Генетический импринтинг на примере синдрома Прадера-Вилли и синдрома Ангельмана

Российский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра биологии 
 
 
 
 

Генетический  импринтинг на примере синдрома Прадера-Вилли  и синдрома Ангельмана.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Студентка I курса

Педиатрического факультета

Группа  №136

Перегудова  Наталия Анреевна.

Научный руководитель: Гильдиева Белла Сабировна.

-Москва.2009-

Содержание:

1. Введение …………………………………………………………..…………….стр. 3
2. Явление генетического импринтинга. Изучение процесса …………………стр. 4
3. Синдром Прадера-Вилли. ………………..……………………….……….......стр. 7
4. Синдром Ангельмана. ………………….……………………………………..стр. 11
5. Заключение…………………………………………………………………….стр. 14
6. Приложения …………………………………………………………………...стр. 15
7. Библиография ………………………. ………………………………………..стр. 18

Введение:

     Генетика  наряду с морфологией, физиологией  и биохимией – теоретический  фундамент современной медицины. Медицинская генетика изучает роль наследственности в патологии человека, закономерности передачи от поколения  поколению наследственных болезней, разрабатывает методы диагностики, лечения, профилактики наследственной патологии, включая болезни с  наследственной предрасположенностью. Как теоретическая и клиническая  дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно расширяться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая  генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая  генетика. Клиническая генетика в  строгом смысле слова – прикладной раздел медицинской генетики, то есть она решает такие проблемы, как: постановка диагноза, лечение больного, прогноз  и профилактика рождения ребёнка  с патологией.

     Основное  внимание в генетике всегда уделялось  гену. Благодаря комплексному подходу  к изучению генов (от фенотипа на уровне организма до расшифровки нуклеотидной последовательности) накопилась обширная информация о строении и функции  генов. На основе данных последних исследований обнаружено, что в геноме человека чуть более 30 000 генов. Гены человека более комплексные, чем у других изученных организмов (например, у дрозофилы). Благодаря альтернативному сплайсингу, одна и та же последовательность ДНК может кодировать не один, а несколько разных полипептидов.

     Как известно, одним из основных правил наследования признаков является правило  эквивалентности реципрокных скрещиваний, то есть равнозначной функции аллеля, полученного от отца или от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться. Функции генов взаимосвязаны  и могут изменяться вплоть до дифференциального  выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такие случаи наследования объясняют генетическим импринтингом.   
 
 
 

Явление генетического импринтинга. Изучение процесса.

Генетический  импринтинг – эпигенетический процесс, дифференциально «маркирующий»  локусы хромосом одного из родителей, что приводит к выключению экспрессии генов, в них расположенных. Следовательно, в участках генома, подверженных импринтингу, обнаруживается моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов, то есть (если импринтирован  материнский  ген) экспрессируется только отцовский, и ноборот. Неэквивалентный вклад  родителей в геном потомства  обусловливает отклонение от менделеевских  законов, согласно которым вклад  каждого из родителей в наследственность потомков равнозначен. Таким образом, фенотипические проявления конкретного  гена могут меняться вследствие 3 причин:

1. Делеция генов,
2. Мутация генов,
3. Эпигенетическое выключение экспрессии. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства. Механизмом импринтинга наиболее вероятно является специфическое метилирование цитозиновых оснований ДНК, которое выключает транскрипцию гена.

Известно  около 30 генов в геноме человека, подверженных импринтингу и имеющих  тканеспецифичную моноаллельную экспрессию, а также 3 кластера генов, локализованных в хромосомах 7q32, 11p15, 15q. Они имеют прямое отношение к наследственной патологии (опухоли, синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана и др.).

Суть  генетического импринтинга состоит  в том, что хромосомы половых  клеток (сперматозоидов или яйцеклеток) индивида приобретают «отпечаток»  его пола. Потомство получает один набор хромосом с отцовской маркировкой  некоторых генов, а другой - с материнской. При образовании у потомка  половых клеток прежний «отпечаток»  стирается и эти гены маркируются  в соответствии с полом данной особи.

Интерес к признакам, подверженным действию геномного импринтинга, был вызван главным образом опытами Дж.Макграта и Д.Солтера из Вистаровского института анатомии и биологии в Филадельфии, а также М.Сурани и его коллег из Института физиологии животных в Кембридже (Великобритания). Макграт и Солтер разработали изящный микрохирургический метод переноса клеточных ядер мышиных эмбрионов, который позволил физически заменять генетическую информацию одной особи на аналогичную информацию от другой особи. Этот метод основан на том, что после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом зигота некоторое время не делится и ядра яйцеклетки и сперматозоида существуют в ее цитоплазме автономно друг от друга. Оба ядра хорошо видны в световом микроскопе, для них характерны определенные размеры и локализация.

С помощью  тончайших стеклянных капилляров из оплодотворенной яйцеклетки избирательно удаляли ядро либо яйцеклетки, либо сперматозоида (либо оба). Затем вместо удаленного ядра в клетку вводили  ядро из другой оплодотворенной яйцеклетки. Было установлено, что если заменяется ядро яйцеклетки на ядро другой яйцеклетки или же ядро сперматозоида — на ядро другого сперматозоида, то эмбрионы развиваются полностью и выросшие из них особи неотличимы от нормальных мышей той же линии.

Метод переноса дает возможность создавать  необычные по генетической конституции  эмбрионы, у которых оба набора хромосом унаследованы от одной родительской особи. Макграт, Солтер и Сурани получили гиногенетических (т. е. имеющих два  полных набора материнских хромосом) и андрогенетических (т. е. имеющих  два набора отцовских хромосом) эмбрионов  и сравнили их развитие с развитием  нормальных эмбрионов.

Важно отметить, что в этих экспериментах  использовались инбредные линии, поддерживавшиеся в течение многих поколений, так  что самцы и самки обладали идентичными наборами хромосом (за исключением, конечно, Х- и У-хромосом). Если развитие эмбриона зависит только от набора его генов, то теоретически не имеет значения, что особь получает все гены от одного родителя, а не от двух, т. е. гиногенетические, андрогенетические  и нормальные мыши должны развиваться  одинаково. Реципрокные скрещивания выявляют, зависит ли данный признак от того, кто из родителей - мать или отец - передал потомству ген, определяющий этот признак. В действительности эти три группы животных развивались совсем не одинаково. Эмбрионы с двумя наборами хромосом от одной и той же родительской особи — самца или самки — не развиваются до конца. Обычно их развитие останавливается на ранней стадии, когда тело эмбриона состоит всего из нескольких десятков клеток. Если же развитие все-таки продолжается, что иногда случается, то у гиногенетических и андрогенетических особей имеют место поразительно различные аномалии. У гиногенетических эмбрионов, достигших наибольшего развития, в теле эмбриона наблюдались незначительные аномалии, однако их плаценты и желточные мешки (эти структуры необходимы для питания эмбриона) оказались сильно недоразвитыми. А у наиболее развитых андрогенетических эмбрионов, наоборот, желточные мешки и плаценты были почти нормальными, а тела — мелкими и слабо развитыми.

Поскольку у гиногенетических, андрогенетических  и нормальных эмбрионов последовательности нуклеотидов хромосомной ДНК  не различались, Макграт, Солтер и Сурани заключили, что гены были каким-то образом  модифицированы и несли «отпечаток»  пола той особи, от которой они  унаследованы. По-видимому, в результате этого геномного импринтинга  избирательно инактивируются определенные гены, которые в норме функционируют  в ранний период эмбрионального развития. Среди генов, унаследованных от отца, не проявляли активности некоторые  гены, управляющие эмбриональным  развитием; гены, важные для образования  желточного мешка и плаценты, оказывались  неактивными, если были получены от матери.

Воодушевленные  открытиями Макграта, Солтера, Сурани и Кэттанака исследователи в  нескольких лабораториях пытались установить, не является ли механизмом геномного  импринтинга непосредственная модификация  ДНК. Действительно, эксперименты во многих случаях показали, что определенные гены метилированы по-разному в зависимости от того, получены они от матери или от отца, а также что эти модификации ДНК могут исчезать. Геномный импринтинг можно считать особым случаем модификации доминантности. Для генов-модификаторов, которые управляют геномным импринтингом, постулируется лишь одно необычное свойство: у самцов и самок они должны работать по-разному. 
 
 
 
 
 
 
 

Синдром Прадера-Вилли.

На сегодняшний день синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана служат общепринятой моделью для изучения новых в клинической генетике и сложных явлений - геномного импринтинга и унипарентальной дисомии.

Унипарентальная (однородительская) дисомия - наследование обеих хромосом только от одного из родителей. В течение многих лет  считалось, что такое наследование невозможно. Лишь с помощью молекулярно-генетических маркеров удалось доказать возможность  однородительской дисомии. Природа  унипарентальной дисомии окончательно не выяснена, однако установлено, что  она обязана своим происхождением ряду генетических и биохимических  нарушений.

Следует отметить, что с помощью обычного исследования хромосомного состава  кариотипа выявить микроделецию или унипарентальную дисомию  невозможно. Для этого применяются  специальные цитогенетические и  молекулярно-генетические методы - прометафазный  анализ, использование ДНК-маркеров определенных участков хромосомы 15 (исследование процессов метилирования) и др.

Установлено, что синдром Прадера - Вилли может  быть обусловлен двумя основными  механизмами. Первый из них - микроделеция хромосомы 15 (15q11.2-q13), которая всегда отцовского происхождения. Второй - материнская  изодисомия, т.е. когда обе хромосомы 15 получены от матери. Развитие синдрома Ангельмана, наоборот, связано с  микроделецией того же участка хромосомы 15, но материнского происхождения, или  отцовской изодисомией. Возможные  механизмы представлены на схеме (рис. 1). Большинство (около 70%) случаев синдрома Прадера - Вилли обусловлено микроделецией, остальные - дисомией. При этом обращает на себя внимание отсутствие клинических различий между больными с микроделецией и изодисомией.

Синдром Прадера-Вилли описали в 1956 году исследователи Андреа Прадер, Хайнрих  Вилли, Алексис Лабхарт, Эндрю Зиглер и Гвидо Фанцони в Швейцарии.  Синдром встречается с частотой 1:12000-15000 живорожденных младенцев.

Для данного  синдрома до рождения характерны низкая подвижность плода и часто  его неправильное положение (в 10-40 % случаев наблюдается ягодичное  предлежание). Дети с синдромом Прадера - Вилли обычно рождаются доношенными  с незначительной внутриутробной гипотрофией  и нередко в асфиксии (недостаток кислорода, удушье).

В течение  заболевания можно выделить две  фазы: первая - свойственна детям 12-18 мес жизни. Она характеризуется  выраженной мышечной гипотонией, снижением  сосательных и глотательных  рефлексов, что затрудняет кормление ребенка. Вторая - наступает позже, через несколько  недель или месяцев. Мышечная гипотония  постепенно уменьшается и к школьному  возрасту почти полностью исчезает. Стопы и кисти больных диспропорционально маленькие - акромикрия. У детей отмечается гипогонадизм (у мальчиков - гипоплазия (недоразвитие) полового члена, мошонки, крипторхизм, а у девочек - недоразвитие половых губ и в 50% случаев - матки).Рост больных нередко снижен. У 75% детей наблюдается гипопигментация кожи, волос и радужки. Часто диагностируется микроцефалия. Психомоторное развитие отстает от возрастной нормы - коэффициент интеллектуального развития - от 20 до 80 ед. (при норме 85-115 ед.). Речь затруднена, словарный запас уменьшен. Больные доброжелательны, настроение характеризуется частой сменой. Описаны нарушения координации, судороги, страбизм (косоглазие).Встречаются и другие аномалии: микродонтия, гипоплазия хрящей ушных раковин, сколиоз, эктропион (выворот века), глаукома. Нередко развитие сахарного диабета, который с возрастом имеет тенденцию к улучшению. При морфологическом исследовании мозга и ЯМР-томографии могут наблюдаться (примерно в 12% случаев) кисты червя мозжечка, аномалии коры головного мозга. Согласно данным литературы, патогенез синдрома Прадера - Вилли до настоящего времени остается малоисследованным. Высказываются предположения, что ожирение у больных обусловлено значительным (более чем в 10 раз) усилением синтеза жира из ацетата и крайне низкими процессами липолиза.

Для синдрома Прадера-Вилли характерны:

• до рождения: низкая подвижность плода;
• часто — неправильное положение плода;
• ожирение; склонность к перееданию;
• пониженный мышечный тонус (гипотонус); пониженная координация движений;
• маленькие кисти и стопы, низкий рост;
• повышенная сонливость;
• страбизм (косоглазие);
• сколиоз (искривление позвоночника);
• пониженная плотность костей;
• сниженная функция половых желез (гипогонадизм); в результате, как правило, бесплодие;
• речевая задержка, задержка психического развития; отставание в освоении навыков общей и мелкой моторики,
• более позднее половое созревание.

Синдром Прадера-Вилли нередко ассоциируется  с повышенным аппетитом, это обусловлено  тем, что 15-ая хромосома связана с гипоталамусом. (Однако при вскрытии умерших с синдромом Прадера-Вилли не было обнаружено никаких дефектов гипоталамуса.)

Синдром диагносцируется путем генетического  анализа, рекомендуемого для новорожденных  с пониженным мышечным тонусом (гипотонусом). Иногда вместо диагноза «синдром Прадера-Вилли» варчи ошибочно ставят диагноз «синдром Дауна» (поскольку синдром Дауна встречается намного чаще).

Синдром Прадера-Вилли является врожденной генетической аномалией и, следовательно, не может быть излечен. Однако некоторые лечебные мероприятия повышают качество жизни людей с синдромом. В частности, младенцы с гипотонусом должны получать массаж и другие виды специальной терапии. Рекомендуется использование специальных методик развития ребенка, занятия с логопедом и дефектологом. Рекомендуется прием «гормонов роста», заместительная гормональная терапия (с применением гонадотропинов). Гипогонадизм обычно проявляется в микропении и неопущении яичек у мальчиков (крипторхизм); врачи могут порекомендовать подождать, пока яички опустятся сами, либо порекомендовать хирургическое вмешательство, либо гормонотерапию. Для коррекции повышенного веса применяется диета c ограничением количества жиров и углеводов. Из-за ожирения, сопутствующего синдрому, нужно пристально следить за количеством и качеством пищи, поглощаемым человеком с синдромом Прадера-Вилли (обычно люди с таким синдромом способны много съесть, не наедаясь). Возможным осложнением может стать апноэ (задержка дыхания во сне).

Риск, что  следующий ребенок у тех же родителей родится также с  синдромом Прадера-Вилли, зависит  от механизма, вызвавшего генетический сбой. Этот риск меньше 1 % в случае, если у первого ребенка делеция гена или партеногенетическая (однородительская) дисомия; до 50 % — если сбой вызван мутацией; до 25 % — в случае транслокации родительских хромосом. Родителям рекомендуется пройти генетическое обследование.

У большинства  людей с синдромом Прадера-Вилли  наблюдается задержка психического и речевого развития. Согласно исследованиям  Керфс и Фрим (1992),

• 5 % обследованных продемонстрировали средний уровень коэффициента интеллекта (более 85 баллов по шкале IQ);
• 27 % — уровень на грани среднего (70-85 баллов);
• 34 % — уровень слабого отставания (50-70 баллов);
• 27 % — уровень среднего отставания (35-70 баллов);
• 5 % — сильное отставание (20-35 баллов);
• менее 1 % — значительное отставание.

По другим исследованиям (Кэссиди), 40 % пациентов с синдромом Прадера-Вилли демонстрируют интеллект на грани среднего или сниженный уровень интеллекта.

Как правило, дети с синдромом Прадера-Вилли  имеют хорошую долговременную зрительную память, они могут научиться читать, могут обладать богатым пассивным  словарем, но их собственная речь обычно хуже, чем понимание. Слуховая память, математические навыки и навыки письма, зрительная и слуховая кратковременная  память у таких детей обычно значительно  хуже. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Синдром Ангельмана.

Частота встречаемости синдрома Ангельмана, по разным данным, — 1 : 10 000-20 000 живорожденных младенцев. (Однако, согласно данным Центра развития человека и отклонений в развитии (университет Вашингтона, США), можно предполагать, что доля людей с синдромом Ангельмана в действительности намного больше статистической.)

Для синдрома Ангельмана характерны:

• В 75 % проблемы с питанием, особенно с грудным вскармливанием, такие младенцы плохо набирают вес;
• задержка в развитии навыков общей моторики (умение сидеть, ходить);
• задержка речевого развития, неразвитая речь (у всех детей);
• дети больше понимают, чем могут сказать или выразить;
• дефицит внимания и гиперактивность;
• сложности с обучением;
• эпилепсия (80 % случаев), нарушения выявляются также при электроэнцефалографии; считается, что у детей с синдромом Ангельмана происходит вторичная (симптоматическая) общая эпилепсия;
• необычные движения (мелкий тремор, хаотические движения конечностей);
• частый смех без повода;
• ходьба на негнущихся ногах — из-за этой особенности детей с этим синдромом иногда сравнивали с марионетками;
• размер головы меньше среднего, нередко с уплощением затылка;
• иногда особые черты лица — широкий рот, зубы с промежутками между ними, выдающийся вперед подбородок, высунутый наружу язык);
• нарушения сна;
• страбизм (косоглазие) в 40 % случаев;
• сколиоз (искривление позвоночника) в 10 % случаев;
• повышенная чувствительность к высокой температуре;
• бывают сильно увлечены играми с водой.

Синдром Ангельмана является врожденной генетической аномалией и, следовательно, не может быть излечен. Однако некоторые лечебные мероприятия повышают качество жизни людей с синдромом. В частности, младенцы с гипотонусом должны получать массаж и другие виды специальной терапии (физиотерапии). Рекомендуется использование специальных методик развития ребенка, занятия с логопедом и дефектологом. Нарушения сна корректируются назначением легких снотворных. Нарушения стула регулируются назначением легких слабительных. Приступы лечатся так же, как эпилепсия. Д-р Чарльз Вильямс (Гейнсвилл, Флорида), работающий в основном с аутичными детьми, отмечает общие для аутичных детей и детей с синдромом Ангельмана особенности поведения: заметная аутостимуляция, импульсивность, навязчивые, повторяющиеся движения, интерес к неуместным предметам, а также сложность в общении с другими людьми.

Оценка  риска повторного рождения ребенка  с синдромом Ангельмана у тех  же родителей очень сложна, необходима консультация профессионального генетика. Считается, что обычная делеция  является спонтанной, риск повтора  меньше 1 %. В случае молекулярной микроделеции в 15q11-q13, если она наблюдается и у матери, риск теоретически до 50 %. Мутации внутри гена UBE3A могут быть случайными и неунаследованными, в этой ситуации риск повтора <1%; однако эти мутации можно унаследовать от нормальной матери, и тогда теоретический риск 50%. Партеногенетическая дисомия 15-ой пары – случайная ситуация; риск повтора <1%. Есть несколько людей с AS с необычными преобразованиями хромосомы 15, включая область 15q11-q13; в этих случаях оценка риска повтора зависит от хромосомных нарушений у родителей.

Дети  с синдромом Ангельмана понимают намного больше, чем могут сказать. В некоторых случаях у них  вообще нет речи; описаны дети со словарем 5-10 слов. При этом дети/люди с синдромом Ангельмана любят  общаться с людьми, играть, как правило, они дружелюбны и милы.

Рекомендуется обучать таких детей языку  жестов. Занятия с раннего возраста по специальным программам, направленные на развитие навыков мелкой и общей  моторики, в ряде случаев дают хорошие  результаты.

Перспективы развития зависят от степени пораженности хромосомы. Некоторые люди с синдромом  Ангельмана способны освоить навыки самообслуживания и речь на примитивном  уровне (обычно причиной синдрома в  этом случае стала мутация), некоторые  никогда не смогут ходить и говорить (это обычно происходит в случае делеции части хромосомы).

C возрастом,  как правило, симптомы гиперактивности  и нарушения сна смягчаются. У  девочек с синдромом Ангельмана  в период полового созревания  могут участиться припадки.

Большинство людей с синдромом Ангельмана способны контролировать экскреторные функции (мочеиспускание и дефекацию) днем, некоторые — и ночью. Некоторые люди с синдромом Ангельмана способны есть ножом и вилкой, одеваться самостоятельно в случае отсутствия на одежде пуговиц, «молний». Во взрослом возрасте может появиться ожирение и ухудшиться ситуация со сколиозом. Менструации, половое созревание индивидов с синдромом Ангельмана происходит в обычные сроки. Описан один случай беременности женщины с синдромом Ангельмана: она родила девочку с таким же диагнозом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение:

     Развитие  генетики приводит к открытию новых  закономерностей процессов, происходящих на всех уровнях организации. Одним из них является генетический импринтинг. Генетический импринтинг – эпигенетический процесс, дифференциально «маркирующий» локусы хромосом одного из родителей, что приводит к выключению экспрессии генов, в них расположенных. Примерами генетического импринтинга в популяции человека могут служить синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана. Генетические нарушения такого рода приводят к тяжёлым последствиям: многочисленным патологиям физического, интеллектуального и эмоционального здоровья. Для генетика, который консультирует пары, имеющие такого ребёнка и планирующие следующих детей, принципиальную роль играет понимание процессов, приводящих к данным синдромам. Возможно, в неотдалённом будущем понимание этих механизмов окажет значительное влияние на лечение целого ряда заболеваний.

     Прогресс  в развитии медицины и общества приводит к относительному возрастанию доли генетически обусловленной патологии в заболеваемости, смертности и социальной адаптации. Около 5-5,5% детей рождаются с тем или иным видом патологии. Благодаря развитию медицины и общества, увеличивается продолжительность жизни пациентов, восстанавливается их репродуктивная функция, а, следовательно, увеличивается и число больных. Современная медицина обладает большими возможностями в диагностике, лечении и профилактике наследственных болезней, а в будущем будет обладать ещё большими.   
 
 
 
 
 
 
 

Приложения:

Рис. 1. Мальчик с синдромом Ангельмана. 

Рис.2. Мальчик  с синдромом Прадера-Вилли. Верхний  ряд: внешний вид больного (резко  выраженное ожирение с преимущественным отложением жира на туловище и проксимальных  отделах конечностей). Нижний ряд: диспропорционально маленькие кисти и стопы.

Рис. 3. Возможные механизмы развития синдромов  Прадера-Вилли и Ангельмана.

Рис. 4.  Результат исследования Макграта, Солтера, Сурани.

Библиография:

1. Журнал «В мире науки», (Scientific American. Издание на русском языке), 1990, №12. стр.14-20, статья «Геномный импринтинг» Кармена Сапиенца.
2. Интернет–ресурс «Биология и медицина», статья «Эпигенетическая наследственность и метилирование ДНК»/ http://www.medbiol.ru/
3. Интернет-ресурс: «Научная сеть», статья  «Синдром Прадера - Вилли у детей: новое в этиологии, патогенезе и лечении»/Л.З. Казанцева, П.В. Новиков, А.Н. Семячкина, Е.А. Николаева, М.Б. Курбатов, Э.В. Добрынина, Московский НИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава РФ/http://nature.web.ru/
4. Клиническая генетика: Учебник – 2-е изд., перераб. и доп. – М.ГЭОТАР-Мед, 2001. – 448 с./ Бочков Н.П.
5. Наследственные синдромы и медико-генетическое консультирование: Справочник/Козлова С.И., Семанова Е., Демикова Н.С., Блинникова О.Е. – Л.: Медицина, 1987. – 320 с., ил.