Genomischer Abdruck und menschliches Chromosom 15
GABRIELA M. REPETTO
Abteilung für Pädiatrie, Facultad de Medicina, P. Universidad Católica de Chile, Santiago
Korrespondierender Autor: Gabriela Repetto. Abt. für Pädiatrie, Medizinische Fakultät, P. Universidad Católica de Chile. Hotelreservierungssystem _ 2017 ©
ABSTRACT
Genomic Imprinting ist ein reversibles Phänomen, das die Expression von Genen abhängig von ihrer elterlichen Herkunft beeinflusst. Die am besten charakterisierten menschlichen Störungen, die sich aus einer Veränderung des Prägeprozesses ergeben, sind das Angelman- und das Prader-Willi-Syndrom. Sie sind auf das Fehlen aktiver mütterlicher bzw. väterlicher Gene aus der Chromosomenregion 15q11q13 zurückzuführen. Die meisten Fälle entstehen durch interstitielle Deletionen. Wir überprüfen Hinweise darauf, dass andere häufige zytogenetische Veränderungen dieser Region, interstitielle und überzählige Duplikationen, die reziproken Produkte der Deletionen sein könnten und auch vom Prägephänomen betroffen sind, da bei Patienten, die aufgrund von Entwicklungsverzögerungen oder autistischen Merkmalen festgestellt wurden, maternal abgeleitete Duplikationen vorherrschen.
Schlüsselbegriffe: Chromosom 15; Chromosom 15 Deletionen/Duplikationen; genomic imprinting
Genomic imprinting
Genomic Imprinting ist ein epigenetisches Phänomen, das zu einer differentiellen Expression von Allelen in Abhängigkeit von ihrer elterlichen Herkunft führt. Obwohl dieses Merkmal Biologen seit Jahren in verschiedenen Tiermodellen und insbesondere durch vorkernige Transplantationsexperimente bekannt ist, wurden seine klinischen Konsequenzen beim Menschen erst kürzlich aufgeklärt (Hoppe und Illmensee 1977, Sapienza und Hall 1995). Es wird geschätzt, dass weniger als 1% des menschlichen Genoms einer Prägung unterliegt, und mehrere Cluster von geprägten Genen wurden identifiziert. Es gibt Hinweise darauf, dass der Prozess der bevorzugten Stummschaltung von Allelen während der Meiose stattfindet, durch DNA-Methylierung sowie allelspezifische Replikationszeitpunktunterschiede vermittelt wird und in jeder Generation „zurückgesetzt“ wird (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter und Engel 1995). Es ist bekannt, dass der Prozess des Prägens und seine Veränderungen an mehreren menschlichen Erkrankungen beteiligt sind, einschließlich bestimmter Krebsarten; diese Überprüfung konzentriert sich nur auf die eingeprägte Chromosomenregion 15q11q13.
Region des menschlichen Chromosoms 15q11q13
Eine der am besten charakterisierten menschlichen Regionen befindet sich im proximalen langen Arm von Chromosom 15. In dieser Region wurden mehrere Gene identifiziert, und es ist bekannt, dass mindestens sieben Gene und Transkripte nur aus der väterlichen Kopie aktiv sind: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 und PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Es wurde gezeigt, dass nur ein Gen in dieser Region, UBE3A, ausschließlich aus dem mütterlichen Allel exprimiert wird (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997), und diese differentielle Expression ist besonders im Gehirn offensichtlich (Rougeulle C et al 1997, Vu und Hoffman 1997). Murine Studien haben gezeigt, dass UBE3A nur in bestimmten Teilen des Gehirns, wie Purkinje-Zellen, Regionen des Hippocampus und des Riechnervs, maternal exprimiert wird (Albrecht et al 1997). Darüber hinaus haben Studien an Patienten mit kleinen Deletionen oder Translokationen das Vorhandensein eines cis-wirkenden Prägezentrums gezeigt (Ohta et al 1999). Ein nicht eingeprägtes Gen aus dieser Region, das P-Gen, das an der Melaninbiosynthese beteiligt ist, ist aufgrund der Pigmentanomalien, die bei einigen Patienten mit zytogenetischen Veränderungen dieser Region beobachtet werden, erwähnenswert (siehe unten) (Lee et al 1994).
Menschliche Störungen aufgrund von Prägeeffekten von Chromosom 15
„Fehlende aktive Gene“: Angelman- und Prader-Willi-Syndrome
Die klinischen Folgen des Prägeprozesses und seiner Defekte wurden erstmals bei Patienten mit Angelman- (AS) und Prader-Willi- (PWS) Syndromen beschrieben, zwei phänotypisch unterschiedlichen Ursachen für geistige Behinderung (MR). Patienten mit AS haben schwere MR, fehlende oder minimale Sprache, Krampfanfälle, ataxischen Gang, Anfälle von übermäßigem Lachen, Mikrognathie und in einigen Fällen Hypopigmentierung (Williams et al 1995). Im Gegensatz dazu haben Patienten mit PWS neonatale zentrale Hypotonie, leichte kognitive Beeinträchtigung, Hyperphagie des Kindesalters, was zu Fettleibigkeit, hypogonadotropem Hypogonadismus, kleinen Händen und Füßen, charakteristischen Gesichtszügen und einigen auch Hypopigmentierung führt (Holm et al 1993). Beide Syndrome, die sich in ihren phänotypischen Merkmalen deutlich unterscheiden, haben gemeinsame Ätiologien: Etwa 70% der Patienten haben eine Deletion von 15q11q13, die normalerweise unter Verwendung von Techniken wie Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) nachgewiesen werden kann (Cassidy et al 1996, 2000). Bei den Deletionen handelt es sich um die maternal vererbte Kopie bei Personen mit AS, während bei Personen mit PWS Deletionen des väterlichen Allels auftreten (Knoll et al 1989). Es wird angenommen, dass die Deletion des P-Gens die Ursache für die Hypopigmentierung ist. Die molekulare Analyse der Deletionen hat gezeigt, dass die meisten Patienten eine gemeinsame deletierte Region von etwa 4 MB teilen, mit proximalen Haltepunkten zwischen den Markern D15S18 und D15S541 oder zwischen D15S541 und D15S543 und distalen Haltepunkten zwischen D15S12 und D15S24 (Kuwano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Diese Ansammlung von Haltepunkten deutet auf eine Instabilität der Region hin. Fast 30% der Patienten mit PWS und 10% der Patienten mit AS haben eine uniparentale Disomie (UPD) von Chromosom 15, die die Vererbung beider Homologe von demselben Elternteil darstellt (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Diese Anomalie scheint auf Trisomie oder Monosomie zurückzuführen zu sein und führt dazu, dass der normale biparentale Beitrag von Genen in dieser Region fehlt (Ledbetter und Engel 1995). Die uniparentale Disomie wird routinemäßig in klinischen Labors entweder durch Mikrosatellitenanalyse oder durch Bewertung des Methylierungsstatus entweder mit Southern Blot oder methylierungsspezifische PCR (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996). Beide Mechanismen, Mikrodeletionen und UPD, scheinen sporadische Ereignisse mit geringem Rezidivrisiko für Geschwister betroffener Patienten zu sein. Einige Fälle von rezidivierenden AS und PWS in Familien wurden berichtet. Die zugrunde liegenden Mechanismen waren entweder Prägungszentrumsmutationen oder Deletionen in PWS (Buiting et al 1994 und Ohta et al 1999) und tatsächlich Mutationen der mütterlichen Kopie von UBE3A in AS-Fällen (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) im Einklang mit der Vorstellung, dass letzteres ein monogener Zustand ist. Wenn die Mutter ein Mutationsträger ist, beträgt das Risiko für ihre Nachkommen, AS zu haben, 50%. Wie oben erwähnt, ist UBE3A, das für ein an der Ubiquitinierung beteiligtes Protein kodiert, das einzige bekannte Gen aus der Region, das ausschließlich aus der mütterlichen Kopie exprimiert wird. Es ist unklar, ob der PWS-Phänotyp auf das Fehlen eines oder mehrerer Gene zurückzuführen ist. Zusammenfassend führt ein fehlender Beitrag väterlicher Gene in der Region zu PWS, ein Fehlen maternal aktiver Gene führt zum AS-Phänotyp, und mehrere Mechanismen könnten für diese Phänomene verantwortlich sein.
„Zusätzliche Gene“: Überzählige und interstitielle Duplikationen
Andere Umlagerungen können diese Chromosomenregion beeinflussen, am häufigsten sind Duplikationen, die entweder überzählig oder interstitiell sein können. Die überzähligen Duplikationen werden häufig als bisatellites dizentrisches Chromosom 15 (dic (15)) gefunden. Dies ist einer der häufigsten überzähligen Marker, der 50% derjenigen ausmacht, die während der Routine-Karyotypisierung gefunden wurden (Webb 1994). Basierend auf dem Vorhandensein oder Fehlen von Genen aus der gemeinsamen AS / PWS-Region können diese Marker in kleine und große dic (15) s eingeteilt werden, die sich auch in ihren klinischen Konsequenzen unterscheiden (Webb 1994). Kleine dic (15) s können familiär sein und sind in den meisten Fällen mit normalen Phänotypen assoziiert, aber große Dic (15) s werden normalerweise bei Patienten mit Entwicklungsverzögerungen und Autismus oder autistischen Merkmalen beobachtet, normalerweise begleitet von anderen Befunden wie Hypotonie, Krampfanfällen und charakteristischem Gesichtsausdruck. Molekulare Analysen dieser Marker haben gezeigt, dass die kleinen dic (15) Haltepunkte ähnlich dem oben beschriebenen proximalen Deletionshaltepunkt zwischen D15S18 und D15S541 oder D15S541 und D15S543 aufweisen. Sie enthalten im Allgemeinen keine zusätzlichen Kopien der eingeprägten Gene und können entweder mütterlichen oder väterlichen Ursprungs sein. Im Gegensatz dazu gibt es eine größere Variation in der Größe großer dic (15) s, wobei sich einige bis zum gemeinsamen distalen Deletions-Haltepunkt zwischen D15S12 und D15S24 erstrecken, aber mit einigen Markern noch größerer Ausdehnung (Cheng et al 1994). Dies impliziert, dass diese Patienten eine Tetrasomie für Gene aus der geprägten Region haben. Überraschenderweise haben die meisten der gemeldeten Patienten dic (15) s, die von den mütterlichen Chromosomen abgeleitet sind, die Mehrheit stammt von beiden Homologen ab, was darauf hindeutet, dass sie aus Meiose I stammen (Wolpert et al 2000). Genexpressionsstudien fehlen, wahrscheinlich aufgrund des Fehlens ausschließlich mütterlich aktiver Gene, die in Blut oder anderen Proben beurteilt werden könnten. Eine kürzlich durchgeführte Studie mit RT-PCR zeigte einen offensichtlichen Überschuss an Transkript von SNRPN bei einer Person mit einem großen dic (15) und autistischen Merkmalen im Vergleich zu Kontrollsequenzen, was darauf hindeutet, dass die überschüssigen Gene möglicherweise dem Prägeprozess entkommen können (Muralidhar et al 1999). Die Beziehung dieses Befundes zum kognitiven Phänotyp ist unklar. Studien von Individuen mit interstitiellen Duplikationen, die zu einer Trisomie für die Gene in der Region führen, zeigen auch Haltepunkte, die den Deletionen ähnlich sind. Patienten mit maternal abgeleiteten Duplikationen wurden im Verlauf der Bewertung von Entwicklungsverzögerungen identifiziert, und es scheint, dass väterliche Duplikationen asymptomatisch sind (Cook et al 1997, Repetto et al 1998).
Das Vorherrschen maternal vererbter Duplikationen deutet darauf hin, dass die Ereignisse, die zu den Duplikationen führen, entweder während der weiblichen Meiose häufiger auftreten oder dass eine Verzerrung der Feststellung vorliegt, die auf einen normalen oder milderen Phänotyp oder auf eine frühe Letalität väterlicherseits abgeleiteter Duplikationen zurückzuführen sein kann. Studien an Patienten, die beispielsweise während der Pränataldiagnostik unvoreingenommen ermittelt wurden, helfen, die Bedeutung der Beobachtungen zu klären.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Imprinting ist ein komplexes Phänomen, das die einfache Mendelsche Vererbung modifiziert. Ihre Auswirkungen auf den Menschen werden erst kürzlich erkannt, insbesondere durch die Untersuchung von Krankheiten, die auf Anomalien im normalen Prozess der biparentalen Vererbung zurückzuführen sind. Es ist bemerkenswert, dass die beschriebenen Veränderungen der Chromosomenregion 15q11q13 gemeinsame Haltepunkte aufweisen, was darauf hindeutet, dass es einen gemeinsamen Mechanismus für diese Anomalien geben könnte. Es ist möglich, dass die Veränderungen aus ungleichen Kreuzungsereignissen in der Meiose resultieren und dass die Deletionen und Duplikationen reziproke Produkte sind. Dies wurde für andere Erkrankungen beschrieben, wie Charcot-Marie-Tooth Typ IA und hereditäre Neuropathie mit Haftung für Drucklähmungen in Chromosom 22 (Chance et al 1994). Cluster von Wiederholungssequenzen wurden in den gemeinsamen Haltepunkten in Chromosom 15 beschrieben, was dies zu einer plausiblen Hypothese macht (Amos-Landgraf et al 1999).
Es ist auch offensichtlich, dass diese Störungen unterschiedliche Grade kognitiver Dysfunktion aufweisen, obwohl die spezifischen Phänotypen sehr unterschiedlich sind. Dies könnte auf die Ansammlung von Genen zurückzuführen sein, die für Neurotransmitterrezeptoren wie Gamma-Aminobutterrezeptor-Untereinheiten kodieren (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Zytogenetische Anomalien des Chromosoms 15 sind die häufigste bekannte Ursache für autistische Störungen. Darüber hinaus haben Verknüpfungsstudien bei Personen mit dieser und anderen verwandten Erkrankungen ohne zytogenetische Anomalien positive Ergebnisse für Marker in dieser Region gezeigt, was auf das Vorhandensein von Suszeptibilitätsgenen hindeutet (Cook et al 1998). Es ist klar, dass viel mehr über den Prägeprozess, seine Auswirkungen auf menschliche Krankheiten und insbesondere die hier beschriebenen Störungen gelernt werden muss, die einen erheblichen Anteil der Ursachen für kognitive Behinderungen ausmachen. ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, CATTANACH BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) Prägten die Expression des murinen Angelman-Syndrom-Gens Ube3a in Hippocampus- und Purkinje-Neuronen ein. Nat Genet 17: 75-78
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