architektury genetyczne” schizofrenii można połączyć w dwie grupy: model „powszechna choroba – powszechne warianty” (CV) i model „powszechna choroba – rzadkie warianty” (choroba pospolita – rzadkie warianty”, RV). Każdy z modeli podał własne wyjaśnienie „paradoksu ewolucyjnego schizofrenii”.
RV vs. CV
Zgodnie z modelem CV, podłoże genetyczne schizofrenii to zespół cech genetycznych, poligen, pokrewny temu, co warunkuje dziedziczenie cech ilościowych, takich jak wzrost czy masa ciała. Taki poligen to zbiór polimorfizmów, z których każdy tylko nieznacznie wpływa na fizjologię (nazywa się je „przyczynowymi”, ponieważ choć nie same, prowadzą do rozwoju choroby). Aby utrzymać dość wysoki współczynnik zapadalności charakterystyczny dla schizofrenii, konieczne jest, aby ten poligen składał się ze wspólnych wariantów – wszak bardzo trudno zebrać wiele rzadkich wariantów w jednym genomie. W związku z tym każda osoba ma w swoim genomie dziesiątki takich ryzykownych wariantów. Podsumowując, wszystkie warianty przyczynowe określają predyspozycje genetyczne (odpowiedzialność) każdego osobnika do choroby. Przyjmuje się, że dla jakościowych cech złożonych, takich jak schizofrenia, istnieje pewna wartość progowa predyspozycji i choroba rozwija się tylko u osób, których predyspozycje przekraczają tę wartość progową.
Model progowy podatności na choroby. Pokazano rozkład normalny predyspozycji wykreślony na osi poziomej. Choroba rozwija się u osób, których predyspozycje przekraczają wartość progową.
Po raz pierwszy taki poligeniczny model schizofrenii zaproponował w 1967 r. jeden z twórców nowoczesnej genetyki psychiatrycznej, Irving Gottesman, który również wniósł istotny wkład w udowodnienie dziedzicznego charakteru choroby. Z punktu widzenia zwolenników modelu CV utrzymywanie się wysokiej częstości przyczynowych wariantów schizofrenii w populacji na przestrzeni wielu pokoleń może mieć kilka wyjaśnień. Po pierwsze, każdy osobnik taki wariant ma raczej niewielki wpływ na fenotyp, takie „quasi-neutralne” warianty mogą być niewidoczne w selekcji i pozostawać powszechne w populacjach. Dotyczy to zwłaszcza populacji o małej wielkości efektywnej, gdzie wpływ przypadku jest nie mniej istotny niż presja selekcyjna – dotyczy to populacji naszego gatunku.
Z drugiej strony poczyniono przypuszczenia o występowaniu w przypadku schizofrenii tzw. równoważenie selekcji, czyli pozytywny wpływ „polimorfizmów schizofrenicznych” na zdrowych nosicieli. Nie jest to takie trudne do wyobrażenia. Wiadomo na przykład, że osoby schizoidalne o wysokiej predyspozycji genetycznej do schizofrenii (których jest wiele wśród bliskich krewnych pacjentów) charakteryzują się podwyższonym poziomem zdolności twórczych, co może nieznacznie zwiększyć ich adaptację (jest to już pokazane w kilku pracach). Genetyka populacyjna dopuszcza sytuację, w której pozytywny wpływ wariantów przyczynowych u zdrowych nosicieli może przeważyć nad negatywnymi konsekwencjami dla tych osób, które mają zbyt wiele tych „dobrych mutacji”, które doprowadziły do rozwoju choroby.
Drugim podstawowym modelem architektury genetycznej schizofrenii jest model RV. Sugeruje, że schizofrenia jest pojęciem zbiorowym i że każdy indywidualny przypadek lub rodzinna historia choroby jest osobną chorobą quasi-Mendlowską związaną w każdym indywidualnym przypadku z unikalnymi zmianami w genomie. W tym modelu przyczynowe warianty genetyczne znajdują się pod bardzo silną presją selekcyjną i są szybko usuwane z populacji. Ale ponieważ w każdym pokoleniu pojawia się niewielka liczba nowych mutacji, ustala się pewna równowaga między selekcją a pojawieniem się wariantów przyczynowych.
Z jednej strony model RV może wyjaśniać, dlaczego schizofrenia jest bardzo dobrze dziedziczona, ale jej uniwersalnych genów jeszcze nie znaleziono: w końcu każda rodzina dziedziczy własne mutacje przyczynowe, a uniwersalnych po prostu nie ma. Z drugiej strony, jeśli kierujemy się tym modelem, to musimy przyznać, że mutacje w setkach różnych genów mogą prowadzić do tego samego fenotypu. W końcu schizofrenia jest chorobą powszechną, a występowanie nowych mutacji jest rzadkie. Na przykład dane dotyczące sekwencjonowania trojaczków ojciec-matka-dziecko pokazują, że w każdym pokoleniu na 6 miliardów nukleotydów genomu diploidalnego występuje tylko 70 nowych substytucji pojedynczych nukleotydów, z których teoretycznie tylko kilka może mieć jakikolwiek wpływ. na fenotyp i mutacje innych typów - co jest jeszcze rzadsze.
Jednak niektóre dowody empiryczne pośrednio wspierają ten model architektury genetycznej schizofrenii. Na przykład na początku lat 90. odkryto, że około jeden procent wszystkich pacjentów ze schizofrenią ma mikrodelecję w jednym z regionów 22. chromosomu. W zdecydowanej większości przypadków mutacja ta nie jest dziedziczona po rodzicach, ale występuje de novo podczas gametogenezy. Jedna na 2000 osób rodzi się z tą mikrodelecją, która prowadzi do różnych nieprawidłowości w ciele, zwanych „zespołem DiGeorge”. Osoby cierpiące na ten zespół charakteryzują się znacznym upośledzeniem funkcji poznawczych i odporności, często towarzyszą im hipokalcemia, a także problemy z sercem i nerkami. Jedna czwarta osób z zespołem DiGeorge'a rozwija schizofrenię. Kusząca byłaby sugestia, że inne przypadki schizofrenii są spowodowane podobnymi zaburzeniami genetycznymi o katastrofalnych konsekwencjach.
Kolejna obserwacja empiryczna pośrednio wspierająca rolę de novo Mutacje w etiologii schizofrenii to związek ryzyka zachorowania z wiekiem ojca. Tak więc, według niektórych danych, wśród tych, których ojcowie mieli ponad 50 lat w chwili urodzenia, jest 3 razy więcej pacjentów ze schizofrenią niż wśród tych, których ojcowie mieli mniej niż 30 lat. de novo mutacje. Takie połączenie, na przykład, zostało ustalone od dawna w sporadycznych przypadkach innej (monogenicznej) choroby dziedzicznej - achondroplazji. Ta korelacja została ostatnio potwierdzona przez wspomniane wyżej dane z sekwencjonowania trójek: de novo mutacje są związane z wiekiem ojca, ale nie z wiekiem matki. Według wyliczeń naukowców dziecko otrzymuje średnio 15 mutacji od matki, niezależnie od jej wieku, a od ojca - 25, jeśli ma 20 lat, 55, jeśli ma 35 i więcej niż 85, jeśli ma ma ponad 50 lat. To znaczy liczba de novo Liczba mutacji w genomie dziecka wzrasta o dwie z każdym rokiem życia ojca.
Łącznie dane te wydawały się dość wyraźnie wskazywać na kluczową rolę de novo mutacje w etiologii schizofrenii. Sytuacja okazała się jednak znacznie bardziej skomplikowana. Nawet po rozdzieleniu dwóch głównych teorii genetyka schizofrenii przez dziesięciolecia pozostawała w stagnacji. Na korzyść jednego z nich nie uzyskano prawie żadnych wiarygodnych, powtarzalnych dowodów. Ani o ogólnej architekturze genetycznej choroby, ani o konkretnych wariantach, które wpływają na ryzyko rozwoju choroby. Gwałtowny skok nastąpił w ciągu ostatnich 7 lat i wiąże się on przede wszystkim z przełomami technologicznymi.
Poszukiwanie genów
Sekwencjonowanie pierwszego genomu ludzkiego, późniejsza poprawa technologii sekwencjonowania, a następnie pojawienie się i powszechne wprowadzenie sekwencjonowania wysokoprzepustowego pozwoliły w końcu uzyskać mniej lub bardziej pełne zrozumienie struktury zmienności genetycznej w populacji ludzkiej. Te nowe informacje natychmiast zaczęto wykorzystywać do pełnowymiarowych poszukiwań genetycznych uwarunkowań predyspozycji do niektórych chorób, w tym schizofrenii.
Podobne badania mają taką strukturę. Najpierw zbierana jest próba niespokrewnionych osób chorych (przypadki) i próba niespokrewnionych zdrowych osób (grupa kontrolna) o w przybliżeniu tej samej wielkości. Wszystkich tych ludzi determinuje obecność pewnych wariantów genetycznych – właśnie w ciągu ostatnich 10 lat naukowcy mają możliwość ich określenia na poziomie całych genomów. Następnie porównuje się częstość występowania każdego ze zidentyfikowanych wariantów między grupami chorych i grupą kontrolną. Jeśli jednocześnie można znaleźć statystycznie istotne wzbogacenie takiego lub innego wariantu w nośnikach, nazywa się to asocjacją. Tak więc wśród ogromnej liczby istniejących wariantów genetycznych są te, które są związane z rozwojem choroby.
Ważną miarą charakteryzującą działanie wariantu związanego z chorobą jest OD (iloraz szans), który definiuje się jako stosunek szans zachorowania u nosicieli tego wariantu w stosunku do osób, które go nie mają. Jeśli wartość OD wariantu wynosi 10, oznacza to, co następuje. Jeśli weźmiemy losową grupę nosicieli wariantu i równą grupę osób, które nie mają tego wariantu, okazuje się, że w pierwszej grupie będzie 10 razy więcej pacjentów niż w drugiej. Jednocześnie im bliższe OD dla danego wariantu, tym większa próbka jest potrzebna, aby wiarygodnie potwierdzić, że związek naprawdę istnieje – że ten wariant genetyczny rzeczywiście wpływa na rozwój choroby.
Takie prace umożliwiły obecnie wykrycie kilkunastu submikroskopowych delecji i duplikacji związanych ze schizofrenią w całym genomie (nazywa się je CNV - zmienność liczby kopii, jeden z CNV powoduje po prostu znany nam już zespół DiGeorge'a). W przypadku CNV, co do których stwierdzono, że powodują schizofrenię, OD waha się od 4 do 60. Są to wysokie wartości, ale ze względu na ich wyjątkową rzadkość, nawet w sumie, wszystkie wyjaśniają tylko bardzo małą część odziedziczalności schizofrenii w populacja. Co odpowiada za rozwój choroby u wszystkich innych?
Po stosunkowo nieudanych próbach znalezienia CNV, które powodowałyby rozwój choroby nie w kilku rzadkich przypadkach, ale w znacznej części populacji, zwolennicy modelu „mutacji” mieli duże nadzieje na inny rodzaj eksperymentu. Porównują one u pacjentów ze schizofrenią i zdrowych osobników nie obecność masywnych rearanżacji genetycznych, ale kompletne sekwencje genomów lub egzomów (całość wszystkich sekwencji kodujących białka). Takie dane, uzyskane za pomocą wysokoprzepustowego sekwencjonowania, umożliwiają znalezienie rzadkich i unikalnych cech genetycznych, których nie można wykryć innymi metodami.
Potanienie sekwencjonowania umożliwiło w ostatnich latach prowadzenie tego typu eksperymentów na dość dużych próbach, obejmujących kilka tysięcy pacjentów i taką samą liczbę zdrowych osób kontrolnych w ostatnich badaniach. Jaki jest wynik? Niestety, do tej pory znaleziono tylko jeden gen, w którym rzadkie mutacje są niezawodnie związane ze schizofrenią - jest to gen SETD1A, kodujący jedno z ważnych białek biorących udział w regulacji transkrypcji. Podobnie jak w przypadku CNV, problem jest ten sam: mutacje w genie SETD1A nie potrafi wyjaśnić żadnej znaczącej części odziedziczalności schizofrenii, ponieważ są one po prostu bardzo rzadkie.
Związek między występowaniem powiązanych wariantów genetycznych (oś pozioma) a ich wpływem na ryzyko zachorowania na schizofrenię (OR). Na głównym wykresie czerwone trójkąty pokazują niektóre zidentyfikowane do tej pory CNV związane z chorobą, niebieskie kółka pokazują SNP z GWAS. Nacięcie pokazuje obszary rzadkich i częstych wariantów genetycznych w tych samych współrzędnych.
Istnieją przesłanki, że istnieją inne rzadkie i unikatowe warianty, które wpływają na podatność na schizofrenię. A dalszy wzrost liczby próbek w eksperymentach z wykorzystaniem sekwencjonowania powinien pomóc w odnalezieniu niektórych z nich. Jednakże, chociaż badanie rzadkich wariantów nadal może dostarczyć cennych informacji (zwłaszcza te informacje będą ważne dla tworzenia modeli komórkowych i zwierzęcych schizofrenii), większość naukowców zgadza się obecnie, że rzadkie warianty odgrywają jedynie niewielką rolę w dziedziczności. Model CV znacznie lepiej opisuje architekturę genetyczną choroby. Zaufanie do poprawności modelu CV pojawiło się przede wszystkim wraz z rozwojem badań typu GWAS, które szczegółowo omówimy w drugiej części. Krótko mówiąc, badania tego typu ujawniły bardzo powszechną zmienność genetyczną opisującą dużą część odziedziczalności schizofrenii, której istnienie przewidywał model CV.
Dodatkowym wsparciem modelu CV dla schizofrenii jest związek między poziomem predyspozycji genetycznych do schizofrenii a tzw. zaburzeniami ze spektrum schizofrenii. Już wcześni badacze schizofrenii zauważyli, że wśród krewnych chorych na schizofrenię często znajdują się nie tylko inni chorzy na schizofrenię, ale także „ekscentryczne” osobowości o osobliwościach charakteru i objawach podobnych do schizofrenii, ale mniej wyraźnych. Później takie obserwacje doprowadziły do koncepcji, że istnieje cały zestaw chorób, które charakteryzują się mniej lub bardziej wyraźnymi zaburzeniami w postrzeganiu rzeczywistości. Ta grupa chorób nazywana jest zaburzeniem ze spektrum schizofrenii. Oprócz różnych postaci schizofrenii obejmują one zaburzenia urojeniowe, schizotypowe, paranoidalne i schizoidalne zaburzenia osobowości, zaburzenia schizoafektywne i niektóre inne patologie. Gottesman, proponując swój poligeniczny model schizofrenii, sugerował, że osoby z podprogowymi wartościami predyspozycji do choroby mogą rozwijać inne patologie ze spektrum schizofrenicznego, a nasilenie choroby koreluje z poziomem predyspozycji.
Jeśli ta hipoteza jest słuszna, logiczne byłoby założenie, że stwierdzone warianty genetyczne związane ze schizofrenią byłyby wzbogacane również wśród osób z zaburzeniami ze spektrum schizofrenii. Aby ocenić predyspozycje genetyczne każdego osobnika, stosuje się specjalną wartość, zwaną poziomem ryzyka poligenicznego (wynik ryzyka poligenicznego). Poziom ryzyka poligenicznego uwzględnia łączny udział wszystkich typowych wariantów ryzyka zidentyfikowanych w GWAS, obecnych w genomie danej osoby, w predyspozycjach do zachorowania. Okazało się, że zgodnie z przewidywaniami modelu CV wartości poziomu ryzyka poligenicznego korelują nie tylko z samą schizofrenią (która jest trywialna), ale także z innymi chorobami ze spektrum schizofrenii, a wyższe poziomy ryzyka poligenicznego korespondują do ciężkich rodzajów zaburzeń.
A jednak pozostaje jeden problem – fenomen „starych ojców”. Jeśli wiele dowodów empirycznych potwierdza poligeniczny model schizofrenii, jak pogodzić z nim od dawna ustalony związek między wiekiem w ojcostwie a ryzykiem zachorowania na schizofrenię u dzieci?
Eleganckie wyjaśnienie tego zjawiska zostało kiedyś przedstawione w postaci modelu CV. Sugeruje się, że późne ojcostwo i schizofrenia nie są odpowiednio przyczyną i skutkiem, ale są dwiema konsekwencjami wspólnej przyczyny, a mianowicie genetycznej predyspozycji późnych ojców do schizofrenii. Z jednej strony wysoki poziom podatności na schizofrenię może korelować u zdrowych mężczyzn z późniejszym ojcostwem. Z drugiej strony jasne jest, że wysokie predyspozycje ojca przesądzają o zwiększonym prawdopodobieństwie zachorowania na schizofrenię u jego dzieci. Okazuje się, że możemy mieć do czynienia z dwiema niezależnymi korelacjami, co oznacza, że kumulacja mutacji w prekursorach męskich plemników może nie mieć prawie żadnego wpływu na rozwój schizofrenii u ich potomstwa. Najnowsze wyniki modelowania z uwzględnieniem danych epidemiologicznych, a także świeżych danych molekularnych dotyczących częstotliwości de novo mutacje dobrze zgadzają się z tym wyjaśnieniem zjawiska „starych ojców”.
W tej chwili możemy więc założyć, że prawie nie ma przekonujących argumentów na rzecz „mutacyjnego” modelu RV schizofrenii. Kluczem do etiologii choroby jest więc to, który zestaw wspólnych polimorfizmów powoduje schizofrenię zgodnie z modelem CV. To, jak genetycy szukają tego zestawu i co już odkryli, będzie tematem drugiej części naszej opowieści.
Arkady GołowZespół występuje z powodu braku części materiału genetycznego zlokalizowanego na krótkim ramieniu chromosomu 11. Usunięcie fragmentu materiału genetycznego nazywa się delecją. Delecja prowadzi do porażki tych funkcji, które powinny być wykonywane przez utracone geny.
Wszystkie geny, z wyjątkiem niektórych, które znajdują się na chromosomach płci, są reprezentowane w dwóch egzemplarzach. Każda osoba otrzymuje jedną porcję genów od matki, drugą identyczną od ojca. Ci z kolei otrzymali swoje pary genów od rodziców. Materiał genetyczny przekazywany jest od rodziców przez komórki zarodkowe. Komórki płciowe (jajko lub plemnik) są jedynymi komórkami w ciele, które posiadają tylko jedną kopię materiału genetycznego. Zanim materiał genetyczny wejdzie do komórki zarodkowej, geny są przetasowane między dwiema kopiami genów, a u każdego rodzica materiał genetyczny jest umieszczany w komórce zarodkowej, która jest mieszanką materiału, który z kolei otrzymał od jego rodzice. Ich nowe życie zostanie również przetasowane, zanim zostaną umieszczone w klatce seksualnej, aby stworzyć następne pokolenie. Ten proces nazywa się przejściem. Występuje między homologicznymi regionami chromosomów, w procesie tworzenia komórek zarodkowych. W procesie krzyżowania geny mogą tworzyć nowe kombinacje. Takie mieszanie zapewnia różnorodność nowych pokoleń. Po co to jest? Jest to konieczne, aby zapewnić zmienność pokoleniową, w przeciwnym razie przekażemy naszym dzieciom dokładne kopie chromosomów otrzymane od jednego z naszych rodziców, zmienność pokoleniowa byłaby niezwykle ograniczona, co bardzo utrudniłoby ewolucję biologiczną na Ziemi, a tym samym zmniejszyłoby szanse na przeżycie. W momencie, gdy takie procesy zachodzą, fragment chromosomu może odpaść i powstanie „delecja”. Delecja to rodzaj mutacji. Jeśli powstała po raz pierwszy, to taka mutacja nazywana jest mutacją de novo (pierwsza, początkowa). Oprócz mutacji, które po raz pierwszy pojawiły się w ciele, istnieją mutacje dziedziczone. Mutacja de novo może zostać przekazana następnemu pokoleniu, wówczas nie będzie już nazywana mutacją de novo.
W przypadku zespołu WAGR część kodu genetycznego zostaje usunięta i nie ma wystarczającej ilości materiału genetycznego.
W naturze występują stany odwrotne, kiedy choroba objawia się dodatkową kopią materiału genetycznego.
Manifestacja zespołu WAGR zależy od tego, które geny są wyłączone w wyniku delecji. Sąsiednie geny zawsze wypadają. W WAGR gen PAX6 i gen WT1 są zawsze tracone, co prowadzi do typowej prezentacji choroby. Mutacje punktowe w genie PAX6 prowadzą do aniridii, a mutacje w WT1 do guza Wilmsa. W przypadku WAGR nie ma mutacji tych genów – same geny są nieobecne.
Osoby z zespołem WAGRO (dodana litera O - otyłość) mają uszkodzenie genu BDNF. Gen ten ulega ekspresji w mózgu i jest ważny w życiu neuronów. Białko, które powstaje pod wpływem tego genu, najprawdopodobniej bierze udział w regulacji sytości, pragnienia i masy ciała. Utrata BDNF jest najprawdopodobniej związana z otyłością dziecięcą u dzieci z zespołem WAGRO. Pacjenci z WAGRO są bardziej narażeni na problemy neurologiczne, takie jak upośledzenie umysłowe, autyzm. Nie do końca wiadomo, czy ryzyko to jest związane z utratą genu BDNF.
Wiemy coś o genach, które są wyłączone w zespole WAGR:
WT1
WT1 to gen (gen guza Wilmsa), który wydziela białko niezbędne do prawidłowego rozwoju nerek i gonad (jajników u kobiet i jąder u mężczyzn). W tych tkankach białko odgrywa rolę w różnicowaniu komórek i apoptozie. Aby spełnić wszystkie te funkcje, WT1 reguluje aktywność innych genów poprzez wiązanie regionów DNA.
Gen WT1 jest niezbędny do stłumienia guza Wilmsa. Istnieje wariant nazwy genu supresorowego guza guza Wilma1 (gen hamujący rozwój guza Wilmsa). Jego mutacja lub brak prowadzi do zwiększonego ryzyka rozwoju guza. ten gen jest zaangażowany w zespół WAGR, dlatego konieczne jest stałe monitorowanie stanu nerek.
PAX6
PAX6 należy do rodziny genów, które odgrywają kluczową rolę w rozwoju narządów i tkanek podczas rozwoju embrionalnego. Członkowie rodziny PAX są ważni dla prawidłowego funkcjonowania różnych komórek organizmu po urodzeniu. Geny z rodziny PAX biorą udział w syntezie białek, które wiążą określone regiony DNA, a tym samym kontrolują aktywność innych genów. Ze względu na tę właściwość białka PAX nazywane są czynnikami transkrypcyjnymi.
Podczas rozwoju embrionalnego białko PAX 6 aktywuje geny zaangażowane w rozwój oczu, mózgu, rdzenia kręgowego i trzustki. PAX 6 bierze udział w rozwoju komórek nerwowych dróg węchowych, które odpowiadają za zmysł węchu. Obecnie rola PAX 6 podczas rozwoju płodowego najprawdopodobniej nie jest w pełni zrozumiała i z biegiem czasu zdobywamy nowe fakty. Po narodzinach PAX6 białko to reguluje wiele genów w oku.
Brak funkcji genu PAX 6 prowadzi do problemów ze wzrokiem po urodzeniu.
BDNF
Gen BDNF koduje białko znajdujące się w mózgu i rdzeniu kręgowym. Gen ten odgrywa rolę we wzroście i dojrzewaniu komórek nerwowych. Białko BDNF jest aktywne w synapsach w mózgu. Synapsy mogą się zmieniać i dostosowywać w odpowiedzi na doświadczenie. Białko BDNF pomaga regulować zmienność synaptyczną, która jest niezbędna do uczenia się i pamięci.
BDNF to białko występujące w obszarach mózgu odpowiedzialnych za uczucie sytości, pragnienia i masy ciała. Najprawdopodobniej to białko przyczynia się do tych procesów.
Ekspresja tego genu jest zmniejszona w chorobach Alzheimera, Parkinsona i Huntingtona, gen ten może odgrywać rolę w odpowiedziach na stres i zaburzeniach nastroju. Gen BDNF przyciągnął uwagę wielu badaczy. Istnieją prace, które badają aktywność białka BDNF w mózgu w zależności od ćwiczeń, diety, stresu psychicznego i innych warunków. Aktywność tego białka związana jest z aktywnością umysłową i stanami psychicznymi, a podejmowane są próby wpływania na jego poziom.
Byłbym wdzięczny za wskazanie mi nowych informacji w tej sprawie. Napisz wszystko w komentarzach.
Notatka:
Słowa białko i białko to synonimy.
Wykrywanie mutacji denovo w genie dystrofiny i jej znaczenie dla medycznego poradnictwa genetycznego w dystrofii mięśniowej Duchenne'a
(obserwacja kliniczna)
Muravleva E.A., Starodubova A.V., Pyshkina N.P., Duisenova O.S.
Opiekun naukowy: dms. dr hab. Kołokołow O.V.
Państwowa Budżetowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego Państwowy Uniwersytet Medyczny w Saratowie im. W I. Razumowski Ministerstwo Zdrowia Federacji Rosyjskiej
Klinika Neurologii ZKP i PPS im. K.N. Tretiakowa
Wstęp. Dystrofia mięśniowa Duchenne'a (DMD) jest jedną z najczęstszych dziedzicznych chorób nerwowo-mięśniowych. Jego rozpowszechnienie wynosi 2-5: 100 000 populacji, częstość populacji wynosi 1: 3500 nowonarodzonych chłopców. Ta forma dystrofii mięśniowej została po raz pierwszy opisana przez Edwarda Meryona (1852) i Guillaume Duchenne (1861).
Choroba charakteryzuje się recesywnym dziedziczeniem sprzężonym z chromosomem X i ciężkim, postępującym przebiegiem. DMD jest spowodowane mutacją w genie dystrofiny, którego locus znajduje się na Xp21.2. Około 30% przypadków jest spowodowanych mutacjami de novo, 70% - nosicielem mutacji przez matkę probanta. Dystrofina jest odpowiedzialna za połączenie cytoszkieletu każdego włókna mięśniowego z główną blaszką podstawną (macierzą pozakomórkową) poprzez kompleks białkowy składający się z wielu podjednostek. Brak dystrofiny prowadzi do przenikania nadmiaru wapnia do sarkolemy (błony komórkowej). Włókna mięśniowe ulegają martwicy, tkanka mięśniowa zostaje zastąpiona tkanką tłuszczową, a także tkanką łączną.
Współczesna diagnoza DMD opiera się na ocenie zgodności objawów choroby z kryteriami klinicznymi i anamnestycznymi oraz laboratoryjno-instrumentalnymi (surowicza kinaza kreatynowa (CS), elektroneuromiografia (ENMG), badanie histochemiczne biopsji mięśnia), analiza genealogiczna i dane z molekularnych badań genetycznych.
Prowadzenie medycznego poradnictwa genetycznego w wielu rodzinach może zapobiec narodzinom chorego dziecka. Diagnostyka prenatalnego DNA we wczesnej ciąży w rodzinach, w których dziecko cierpi na DMD, pozwoli rodzicom wybrać dalszą taktykę i, być może, przedwcześnie przerwać ciążę, jeśli płód jest chory.
W niektórych przypadkach obraz kliniczny obserwuje się u kobiet - heterozygotycznych nosicieli zmutowanego genu w postaci wzrostu mięśni łydek, umiarkowanego osłabienia mięśni, zmniejszenia odruchów ścięgnistych i okostnowych, według badań paraklinicznych, poziom CCS wzrasta. Ponadto klasyczne objawy kliniczne DMD mogą wystąpić u kobiet z zespołem Shereshevsky'ego-Turnera (genotyp 45, CW).
Przykład kliniczny. W naszej klinice obserwuje się 7-letniego chłopca K., który skarży się na osłabienie mięśni rąk i nóg, zmęczenie podczas długiego chodzenia. Matka dziecka zauważa, że ma okresowe upadki, trudności w wchodzeniu po schodach, zaburzenia chodu (jak „kaczka”), trudności w wstawaniu z pozycji siedzącej, zwiększenie objętości mięśni łydek.
Wczesny rozwój dziecka przebiegał bez zakłóceń. W wieku 3 lat okoliczni ludzie zauważyli naruszenia funkcji ruchowych w postaci trudności podczas wchodzenia po schodach, podczas wstawania dziecko nie brało udziału w grach na świeżym powietrzu i zaczęło się szybko męczyć. Potem zmienił się chód typu kaczego. Narastały trudności podczas wstawania z pozycji siedzącej lub leżącej: wstawanie krok po kroku „drabiną” z aktywnym użyciem rąk. Stopniowo zauważalny był wzrost objętości łydki i niektórych innych mięśni.
W badaniu neurologicznym wiodącym objawem klinicznym jest symetryczny tetrapareza proksymalnego obwodowego, bardziej nasilona w nogach (siła mięśni proksymalnych części kończyn górnych - 3-4 pkt, dystalnych - 4 pkt, proksymalnych części kończyn górnych). kończyny dolne - 2-3 punkty, w częściach dystalnych - 4 punkty). Chód zmienia się zgodnie z typem „kaczki”. Stosuje techniki pomocnicze („miopatyczne”), na przykład stanie z „drabiną”. Ton mięśni jest zmniejszony, nie ma przykurczów. Hipotrofia mięśni miednicy i obręczy barkowej. Cechy „miopatyczne”, na przykład w postaci szerokiej przestrzeni międzyłopatkowej. Występuje pseudoprzerost mięśni łydek. Odruchy ścięgniste i okostnowe - bez znaczącej różnicy po bokach; dwugłowy - niski, trójgłowy i nadgarstka - średnio ruchliwy, kolanowy i achillesowy - niski. Na podstawie wyników klinicznych podejrzewano DMD.
W badaniu KKS jego poziom wyniósł 5379 jednostek/l, czyli 31 razy więcej niż norma (norma do 171 jednostek/l). Według ENMG zarejestrowano oznaki bardziej charakterystyczne dla średnio zachodzącego pierwotnego procesu mięśniowego. Uzyskane dane potwierdziły zatem obecność DMD u pacjentki.
Oprócz probanda zbadano jego rodziców i starszą siostrę. Żaden z krewnych probanta nie miał klinicznych objawów DMD. Jednak matka zauważyła nieznaczny wzrost objętości mięśni łydek. Według analizy genealogicznej probant jest jedyną chorą osobą w rodzinie. Jednocześnie nie można wykluczyć, że matka dziecka i siostra probanta są heterozygotycznymi nosicielkami zmutowanego genu (ryc. 1).
Ryż. 1 Rodowód
W ramach poradnictwa genetyczno-medycznego rodzina K. została przebadana pod kątem obecności/braku delecji i duplikacji w genie dystrofiny. Molekularna analiza genetyczna w laboratorium diagnostyki DNA Moskiewskiego Państwowego Centrum Naukowego Rosyjskiej Akademii Nauk Medycznych ujawniła delecję eksonu 45 u probanda K., co ostatecznie potwierdza ustaloną diagnozę kliniczną DMD. U matki nie stwierdzono usunięcia eksonu 45 znalezionego u syna. U siostry w wyniku analizy nie stwierdzono usunięcia eksonu 45, który wykryto u brata. Dlatego u osobnika mutacja najprawdopodobniej ma pochodzenie de novo, ale może być również wynikiem mozaikowatości germinalnej u matki. W związku z tym w przypadku mutacji de novo ryzyko urodzenia chorego dziecka u matki będzie determinowane przez częstość populacji tej mutacji (1:3500, ‹‹1%), która jest znacznie mniejsza niż w przypadku recesywnego sprzężenia z chromosomem X. rodzaj dziedziczenia (50% chłopców). Ponieważ nie można całkowicie wykluczyć, że mutacja może być wynikiem mozaikowatości germinalnej, w której dochodzi do naruszenia dziedziczenia zgodnie z prawami Mendla, zaleca się diagnostykę prenatalną podczas kolejnej ciąży u matki i siostry probanta.
Wniosek. Obecnie lekarz dysponuje szerokim arsenałem leków objawowych stosowanych w leczeniu DMD, jednak pomimo osiągnięć nauki nie opracowano jeszcze leczenia etiologicznego DMD i nie ma skutecznych leków do leczenia substytucyjnego w DMD. Według ostatnich badań nad komórkami macierzystymi istnieją obiecujące wektory, które mogą zastąpić uszkodzoną tkankę mięśniową. Jednak obecnie możliwe jest tylko leczenie objawowe, mające na celu poprawę jakości życia pacjenta. W związku z tym wczesna diagnoza DMD odgrywa ważną rolę dla terminowego przeprowadzenia medycznej porady genetycznej i wyboru dalszych taktyk planowania rodziny. W celu prenatalnej diagnostyki DNA biopsję kosmówki (CVS) można wykonać w 11-14 tygodniu ciąży, amniopunkcję można wykonać po 15 tygodniach, a pobranie krwi płodu możliwe jest po około 18 tygodniach. Jeśli badanie jest przeprowadzane we wczesnej ciąży, możliwe jest wczesne przerwanie ciąży, jeśli płód jest chory. W niektórych przypadkach wskazane jest przeprowadzenie przedimplantacyjnej diagnostyki DNA, a następnie zapłodnienie in vitro.
Wnioski. Aby zapewnić wczesne wykrywanie i profilaktykę DMD, konieczne jest szersze stosowanie metod diagnostyki genetycznej molekularnej; zwiększyć czujność praktyków w odniesieniu do tej patologii. W przypadku mutacji de novo ryzyko urodzenia chorego dziecka u matki zależy od częstości występowania mutacji genu dystrofiny w populacji. W przypadkach, gdy matka probanta jest nosicielem mutacji, do planowania rodziny wymagana jest diagnostyka DNA prenatalnego lub okołoimplantacyjnego.
