genominen jälki ja ihmisen kromosomi 15
GABRIELA M. REPETTO
lastentautiopin laitos, Facultad de Medicina, P. Universidad Católica de Chile, Santiago
vastaava tekijä: Gabriela Repetto. Osasto. of Pediatrics, Lääketieteellinen tiedekunta, P. Universidad Católica de Chile. Hotellivarausjärjestelmä _ 2017 ©
Abstrakti
Genomipainatus on reversiibeli ilmiö, joka vaikuttaa geenien ilmentymiseen riippuen niiden vanhemmuudesta. Parhaiten leimautumisen muutoksesta johtuvat ihmisen sairaudet ovat Angelmanin ja Prader-Willin oireyhtymät. Ne johtuvat siitä, että kromosomialueella 15q11q13 ei ole aktiivisia äidin tai isän geenejä. Useimmat tapaukset syntyvät interstitiaalisten poistojen kautta. Tutkimme todisteita siitä, että muut tämän alueen yleiset sytogeneettiset muutokset, interstitiaaliset ja ylimääräiset päällekkäisyydet, voivat olla poistojen vastavuoroisia tuotteita, ja niihin vaikuttaa myös leimautumisilmiö, koska maternaalisesti periytyvät päällekkäisyydet potilailla, jotka on todettu kehitysviivästysten tai autististen piirteiden vuoksi.
keskeiset termit: kromosomi 15; kromosomi 15 deleetiot/kahdennukset; genomipainatus
genomipainatus
Genomipainatus on epigeneettinen ilmiö, joka johtaa alleelien differentiaaliseen ilmentymiseen riippuen niiden vanhemmasta alkuperästä. Vaikka biologit ovat tunteneet tämän ominaisuuden jo vuosia erilaisissa eläinmalleissa ja erityisesti pronukleaarisiirtokokeissa, sen kliinisiä seurauksia ihmisillä on alettu selvittää vasta hiljattain (Hoppe and Illmensee 1977, Sapienza and Hall 1995). On arvioitu, että alle 1% ihmisen perimästä on leimautunut, ja on tunnistettu useita ryppäitä leimattuja geenejä. On näyttöä siitä, että alleelien etuoikeutettu hiljentyminen tapahtuu meioosin aikana, välittyy DNA: n metylaation sekä alleelikohtaisten replikaation ajoituserojen kautta ja ”nollautuu” jokaisessa sukupolvessa (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter and Engel 1995). Painatusprosessin ja sen muutosten tiedetään nyt liittyvän useisiin ihmisen sairauksiin, mukaan lukien tietyntyyppisiin syöpiin.; tässä tarkastelussa keskitytään vain painettuun kromosomialueeseen 15q11q13.
ihmisen kromosomin 15q11q13 alue
yksi parhaiten luonnehdituista ihmisen painatetuista alueista sijaitsee kromosomin 15 proksimaalisessa pitkässä haarassa. Tällä alueella on tunnistettu useita geenejä, ja ainakin seitsemän geeniä ja transkriptiä tiedetään olevan aktiivisia vain isän kopiosta: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 ja PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Vain yksi geeni tällä alueella, UBE3A, on osoitettu ilmentyvän yksinomaan äidin alleelista (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997), ja tämä differentiaalinen ilmentymä näkyy erityisesti aivoissa (Rougeulle C et al 1997, Vu and Hoffman 1997). Hiiritutkimukset ovat osoittaneet, että UBE3A ilmentyy vain äidillä tietyissä aivojen osissa, kuten Purkinjen soluissa, hippokampuksen ja hajuhermon alueilla (Albrecht et al 1997). Lisäksi tutkimukset potilailla, joilla on pieniä deleetioita tai translokaatioita, ovat osoittaneet, että potilaalla on cis-vaikuttava painatuskeskus (Ohta et al 1999). Yksi ei-painettu geeni tältä alueelta, P-geeni, joka osallistuu melaniinin biosynteesiin, on syytä mainita johtuen pigmentaarisista poikkeavuuksista, joita on havaittu joillakin potilailla, joilla on sytogeneettisiä muutoksia tällä alueella (KS.alla) (Lee et al 1994).
kromosomiin 15 kirjautumisen vaikutuksesta johtuvat ihmisen häiriöt
”puuttuvat aktiiviset geenit”: Angelmanin ja Prader-Willin oireyhtymät
leimautumisprosessin kliinisiä seurauksia ja sen vikoja kuvattiin ensin potilailla, joilla oli Angelmanin (AS) ja Prader-Willin (PWS) oireyhtymät, jotka ovat kaksi fenotyyppisesti erillistä kehitysvammaisuuden (MR) syytä. Potilaat, joilla on vakava MR, poissa tai minimaalinen puhe, kouristukset, ataksinen kävely, jaksoja liiallinen Nauru, mikrognathia, ja, joissakin tapauksissa, hypopigmentaatio (Williams et al 1995). Sen sijaan potilailla, joilla on PWS on vastasyntyneen keskeinen hypotonia, lievä kognitiivinen heikkeneminen, hyperfagia lapsuuden alkaa johtaa lihavuus, hypogonadotrooppinen hypogonadismi, pienet kädet ja jalat, ominaisuus kasvonpiirteitä ja jotkut ovat myös hypopigmentaatio (Holm et al 1993). Molemmat oireyhtymät, joiden fenotyyppiset ominaisuudet eroavat selvästi toisistaan, jakavat yhteiset etiologiat: noin 70 prosentilla potilaista deleetio on 15q11q13, mikä voidaan yleensä havaita käyttämällä tekniikoita, kuten fluoresenssi in situ hybridization (FISH) (Cassidy et al 1996, 2000). Poistot koskevat maternaalisesti periytyvää kopiota henkilöillä, joilla on AS, kun taas niillä, joilla on PWS, on isän alleelin poistoja (Knoll et al 1989). Hypopigmentaation syyksi arvellaan P-geenin poistoa. Poistojen molekyylianalyysi on osoittanut, että useimmilla potilailla on yhteinen poistettu alue noin 4MB, proksimaaliset raja-arvot merkkiaineiden D15S18 ja D15S541 tai d15s541 ja D15S543 välillä ja distaaliset raja-arvot d15s12 ja D15S24 välillä (Kuwano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Tämä raja-arvojen ryhmittyminen viittaa alueen epävakauteen.
lähes 30%: lla PWS-potilaista ja 10%: lla AS-potilaista on kromosomin 15 uniparentaalinen disomia (UPD), joka on molempien homologien periytyminen samalta vanhemmalta (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Tämä poikkeavuus näyttää johtuvan trisomiasta tai monosomiasta ja johtaa siihen, että tällä alueella ei ole geenien normaalia kaksiparanteisuutta (Ledbetter and Engel 1995). Uniparentaalinen disomia arvioidaan rutiininomaisesti kliinisissä laboratorioissa joko mikrosatelliittianalyysillä tai metylaatiotilanteen arvioinnilla joko eteläisellä blotilla tai metylaatiospesifisellä PCR: llä (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996).
molemmat mekanismit, mikrodeleet ja UPD, näyttävät olevan satunnaisia tapahtumia, joiden uusiutumisriski sairastuneiden potilaiden sisaruksille on pieni. Joitakin tapauksia toistuvista AS – ja PWS-tapauksista perheissä on raportoitu. Taustalla olevat mekanismit ovat joko painaneet keskusmutaatioita tai deleetioita PWS: ssä (Buiting et al 1994 ja Ohta et al 1999) ja itse asiassa UBE3A: n emon kopion mutaatiot AS: ssä (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) sen käsityksen mukaisesti, että viimeksi mainittu on monogeeninen tila. Kun emo on mutaation kantaja, sen jälkeläisille on 50 prosentin riski saada AS. Kuten edellä todettiin, UBE3A, joka koodaa ubikitinaatioon osallistuvaa proteiinia, on ainoa tunnettu alueen geeni, joka ilmaistaan yksinomaan äidin kopiosta. On epäselvää, johtuuko PWS-fenotyyppi yhden vai useamman geenin puutteesta; nykyisen käsityksen mukaan se vastaa yhtenäistä geenisyndroomaa. Yhteenvetona voidaan todeta, että isänpuoleisten geenien puuttuminen alueelta johtaa PWS: ään, maternaalisesti aktiivisten geenien puuttuminen johtaa AS: n fenotyyppiin, ja useat mekanismit voivat selittää nämä ilmiöt.
”ylimääräiset geenit”: Supernumeraariset ja interstitiaaliset kahdennukset
muut uudelleenjärjestelyt voivat vaikuttaa tähän kromosomialueeseen, joista yleisimpiä ovat kahdennukset, jotka voivat olla joko supernumeraarisia tai interstitiaalisia. Supernumeraariset kaksoiskappaleet esiintyvät usein bisatelloituneina dicentrisinä kromosomeina 15 (dic (15)). Nämä ovat yksi yleisimmistä ylimääräisistä markkereista, joiden osuus on 50% rutiininomaisen karyotypingin aikana löydetyistä markkereista (Webb 1994). Yhteisen AS/PWS-alueen geenien esiintymisen tai puuttumisen perusteella nämä markkerit voidaan luokitella pieniin ja suuriin dic (15)s: iin, jotka eroavat myös kliinisiltä seurauksiltaan (Webb 1994). Pienet dic (15)S: t voivat olla familiaalisia, ja useimmissa tapauksissa ne liittyvät normaaleihin fenotyyppeihin, mutta suuria dic (15) s: iä nähdään yleensä potilailla, joilla on kehitysviiveitä ja autismia tai autistisia piirteitä, joihin liittyy yleensä muita löydöksiä, kuten hypotonia, kouristukset ja tyypillinen kasvojen ulkonäkö. Näiden merkkiaineiden molekyylianalyysit ovat osoittaneet, että pienellä dic: llä (15) on edellä kuvatun proksimaalisen deleetion breakpoint: n kaltaisia katkoksia välillä D15S18-D15S541 tai D15S541 ja d15s543. Ne eivät yleensä sisällä ylimääräisiä kopioita painatetuista geeneistä, ja ne voivat olla joko äidin tai isän alkuperää. Sen sijaan suurten dic (15)S: n koossa on laajempaa vaihtelua, joista osa ulottuu D15S12: n ja D15S24: n yhteiseen distaaliseen deleetion breakpointiin, mutta jotkin merkit ovat vielä suurempia (Cheng et al 1994). Tämä viittaa siihen, että näillä potilailla on tetrasomia muistijäljen geeneihin. Yllättäen suurin osa raportoiduista potilaista on dic (15) s peräisin äidin kromosomeista, suurin osa molemmista homologeista, mikä viittaa siihen, että ne ovat peräisin meiosis I: stä (Wolpert et al 2000). Geeniekspressiotutkimukset ovat puutteellisia, mikä johtuu todennäköisesti siitä, että ei ole yksinomaan äidin aktiivisia geenejä, joita voitaisiin arvioida veri-tai muista näytteistä. Eräässä hiljattain tehdyssä RT-PCR: ää käyttäneessä tutkimuksessa SNRPN: n transkriptio oli selvästi suurempi yksilöllä, jolla oli suuri dic (15) ja autistisia piirteitä verrattuna kontrollisarjoihin, mikä viittaa siihen, että ylimääräiset geenit voivat välttyä painatusprosessilta (Muralidhar et al 1999). Tämän löydöksen yhteys kognitiiviseen fenotyyppiin on epäselvä.
tutkimukset yksilöillä, joilla on interstitiaalisia kaksoiskappaleita, jotka johtavat alueen geenien trisomiaan, osoittavat myös deleetioiden kaltaisia murtumia. Kehitysviiveiden arvioinnin yhteydessä on tunnistettu potilaita, joilla on emästä johtuvia päällekkäisyyksiä, ja näyttää siltä, että isän päällekkäisyydet ovat oireettomia (Cook ym.1997, Repetto ym. 1998).
maternaalisesti periytyvien kahdentumien vallitsevuus viittaa siihen, että kahdentumiseen johtaneet tapahtumat ovat joko yleisempiä naaraan meioosin aikana tai että toteamisessa on harha, joka voi johtua normaalista tai lievemmästä fenotyypistä tai esiperäisten kahdentumien varhaisesta kuolleisuudesta. Ennakkoluulottomasti todetut potilastutkimukset esimerkiksi raskausdiagnoosin yhteydessä auttavat selventämään havaintojen merkitystä.
johtopäätökset
painaminen on monimutkainen ilmiö, joka muuttaa yksinkertaista Mendelin periytymistä. Sen vaikutukset ihmisiin ovat vasta äskettäin tunnustettu, erityisesti tutkimalla sairauksia, jotka johtuvat poikkeavuuksista normaalissa kaksipaikkaisen perinnön prosessissa. On huomionarvoista, että kuvatuilla kromosomialueen 15q11q13 muutoksilla on yhteisiä raja-arvoja, mikä viittaa siihen, että näille poikkeavuuksille voisi olla yhteinen mekanismi. On mahdollista, että muutokset johtuvat meioosin epätasaisesta ylityksestä ja että poistot ja päällekkäisyydet ovat vastavuoroisia tuotteita. Tämä on kuvattu muita sairauksia, kuten Charcot-Marie-hammas tyypin IA ja perinnöllinen neuropatia, johon liittyy vastuu painepalsiat kromosomissa 22 (Chance et al 1994). Toistuvien sekvenssien klustereita on kuvattu kromosomissa 15 olevissa yhteisissä raja-arvoissa, mikä tekee tästä uskottavan hypoteesin (Amos-Landgraf et al 1999).
on myös selvää, että näillä häiriöillä on eriasteisia kognitiivisia toimintahäiriöitä, vaikka spesifiset fenotyypit ovat aivan erilaisia. Tämä voi johtua välittäjäainereseptoreita koodaavien geenien ryhmittymisestä, kuten gamma amino butyric receptor-alayksiköistä (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Kromosomissa 15 olevat sytogeneettiset poikkeavuudet ovat yleisin yksittäinen autistisen häiriön aiheuttaja. Lisäksi henkilöillä, joilla on tämä ja muut siihen liittyvät häiriöt, joissa ei ole sytogeneettisiä poikkeavuuksia, tehdyissä yhteistutkimuksissa on saatu positiivisia tuloksia merkkiaineiden osalta tällä alueella, mikä viittaa herkkyysgeenien esiintymiseen (Cook ym.1998). On selvää, että on paljon enemmän opittavaa leimautumisprosessista, sen vaikutuksista ihmisten sairauksiin ja erityisesti tässä kuvattuihin häiriöihin, jotka aiheuttavat merkittävän osan kognitiivisten vammojen syistä.
ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, Cattanach BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) painettu ilmentymä hiiren Angelmanin syndroomageeni Ube3a, hippokampal ja Purkinje neuronit. Nat Genet 17: 75-78
AMOS-LANDGRAF JM, JI Y, GOTTLIEB W, DEPINET T, WANDSTRAT AE, CASSIDY SB, DRISCOLL DJ, ROGAN PK, SCHWARTZ s, NICHOLS RD (1999) Prader-Willin ja Angelmanin oireyhtymissä esiintyy rekombinaatiota suurten, transkriboitujen toistojen välillä proksimaalisissa ja distaalisissa katkoksissa. Am J Hum Genet 65: 370-386
BUITING K, SAITOH S, GROSS s, DITTRICH s, SCHWARTZ s, NICHOLLS RD, HORSTHEMSKE B (1994) Angelmanin ja Prader-Willin oireyhtymissä periytyvät mikrodeleet määrittelevät ihmisen kromosomissa 15 olevan leimautumiskeskuksen. NAT Genet 9:395-400
CASSIDY SB, BEAUDET AL, KNOLL JHM, LEDBETTER DH, NICHOLLS RD, SCHWARTZ s, BUTLER MG, WATSON M (1996) Diagnostic testing for Prader-Willi and Angelman syndromes: Report of the ASHG/ACMG Test and Technology Transfer Committee. Am J Hum Genet 58: 1085-1088
CASSIDY SB, DYKENS E, WILLIAMS CA (2000) Prader-Willin ja Angelmanin oireyhtymät: siskon muistijäljet. Am J Med Genet 97: 136-146
sattuma PF, ABBA SN, LESCH MN, PENTAO L, Roa BB, PATEL PI, LUPSKI JR (1994) kaksi autosomaalisesti dominoivaa neuropatiaa johtuvat kromosomissa 17 olevan alueen vastavuoroisesta DNA: n kahdentumisesta/poistosta. Hum Molec Genet 3: 223-228
CHENG S-D, SPINNER N, ZACKAI E, KNOLL JHM (1994) cytogenetic and molecular characterization of inverted duplicated chromosome 15 from 11 patients. Am J Hum Genet 55:753-759
CHRISTIAN SL, ROBINSON WP, HUANG B, MUTRANGURA A, LINE MR, NAKAO M, SURTI U, CHAKRAVARTI A, LEDBETTER DH (1995) Molecular characterization of two proximal deleetion breakpoint regions in proximal in both Prader-Willi and Angelman syndrome patients. Am J Hum Genet 57: 40-48
COOK EH, LINDGREN V, LEVENTHAL BL, COURCHESNE R, LINCOLN a, SHULMAN C, LORD C, COURCHESNE E (1997) Autism or atypical autism in maternally but not paternally derived proksimal 15Q duplikation. Am J Hum Genet 60:928-934
COOK EH, COURCHESNE RY, COX NJ, LORD C, GONEN D, GUTER SJ, LINCOLN a, NIX K, HAAS R, LEVENTHAL BL, COURCHESNE E (1998) Linkage-disequilibrium mapping of autistic disorder with 15q11q13 markers. Am J Hum Genet 62:1077-1083
GREGER V, KNOLL JH, WOOLF E, GLATT K, Tyndale RF, DELOREY TM, OLSEN RW, TOBIN AJ, SIKELA JM, NAKATSU Y (1995) gamma-aminovoihapporeseptorin gamma 3-alayksikön geeni (GABRG3) on tiukasti sidoksissa alfa 5-alayksikön geeniin (GABRA5) ihmisen kromosomissa 15q11-Q13 ja on litteroitu samaan suuntaan. Genomiikka 26:258-64
HOLM V, CASSIDY SB, Butler MG, HANCHETT JM, GREENSWAG LR, WHYMAN BY, GREENBERG F (1993) Prader-Willin syndrome: consensus diagnostic criteria. Pediatrics 91: 398-402
HOPPE PC, ILLMENSEE K (1977) tuotti Mikrokirurgisesti homotsygoottis-diploidisia uniparentaalihiiriä. Proc Natl Acad Sci USA 74: 5657
KISHINO T, LALANDE M, WAGSTAFF J (1997) UBE3A/E6AP-mutaatiot aiheuttavat Angelmanin oireyhtymän. Nat Genet 15:70-73
KNOLL JHM, NICHOLLS RD, MAGENIS RE, GRAHAM JM Jr, Lalande M, LATT SA (1989) Angelmanilla ja Prader-Willin oireyhtymillä on yhteinen kromosomi 15: n deleetio, mutta ne eroavat vanhemmasta deleetion alkuperästä. Am J Med Genet 32: 285-90
KNOLL JH, CHENG SD, LALANDE M (1994) allele specificity of DNA replikation timing in the Angelman/Prader-Willi syndrome imprinted chromosomal region. Nat Genet. 6:41-6
KUBOTA T, Sutcliffe JS, ARADHYA S, GILLESSEN-KAESBACH G, CHRISTIAN SL, HORSTHEMKE B, BEAUDET AL, LEDBETTER DH (1996) Validation studies of SNRPN metylation as a diagnostic test for Prader-Willi syndrome. Am J Med Genet 66: 77-80
Kuwano a, MUTILANGURA A, DITTRICH B, BUITING K, HORSTHEMSKE B, SAITOH S, NIIKAWA N, LEDBETTER SA, GREENBERG S, CHINAULT AC, LEDBETTER DH (1992) Molecular dissection of the Prader-Willi/Angelman syndrome region (15q11q13) by YAC cloning and FISH analysis. Hum Molec Genet 1:417-425
LEDBETTER DH, ENGEL E (1995) Uniparental disomy in humans: painatuskartan kehittäminen ja sen vaikutukset raskaudenaikaiseen diagnoosiin. Hum Mol Genet 4:1757-1764
LEE s-T, NICHOLLS Rd, STRUNK KM, BUNDEY s, LAXOVA R, MUSARELLA M, SPRITZ Ra (1994) Mutations of the P geeni in type II oculocutaneous albinism, Prader-Willi plus albinism and ”autosomal resessive albinism” 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 TYPUCATING mutations in E6-ap ubiquitin-protein ligase Gene (Ube3a) in Angelman Syndrome. Nat Genet 15:74-77
MURALIDHAR B, MARNEY A, BUTLER MG (1999) Analysis of imprinted genes in subjects with Prader-Willi syndrome and chromosome 15 disorderances. Genetics in Medicine 1: 141-145
NICHOLLS RD (1993) Genomic imprinting and uniparental disomy in Angelman and Prader-Willin syndrome: a review. Am J Med Genet 46: 16-25
NICHOLLS RD (1994) New insights reveal complex mechanisms in genomic imprinting. Am J Hum Genet 54:733-740
OHTA T, GRAY TA, ROGAN PK, BUITING K, GABRIEL JM, SAITOH s, MURALIDHAR B, BILIENSKA B, KRAJEWSKA-WALASEK M, DRISCOLL DJ, HORSTHEMSKE B, BUTLER MG, NICHOLLS Rd (1999) Imprinting-mutation mechanism in Prader-Willin syndrooma. Am J Hum Genet 64: 397-413
REPETTO GM, WHITE LM, BADER PJ, JOHNSON D, KNOLL JH (1998). Kromosomialueen 15q11q13 interstitiaaliset kahdennukset: kliininen ja molekyylitason karakterisointi. Am J Med Genet 79:82-8
ROBINSON WP, HORSTHEMSKE B, LEONARD S, MALCOLM s, MORTON C, NICHOLLS RD, RITHCHIE RJ, ROGAN PK, SCHULTZ R, SHARP J, TRENT R, WEVRICK R, WILLIAMSON N, KNOLL JHM (1997) Report of The third international workshop on human chromosome 15 mapping 1996. Cytogenet Cell Genet 76: 1-13
ROUGEULLE C, GLATT H, LALANDE M (1997) Angelmanin oireyhtymän geeni UBE3A/E6AP on painettu aivoihin. Nat Genet 17: 14-15
SAPIENZA C, HALL JG (1995) Genetic imprinting and human disease. Vuonna: SCRIVER CR, BEAUDET AL, SLY WS, VALLE D (eds) perinnöllisen sairauden metaboliset ja molekyylipohjaiset emäkset. 7.toim. Mc Graw-Hill. pp: 437-458
VU TH, HOFFMAN AR (1997) Angelmanin syndrooman geenin UBE3A: n painatus rajoittuu aivoihin. Nat Genet 17: 12-13
WEBB T (1994) Inv dup (15) supernumeraariset merkkikromosomit. J Med Genet 31: 585-594
WILLIAMS CA, ANGELMAN H, CLAYTON-SMITH J, DRISCOLL DJ, HENDRICKSON JE, KNOLL JH, MAGENIS RE, SCHINZEL a, WAGSTAFF J, WHIDDEN EM (1995). Angelmanin oireyhtymä: diagnostisten kriteerien konsensus. Angelmanin Syndroomasäätiö. Am J Med Genet 56: 237-8
WOLPERT CM, MENOLD MM, PASS MP, QUMSIYEH MB, DONNELLY SL, RAVAN SA, VANCE JM, GILBERT JR, ABRAMSON RK, WRIGHT HH, CUCCARO ML, PERICAK-VANCE MA (2000) kolme autistista häiriötä sairastavaa probandia ja isodisentrinen kromosomi 15. Am J Med Genet 96: 365-372