Genomic imprinting and human chromosome 15

GABRIELA M. REPETTO

Department of Pediatrics, Wydział Medycyny, na przykład Katolicki Uniwersytet Chile, Santiago

corresponding Author: Gabriela Repetto. Wydział pediatrii, wydział medyczny, P. Katolicki Uniwersytet Chile. Marcoleta 367, Santiago, Chile. Fax: (56-2) 638-4307. Telefon: (56-2) 354-3753. E-mail: [email protected]

Received: May 20, 2001. Accepted: 10 lipca 2001

streszczenie

imprintowanie genomowe jest zjawiskiem odwracalnym, które wpływa na ekspresję genów w zależności od ich pochodzenia rodzicielskiego. Najlepiej scharakteryzowanymi zaburzeniami człowieka wynikającymi ze zmiany procesu imprintingu są zespoły Angelmana i Pradera-Williego. Są one spowodowane brakiem aktywnych genów matki lub ojca, odpowiednio, z regionu chromosomu 15q11q13. Większość przypadków powstaje w wyniku delecji śródmiąższowych. Dokonujemy przeglądu dowodów, że inne powszechne zmiany cytogenetyczne tego regionu, śródmiąższowe i nadliczbowe duplikacje, mogą być wzajemnymi produktami delecji i są również dotknięte zjawiskiem imprintingu, biorąc pod uwagę przewagę duplikacji matczynych u pacjentów stwierdzonych z powodu opóźnień rozwojowych lub cech autystycznych.

kluczowe terminy: chromosom 15; delecje/duplikacje chromosomu 15; Genomic imprinting

Genomic imprinting

Genomic imprinting jest zjawiskiem epigenetycznym, które powoduje ekspresję różnicową alleli w zależności od ich pochodzenia rodzicielskiego. Chociaż ta cecha była dobrze znana biologom od lat w różnych modelach zwierzęcych, a zwłaszcza poprzez eksperymenty z transplantacją pronuklearną, jej kliniczne konsekwencje u ludzi dopiero niedawno zaczęły być wyjaśniane (Hoppe and Illmensee 1977, Sapienza and Hall 1995). Szacuje się, że mniej niż 1% ludzkiego genomu podlega imprintingowi i zidentyfikowano kilka klastrów imprintowanych genów. Istnieją dowody na to, że proces preferencyjnego wyciszania alleli zachodzi podczas mejozy, pośredniczy w metylacji DNA, a także w różnicach czasowych replikacji specyficznych dla alleli i jest „resetowany” w każdym pokoleniu (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter and Engel 1995). Proces imprintingu i jego zmiany są obecnie znane jako udział w kilku zaburzeniach u ludzi, w tym niektórych rodzajach raka; niniejszy przegląd skupi się wyłącznie na nadrukowanym regionie chromosomu 15q11q13.

region ludzkiego chromosomu 15q11q13

jeden z najlepiej scharakteryzowanych regionów ludzkich znajduje się w proksymalnym długim ramieniu chromosomu 15. Kilka genów zostało zidentyfikowanych w tym regionie, a co najmniej siedem genów i transkryptów jest znanych tylko z kopii ojcowskiej: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 i PAR5 (Robinson i wsp.1997, Cassidy i wsp. 2000). Wykazano, że tylko jeden gen w tym regionie, UBE3A, ulega ekspresji wyłącznie z allelu matki (Kishino i wsp.1997, Matsuura i wsp. 1997), a ta ekspresja różnicowa jest szczególnie widoczna w mózgu (Rougeulle C i wsp. 1997, Vu i Hoffman 1997). Badania na myszach wykazały ekspresję UBE3A tylko u matki w określonych częściach mózgu, takich jak komórki Purkinjego, regiony hipokampa i nerw węchowy (Albrecht i wsp.1997). Ponadto badania pacjentów z małymi delecjami lub translokacjami wykazały obecność ośrodka imprintingowego działającego w systemie cis (Ohta i wsp.1999). Jeden gen z tego regionu, Gen P, biorący udział w biosyntezie melaniny, jest wart wzmianki ze względu na nieprawidłowości pigmentowe obserwowane u niektórych pacjentów ze zmianami cytogenetycznymi tego regionu (patrz poniżej) (Lee i wsp.1994).

zaburzenia u ludzi spowodowane efektem imprintingu chromosomu 15

„brak aktywnych genów”: Zespoły Angelmana i Pradera-Willi

kliniczne konsekwencje procesu imprintingu i jego wad zostały po raz pierwszy opisane u pacjentów z zespołami Angelmana (AS) I Pradera-Willi (PWS), dwoma fenotypowo odrębnymi przyczynami upośledzenia umysłowego (MR). Pacjenci z AS mają ciężki MR, brak lub minimalna mowa, drgawki, ataksowy chód, napady nadmiernego śmiechu, mikrognathia, aw niektórych przypadkach hipopigmentacja (Williams i wsp.1995). Natomiast u pacjentów z zespołem PWS występuje hipotonia Centralna noworodka, łagodne upośledzenie funkcji poznawczych, hiperfagia początku dzieciństwa powodująca otyłość, hipogonadyzm hipogonadotropowy, małe dłonie i stopy, charakterystyczne rysy twarzy, a niektóre mają również hipopigmentację (Holm i wsp.1993). Oba zespoły, które wyraźnie różnią się cechami fenotypowymi, mają wspólną etiologię: około 70% pacjentów ma delecję 15q11q13, Zwykle wykrywalną za pomocą technik takich jak fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (Fish) (Cassidy i wsp.1996, 2000). Delecje dotyczą odziedziczonej przez matkę kopii u osób z AS, podczas gdy osoby z PWS mają delecje Ojcowskiego allelu (Knoll i wsp.1989). Uważa się, że przyczyną hipopigmentacji jest delecja genu P. Analiza molekularna delecji wykazała, że większość pacjentów ma wspólny usunięty region o wielkości około 4Mb, z proksymalnymi punktami przerwania między markerami d15s18 i D15S541 lub między d15s541 i D15S543 oraz dystalnymi punktami przerwania między d15s12 i D15S24 (Kuwano i wsp.1992, Christian i wsp. 1995, Amos-Landgraf i wsp. 1999). Takie grupowanie punktów przerwania sugeruje niestabilność regionu.

prawie 30% pacjentów z PWS i 10% pacjentów z AS ma jednoparentalną disomię (UPD) chromosomu 15, która jest dziedziczeniem obu homologów od tego samego rodzica (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Ta nieprawidłowość wydaje się wynikać z trisomii lub monosomii ratowania i prowadzi do braku normalnego biparentalnego udziału genów w tym regionie (Ledbetter and Engel 1995). Disomię jednokierunkową rutynowo ocenia się w laboratoriach klinicznych za pomocą analizy mikrosatelitarnej lub oceny statusu metylacji za pomocą PCR typu Southern blot lub metylation-specific (Cassidy i wsp.1996, Kubota i wsp. 1996).

oba mechanizmy, mikrodelecje i UPD, wydają się być sporadycznymi zdarzeniami o niskim ryzyku nawrotu u rodzeństwa chorych pacjentów. Odnotowano kilka przypadków nawracających AS i PWS w rodzinach. Podstawowymi mechanizmami były albo imprinting center mutations lub delecje w PWS (Buiting i wsp. 1994 i Ohta i wsp.1999), a w rzeczywistości mutacje matczynej kopii UBE3A w przypadkach AS (Kishino i wsp. 1997, Matsuura i wsp. 1997) zgodne z poglądem, że ten ostatni jest stanem monogenicznym. Gdy matka jest nosicielem mutacji, ryzyko dla jej potomstwa posiadania AS wynosi 50%. Jak wspomniano powyżej, UBE3A, który koduje białko zaangażowane w ubikwitynację, jest jedynym znanym genem z regionu, który jest wyrażany wyłącznie z kopii matki. Nie jest jasne, czy fenotyp PWS jest spowodowany brakiem jednego czy kilku genów; obecnie uważa się, że odpowiada on zespołowi przylegającego genu. Podsumowując, brak udziału genów ojcowskich w regionie powoduje PWS, brak genów matczynych powoduje fenotyp AS, a kilka mechanizmów może wyjaśnić te zjawiska.

„dodatkowe geny”: nadliczbowe i śródmiąższowe duplikacje

Inne rearanżacje mogą wpływać na ten region chromosomowy, najczęściej są duplikacje, które mogą być nadliczbowe lub śródmiąższowe. Nadliczbowe duplikacje są często spotykane jako bisatelited dicentric chromosome 15 (dic (15)). Są to jedne z najczęstszych markerów nadliczbowych, stanowiące 50% tych znalezionych podczas rutynowego kariotypowania (Webb 1994). Opierając się na obecności lub braku genów ze wspólnego regionu AS / PWS, markery te można podzielić na małe i duże dic (15)S, które również różnią się w ich skutkach klinicznych (Webb 1994). Małe dic (15)S mogą być rodzinne i w większości przypadków są związane z normalnymi fenotypami, ale duże dic (15)S są zwykle obserwowane u pacjentów z opóźnieniami rozwojowymi i autyzmem lub cechami autystycznymi, zwykle towarzyszy im inne odkrycia, takie jak hipotonia, drgawki i charakterystyczny wygląd twarzy. Analizy molekularne tych markerów wykazały, że małe dic (15) mają punkty przerwania podobne do punktu przerwania delecji proksymalnej, jak opisano powyżej, między D15S18 i D15S541 lub D15S541 i D15S543. Na ogół nie zawierają dodatkowych kopii odciśniętych genów i mogą być zarówno pochodzenia matczynego, jak i Ojcowskiego. W przeciwieństwie do tego, istnieje szersza zmienność wielkości dużego dic (15)s, z niektórymi rozszerzeniami do wspólnego dystalnego punktu przerwania delecji między D15S12 i D15S24, ale z pewnymi znacznikami jeszcze większego rozszerzenia (Cheng i wsp. Oznacza to, że pacjenci ci mają tetrasomię genów z nadrukowanego regionu. Co zaskakujące, większość zgłaszanych pacjentów ma dic (15) s pochodzące z chromosomów matczynych, większość pochodzi z obu homologów, co sugeruje, że pochodzą one z mejozy I (Wolpert i wsp.2000). Brak badań ekspresji genów, prawdopodobnie z powodu braku wyłącznie matczynych aktywnych genów, które można by ocenić we krwi lub innych próbkach. Jedno z ostatnich badań z użyciem RT-PCR wykazało widoczny nadmiar transkryptu SNRPN u osoby z dużym dic (15) i cechami autystycznymi w porównaniu do sekwencji kontrolnych, co sugeruje, że nadmiar genów może być w stanie uciec przed procesem imprintingu (Muralidhar et al 1999). Związek tego odkrycia z fenotypem poznawczym jest niejasny.

badania osób z duplikacjami śródmiąższowymi, które prowadzą do trisomii dla genów w regionie również wykazują punkty przerwania, które są podobne do delecji. Pacjenci z duplikacjami matczynymi zostali zidentyfikowani w trakcie oceny opóźnień rozwojowych i wydaje się, że duplikacje ojcowskie są bezobjawowe (Cook i wsp.1997, Repetto i wsp. 1998).

przewaga duplikacji dziedziczonych przez matkę sugeruje, że zdarzenia, które prowadzą do duplikacji, są albo bardziej powszechne podczas mejozy u kobiet, albo że istnieje tendencja do stwierdzania, która może być spowodowana normalnym lub łagodniejszym fenotypem lub wczesną śmiertelnością duplikacji pochodzących od ojca. Badania pacjentów ustalone w sposób bezstronny, na przykład podczas diagnozy prenatalnej, pomogą wyjaśnić znaczenie obserwacji.

wnioski

Imprinting jest złożonym zjawiskiem modyfikującym proste dziedziczenie Mendlowskie. Jego implikacje dla ludzi są dopiero niedawno rozpoznawane, szczególnie poprzez badania chorób, które wynikają z nieprawidłowości w normalnym procesie dziedziczenia dwuparentowego. Warto zauważyć, że opisane zmiany w regionie chromosomu 15q11q13 mają wspólne wartości graniczne, co sugeruje, że może istnieć wspólny mechanizm tych nieprawidłowości. Możliwe jest, że zmiany wynikają z nierównych zdarzeń krzyżowych w mejozie, a delecje i duplikacje są produktami wzajemnymi. Zostało to opisane w przypadku innych zaburzeń, takich jak Charcot-Marie-Tooth typu IA i dziedziczna neuropatia z odpowiedzialnością za porażenia ciśnieniowe na chromosomie 22 (Chance i wsp.1994). Klastry powtarzających się sekwencji zostały opisane w typowych punktach przerwania chromosomu 15, co czyni tę prawdopodobną hipotezę (Amos-Landgraf et al 1999).

jest również oczywiste, że zaburzenia te mają różny stopień dysfunkcji poznawczych, chociaż specyficzne fenotypy są zupełnie inne. Może to wynikać z grupowania genów kodujących receptory neuroprzekaźników, takich jak podjednostki receptora gamma aminomasłowego (Greger i wsp.1995, Cassidy i wsp. 2000). Nieprawidłowości cytogenetyczne chromosomu 15 są najczęstszą znaną przyczyną zaburzeń autystycznych. Ponadto badania wiązania u osób z tym i innymi pokrewnymi zaburzeniami bez nieprawidłowości cytogenetycznych wykazały pozytywne wyniki dla markerów w tym regionie, sugerując obecność genów podatności (Cook i wsp.1998). Oczywiście, znacznie więcej można się dowiedzieć o procesie imprintingu, jego implikacjach dla ludzkich chorób, a zwłaszcza opisywanych tutaj zaburzeń, które stanowią znaczną część przyczyn zaburzeń poznawczych.

ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, CATTANACH BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) Imprinted expression of the murine Angelman syndrome gene, Ube3a, in hippocampal and Purkinje neurons. 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) Chromosome breakage in the Prader-Willi and Angelman syndromes involves recombination between large, transcribed repeats at proximal and distal breakpoints. Am J Hum Genet 65: 370-386

BUITING K, SAITOH s, GROSS s, DITTRICH s, SCHWARTZ s, NICHOLLS RD, HORSTHEMSKE B (1994) in the Angelman and Prader-Willi syndromes define an imprinting center on human chromosome 15. 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-Willi and Angelman syndromes: siostrzane zaburzenia. Am J Med Genet 97: 136-146

CHANCE PF, ABBA SN, LESCH MN, PENTAO L, ROA BB, PATEL PI, LUPSKI JR (1994) Two autosomal dominant neuropathies result from mutual DNA duplication/delesion of a region on chromosome 17. 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, MUTIRANGURA a, LINE MR, NAKAO m, SURTI U, CHAKRAVARTI a, LEDBETTER DH (1995) Molecular characterization of two proximal delecja 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) autyzm lub atypowy autyzm u maternally but not paternally derived proximal 15Q duplication. 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 auistic 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) Gen podjednostki gamma-aminomasłowego receptora kwasu gamma 3 (GABRG3) jest ściśle związany z genem podjednostki Alfa 5 (GABRA5) na ludzkim chromosomie 15q11-q13 i jest przepisywany w tej samej orientacji. Genomika 26:258-64

HOLM V, CASSIDY SB, BUTLER MG, HANCHETT JM, GREENSWAG LR, WHYMAN BY, GREENBERG F (1993) Prader-Willi syndrome: consensus diagnostic criteria. Pediatrics 91: 398-402

HOPPE PC, ILLMENSEE K (1977) Microsurgically produced homozygous-diploid uniparental mice. Proc Natl Acad sci USA 74:5657

KISHINO T, LALANDE M, WAGSTAFF J (1997) mutacje UBE3A/E6AP powodują zespół Angelmana. Nat Genet 15:70-73

KNOLL JHM, NICHOLLS RD, MAGENIS RE, GRAHAM JM Jr, LALANDE m, LATT SA (1989) Angelman and Prader-Willi syndromes shares a common chromosome 15 delesion but different in parental origin of the delesion. Am J Med Genet 32: 285-90

KNOLL JH, CHENG SD, LALANDE m (1994) Allele specificity of DNA replication 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 methylation as a diagnostic test for Prader-Willi syndrome. Am J Med Genet 66: 77-80

KUWANO a, MUTIRANGURA 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) : opracowanie mapy imprintingowej i jej implikacje w diagnostyce prenatalnej. Hum mol Genet 4:1757-1764

LEE S-T, NICHOLLS RD, STRUNK KM, BUNDEY S, LAXOVA R, MUSARELLA m, SPRITZ RA (1994) mutacje genu P w typie II oculocutaneous albinism, Prader-Willi plus albinizm i „autosomalny recesywny albinizm” 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 truncating 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 aborms. Genetics in Medicine 1: 141-145

NICHOLLS RD (1993) Genomic imprinting and uniparental disomy in Angelman and Prader-Willi 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, BILIEŃSKA B, KRAJEWSKA-WALASEK m, DRISCOLL DJ, HORSTHEMSKE B, BUTLER MG, NICHOLLS RD (1999) imprinting-mutation mechanism in Prader-Willi syndrome. Am J Hum Genet 64: 397-413

REPETTO GM, WHITE LM, BADER PJ, JOHNSON D, KNOLL JH (1998). Interstitial duplications of chromosome region 15q11q13: clinical and molecular characterization. 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) The Angelman syndrome gene, UBE3A/E6AP, is imprinted in the brain. NAT Genet 17:14-15

SAPIENZA C, HALL JG (1995) Genetic imprinting and human disease. Na: SCRIVER CR, BEAUDET AL, SLY WS, VALLE D (eds) metaboliczne i molekularne podstawy choroby dziedzicznej. 7.ed. Mc Graw-Hill pp: 437-458

VU TH, HOFFMAN AR (1997) Imprinting of the Angelman syndrome gene, UBE3A, is restricted to the brain. Nat Genet 17: 12-13

WEBB T (1994) Inv dup (15) 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). Zespół Angelmana: konsensus dla kryteriów diagnostycznych. Fundacja Zespołu Angelmana. 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) Three probands with autystic disorder and isodicentric chromosome 15. Am J Med Genet 96: 365-372