genomisk prægning og humant kromosom 15
GABRIELA M. REPETTO
Institut for Pediatrics, Facultad de Medicina, P. Universidad Cat Larlica de Chile, Santiago
tilsvarende forfatter: Gabriela Repetto. Dept. af Pediatrics, det medicinske fakultet, P. Universidad Cat Larlica de Chile. Hotel Reservation System _ 2017 kr
abstrakt
genomisk prægning er et reversibelt fænomen, der påvirker ekspressionen af gener afhængigt af deres forældres Oprindelse. De bedst karakteriserede menneskelige lidelser som følge af en ændring af prægningsprocessen er Angelman og Prader-Vili syndromer. De skyldes manglen på aktive moder-eller fædregener fra henholdsvis kromosomregion 15k11k13. De fleste tilfælde opstår via interstitielle sletninger. Vi gennemgår bevis for, at andre almindelige cytogenetiske ændringer i denne region, interstitielle og supernumerære duplikationer, kunne være de gensidige produkter fra sletningerne og påvirkes også af prægningsfænomenet i betragtning af overvejelsen af maternelt afledte duplikationer hos patienter konstateret på grund af udviklingsforsinkelser eller autistiske træk.
nøgleudtryk: kromosom 15; kromosom 15 sletninger / duplikationer; genomisk imprinting
genomisk imprinting
genomisk imprinting er et epigenetisk fænomen, der resulterer i differentiel ekspression af alleler afhængigt af deres forældres Oprindelse. Selvom denne funktion har været velkendt for biologer i årevis i forskellige dyremodeller og især gennem pronukleære transplantationsforsøg, er dens kliniske konsekvenser hos mennesker først for nylig begyndt at blive belyst (Hoppe og Illmensee 1977, Sapience og Hall 1995). Det anslås, at mindre end 1% af det humane genom er underlagt prægning, og flere klynger af prægede gener er blevet identificeret. Der er tegn på, at processen med præferentiel lyddæmpning af alleler forekommer under meiose, medieres gennem DNA-methylering såvel som allel-specifikke replikationstidsforskelle og “nulstilles” i hver generation (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter og Engel 1995). Processen med prægning og dens ændringer er nu kendt for at være involveret i flere menneskelige lidelser, herunder visse typer kræft; denne gennemgang vil kun fokusere på det prægede kromosomområde 15k11k13.
humant kromosom 15k11k13 region
en af de bedst karakteriserede humane prægede regioner er placeret i den proksimale lange arm af kromosom 15. Flere gener er blevet identificeret i denne region, og mindst syv gener og transkripter vides kun at være aktive fra faderkopien: NNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPV, PAR1 og PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Kun et gen i denne region, UBE3A, har vist sig at være udtrykt udelukkende fra moderens allel (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997), og denne differentielle ekspression er især tydelig i hjernen (Rougeulle C et al 1997, Vu og Hoffman 1997). Murine undersøgelser har vist moder-kun ekspression af UBE3A i specifikke dele af hjernen, såsom Purkinje-celler, regioner i hippocampus og den lugtende nerve (Albrecht et al 1997). Derudover har undersøgelser af patienter med små sletninger eller translokationer vist tilstedeværelsen af et cis-virkende prægningscenter (Ohta et al 1999). Et ikke-præget gen fra denne region, P-genet, involveret i melaninbiosyntese, er værd at nævne på grund af de pigmentære abnormiteter, der ses hos nogle patienter med cytogenetiske ændringer i denne region (se nedenfor) (Lee et al 1994).
humane lidelser på grund af imprinting effekter af kromosom 15
“manglende aktive gener”: De kliniske konsekvenser af prægningsprocessen og dens defekter blev først beskrevet hos patienter med Angelman (AS) og Prader-Vili (PV) syndromer, to fænotypisk forskellige årsager til mental retardation (MR). Patienter med AS har svær MR, fraværende eller minimal tale, anfald, ataksisk gang, anfald af overdreven latter, mikrognathia og i nogle tilfælde hypopigmentering (1995). I modsætning hertil har patienter med PV ‘ er neonatal central hypotoni, mild kognitiv svækkelse, hyperfagi af barndomsdebut, hvilket resulterer i fedme, hypogonadotrofisk hypogonadisme, små hænder og fødder, karakteristiske ansigtstræk og nogle har også hypopigmentering (Holm et al 1993). 70% af patienterne har en sletning på 15k11k13, som normalt kan påvises ved anvendelse af teknikker som fluorescens in situ hybridisering (FISH) (Cassidy et al 1996, 2000). Sletningerne involverer den maternelt arvede kopi hos personer med AS, mens de med pø har sletninger af faderallelen (Knoll et al 1989). Sletningen af P-genet menes at være årsagen til hypopigmenteringen. 4 MB med proksimale breakpoints mellem markørerne D15S18 og D15S541 eller mellem d15s541 og D15S543 og distale breakpoints mellem D15S12 og D15S24 (Kuvano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Denne klynge af breakpoints tyder på ustabilitet i regionen. næsten 30% af patienterne med kræft og 10% af dem med AS har uniparental disomi (UPD) af kromosom 15, som er arv fra begge homologer fra samme forælder (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Denne abnormitet ser ud til at skyldes trisomi eller monosomi redning og fører til fraværet af det normale biparental bidrag fra gener i denne region (Ledbetter og Engel 1995). Uniparental disomi vurderes rutinemæssigt i kliniske laboratorier enten ved mikrosatellitanalyse eller ved evaluering af methyleringsstatus, enten med Southern blot eller methyleringsspecifik PCR (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996).
begge mekanismer, mikrodeletioner og UPD, synes at være sporadiske hændelser med lav tilbagefaldsrisiko for søskende til berørte patienter. Nogle tilfælde af tilbagevendende AS og PV i familier er blevet rapporteret. 1994 og Ohta et al 1999) og faktisk mutationer af moderens kopi af UBE3A i AS-tilfælde (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) i overensstemmelse med forestillingen om, at sidstnævnte er en monogen tilstand. Når moderen er en mutationsbærer, er risikoen for hendes afkom for at have AS 50%. Som nævnt ovenfor er UBE3A, som koder for et protein involveret i allestedsnærværende, det eneste kendte gen fra regionen, der udelukkende udtrykkes fra moderkopien. Det er uklart, om fænotypen skyldes mangel på et eller flere gener; den nuværende tanke er, at den svarer til et sammenhængende gensyndrom. Sammenfattende resulterer et fravær af bidrag fra faderlige gener i regionen i PV ‘ er, et fravær af maternelt aktive gener resulterer i AS-fænotypen, og flere mekanismer kan redegøre for disse fænomener.
“ekstra gener”: supernumerære og interstitielle duplikationer
andre omlejringer kan påvirke denne kromosomale region, hvor den mest almindelige er duplikationer, som kan være enten supernumerære eller interstitielle. De supernumerære duplikationer findes ofte som bisatelliteret dicentrisk kromosom 15 (dic (15)). Disse er en af de mest almindelige supernumerære markører, der tegner sig for 50% af dem, der findes under rutinemæssig karyotyping (1994). Baseret på tilstedeværelsen eller fraværet af gener fra det fælles AS/PV-område kan disse markører klassificeres i små og store dic (15)s, der også adskiller sig i deres kliniske konsekvenser (1994). Små dic (15)S kan være familiære og er i de fleste tilfælde forbundet med normale fænotyper, men store dic (15) s ses normalt hos patienter med udviklingsforsinkelser og autisme eller autistiske lignende træk, normalt ledsaget af andre fund såsom hypotoni, anfald og karakteristisk ansigtsudseende. Molekylære analyser af disse markører har vist, at den lille dic (15) har breakpoints svarende til det proksimale deletion breakpoint som beskrevet ovenfor mellem D15S18 og D15S541 eller D15S541 og D15S543. De indeholder generelt ikke ekstra kopier af de påtrykte gener, og de kan enten være af moderlig eller faderlig Oprindelse. I modsætning hertil er der en bredere variation i størrelsen af store dic (15)s, hvor nogle strækker sig til det fælles distale deletion breakpoint mellem D15S12 og D15S24, men med nogle markører med endnu større forlængelse (Cheng et al 1994). Dette indebærer, at disse patienter har tetrasomi for gener fra det prægede område. Overraskende nok har de fleste af de rapporterede patienter dic (15) s afledt af moderkromosomerne, størstedelen stammer fra begge homologer, hvilket antyder, at de stammer fra meiose I (Ulpert et al 2000). Genekspressionsundersøgelser mangler, sandsynligvis på grund af fraværet af udelukkende moderaktive gener, der kunne vurderes i blod eller andre prøver. En nylig undersøgelse ved hjælp af RT-PCR viste et tilsyneladende overskud af transkription af SNRPN hos et individ med en stor dic (15) og autistiske-lignende træk sammenlignet med kontrolsekvenser, hvilket antyder, at de overskydende gener muligvis kan undslippe imprintprocessen (Muralidhar et al 1999). Forholdet mellem dette fund og den kognitive fænotype er uklart.
undersøgelser af personer med interstitielle duplikationer, der resulterer i trisomi for generne i regionen, viser også breakpoints, der ligner sletningerne. Patienter med maternelt afledte duplikationer er blevet identificeret i løbet af evalueringen af udviklingsforsinkelser, og det ser ud til, at faderlige duplikationer er asymptomatiske (Cook et al 1997, Repetto et al 1998).
overvejelsen af maternelt nedarvede duplikationer antyder, at begivenhederne, der fører til duplikationerne, enten er mere almindelige under kvindelig meiose, eller at der er en bias for konstatering, hvilket kan skyldes en normal eller mildere fænotype eller til tidlig dødelighed af paternalt afledte duplikationer. Undersøgelser af patienter, der er konstateret på en upartisk måde, for eksempel under prænatal diagnose, vil hjælpe med at afklare betydningen af observationerne.
konklusioner
Imprinting er et komplekst fænomen, der ændrer simpel Mendelsk arv. Dens konsekvenser for mennesker er først for nylig blevet anerkendt, især gennem undersøgelser af sygdomme, der skyldes abnormiteter i den normale proces med biparental arv. Det er bemærkelsesværdigt, at de beskrevne ændringer af kromosomregion 15k11k13 deler fælles breakpoints, hvilket antyder, at der kunne være en fælles mekanisme for disse abnormiteter. Det er muligt, at ændringerne skyldes ulige overgangshændelser i meiose, og at sletningerne og duplikationerne er gensidige produkter. Dette er blevet beskrevet for andre lidelser, såsom Charcot-Marie-Tooth type Ia og arvelig neuropati med ansvar for trykpalsier i kromosom 22 (Chance et al 1994). Klynger af gentagne sekvenser er blevet beskrevet i de fælles breakpoints i kromosom 15, hvilket gør dette til en plausibel hypotese (Amos-Landgraf et al 1999).
det er også tydeligt, at disse lidelser deler tilstedeværelsen af forskellige grader af kognitiv dysfunktion, selvom de specifikke fænotyper er helt forskellige. Dette kan skyldes klyngen af gener, der koder for neurotransmitterreceptorer, såsom gamma amino butyriske receptorunderenheder (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Cytogenetiske abnormiteter af kromosom 15 er den mest almindelige kendte årsag til autistisk lidelse. Derudover har koblingsundersøgelser hos personer med denne og andre relaterede lidelser uden cytogenetiske abnormiteter vist positive resultater for markører i denne region, hvilket antyder tilstedeværelsen af følsomhedsgener (Cook et al 1998). Klart, meget mere skal læres om prægningsprocessen, dens konsekvenser for menneskers sygdom og især de lidelser, der er beskrevet her, der tegner sig for en betydelig del af årsagerne til kognitive handicap.
ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, CATTANACH BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) præget ekspression af murine Angelman syndrom gen, Ube3a, i hippocampal og Purkinje neuroner. Nat Genet 17: 75-78
Amos-LANDGRAF JM, Ji Y, GOTTLIEB h, DEPINET t, stav AE, CASSIDY SB, DRISCOLL DJ, ROGAN PK, NICHOLS RD (1999) kromosombrud i Prader-Vili og Angelman syndromer involverer rekombination mellem store, transkriberede gentagelser ved proksimale og distale breakpoints. Am J Hum Genet 65: 370-386
BUITING K, SAITOH S, GROSS S, DITTRICH S, NICHOLLS RD, HORSTHEMSKE B (1994) arvede mikrodeletioner i Angelman og Prader-Vili syndromer definerer et prægningscenter på humant kromosom 15. Nat Genet 9: 395-400
CASSIDY SB, BEAUDET AL, KNOLL JHM, LEDBETTER DH, NICHOLLS RD, BUTLER MG, Butler m (1996) diagnostisk test for Prader-Vili og Angelman syndromer: rapport fra ASHG / ACMG Test and Technology Transfer Committee. Am J Hum Genet 58: 1085-1088
CASSIDY SB, DYKENS E, Vilhelm CA (2000): søster præget lidelser. Am J med Genet 97: 136-146
CHANCE PF, ABBA SN, LESCH MN, PENTAO L, ROA BB, PATEL PI, LUPSKI JR (1994) to autosomale dominerende neuropatier skyldes gensidig DNA-duplikering/sletning af en region på kromosom 17. Hum Molec Genet 3: 223-228
CHENG S-d, SPINNER N, SACKAI E, KNOLL JHM (1994) cytogenetisk og molekylær karakterisering af inverteret duplikeret kromosom 15 fra 11 patienter. Am J Hum Genet 55:753-759
CHRISTIAN SL, ROBINSON, HUANG B, MUTIRANGURA A, LINE MR, NAKAO M, SURTI U, CHAKRAVARTI A, LEDBETTER DH (1995) Molekylær karakterisering af to proksimale deletion breakpoint regioner i proksimal i både Prader-Vili og Angelman syndrom patienter. Am J Hum Genet 57: 40-48
COOK EH, LINDGREN V, LEVENTHAL BL, COURCHESNE R, LINCOLN a, SHULMAN C, LORD C, COURCHESNE E (1997) autisme eller atypisk autisme i maternelt, men ikke paternalt afledt proksimal 15K dobbeltarbejde. Am J Hum Genet 60:928-934
COOK EH, COURCHESNE RY, CJ, LORD C, GONEN D, GUTER SJ, LINCOLN a, niks K, HAAS R, LEVENTHAL BL, COURCHESNE E (1998) kobling-uligevægt kortlægning af autistisk lidelse med 15k11k13 markører. Am J Hum Genet 62:1077-1083
GREGER V, KNOLL JH, uld E, GLATT K, TYNDALE RF, DELOREY TM, Olsen RV, TOBIN AJ, SIKELA JM, NAKATSU Y (1995) gamma-aminosmørsyrereceptor gamma 3-underenheds genet (GABRG3) er tæt forbundet med alfa 5-underenheds genet (GABRA5) på humant kromosom 15k11-13 og er transskriberet i samme retning. Genomics 26:258-64
HOLM V, CASSIDY SB, BUTLER MG, HANCHETT JM, GRØNSVAG LR, HVORMAND af, GREENBERG F (1993) Prader-Vili syndrom: konsensusdiagnostiske kriterier. Pædiatri 91: 398-402
HOPPE PC, ILLMENSEE K (1977) mikrokirurgisk producerede homosygøse diploide uniparental mus. Proc Natl Acad sci USA 74: 5657
KISHINO T, LALANDE M, Vognmand J (1997) UBE3A/E6AP mutationer forårsager Angelman syndrom. Nat Genet 15:70-73
KNOLL JHM, NICHOLLS RD, MAGENIS RE, GRAHAM JM Jr, Lalande M, LATT SA (1989) Angelman og Prader-Vili syndromer deler en fælles kromosom 15-sletning, men adskiller sig i forældrenes Oprindelse af sletningen. Am J med Genet 32: 285-90
KNOLL JH, CHENG SD, LALANDE M (1994) allel specificitet af DNA replikation timing i Angelman / Prader-Vili syndrom præget kromosomal region. Nat Genet. 6:41-6
KUBOTA T, SUTCLIFFE JS, Aradhya S, GILLESSEN-KAESBACH G, CHRISTIAN SL, HORSTHEMKE B, BEAUDET AL, LEDBETTER DH (1996) valideringsundersøgelser af SNRPN-methylering som en diagnostisk test for Prader-Vili syndrom. Am J med Genet 66: 77-80
KUVANO A, MUTIRANGURA A, DITTRICH B, BUITING K, HORSTHEMSKE B, SAITOH S, NIIKAU N, LEDBETTER SA, GREENBERG s, CHINAULT AC, LEDBETTER DH (1992) Molekylær dissektion af Prader-Vili / Angelman syndrom region (15k11k13) ved YAC kloning og fisk analyse. Hum Molec Genet 1: 417-425
LEDBEDRE DH, ENGEL E (1995 )Uniparental disomi hos mennesker: udvikling af et prægningskort og dets konsekvenser for prænatal diagnose. Hum Mol Genet 4:1757-1764
LEE S-T, NICHOLLS RD, STRUNK KM, BUNDEY s, SLAPSOVA R, MUSARELLA M, sprits RA (1994) mutationer af p-genet i type II oculokutan albinisme, Prader-Vili plus albinisme og “autosomal recessiv albinisme” N Engl J med 330:529-534
MATSUURA T, Sutcliffe JS, Fang p, galjaard RJ, Jiang YH, Benton CS, rommens JM, Beaudet al (1997) de novo TRUNKERENDE mutationer i E6-AP allestedsnærværende PROTEINLIGASE gen (UBE3A) i Angelman syndrom. Nat Genet 15:74-77
MURALIDHAR B, MARNEY a, BUTLER MG (1999) analyse af prægede gener hos personer med Prader-Vili syndrom og kromosom 15 abnormiteter. Genetik i medicin 1: 141-145
NICHOLLS RD (1993) genomisk imprinting og uniparental disomi i Angelman og Prader-Vili syndrom: en gennemgang. Am J med Genet 46: 16-25
NICHOLLS RD (1994) ny indsigt afslører komplekse mekanismer i genomisk imprinting. Am J Hum Genet 54:733-740
OHTA T, grå TA, ROGAN PK, BUITING K, GABRIEL JM, SAITOH S, MURALIDHAR B, BILIENSKA B, DRISCOLL DJ, HORSTHEMSKE B, BUTLER MG, NICHOLLS RD (1999) Imprinting-mutation mekanisme i Prader-Vili syndrom. Am J Hum Genet 64: 397-413
REPETTO GM, hvid LM, BADER PJ, JOHNSON D, KNOLL JH (1998). Interstitielle duplikationer af kromosomregion 15k11k13: klinisk og molekylær karakterisering. Am J Med Genet 79:82-8
ROBINSON, HORSTHEMSKE B, LEONARD s, MALCOLM S, MORTON C, NICHOLLS RD, RITHCHIE RJ, ROGAN PK, SHARP J, TRENT R, VIRICK R, KNOLL JHM (1997) rapport fra det tredje internationale værksted om kortlægning af humant kromosom 15 1996. Cytogenet Cell Genet 76: 1-13
ROUGEULLE C, GLATT H, LALANDE M (1997) Angelman syndrome genet, UBE3A / E6AP, er præget i hjernen. Nat Genet 17: 14-15
SAPIENA C, HALL JG (1995) genetisk prægning og menneskelig sygdom. I: SCRIVER CR, BEAUDET AL, SLY vs, VALLE D (eds) de metaboliske og molekylære baser af arvelig sygdom. 7. udgave. Mc-Hill. pp: 437-458
VU TH, HOFFMAN AR (1997) Imprinting af Angelman syndrome genet, UBE3A, er begrænset til hjernen. Nat Genet 17: 12-13
NETB T (1994) Inv dup (15) supernumerære markørkromosomer. J Med Genet 31: 585-594
Vilhelm CA, ANGELMAN H, CLAYTON-SMITH J, DRISCOLL DJ, HENDRICKSON JE, KNOLL JH, MAGENIS RE, SCHINSEL A, Vognmand J, hvad em (1995). Angelman syndrom: konsensus for diagnostiske kriterier. Angelman Syndrom Foundation. Am J med Genet 56: 237-8
Volpert CM, MENOLD MM, PASS MP, KVMSIYEH MB, DONNELLY SL, RAVAN SA, VANCE JM, GILBERT JR, ABRAMSON rk, HH HH, CUCCARO ML, PERICAK-VANCE MA (2000) tre probander med autistisk lidelse og isodicentrisk kromosom 15. Am J med Genet 96: 365-372