genomisk imprinting och human kromosom 15
GABRIELA M. REPETTO
Institutionen för pediatrik, Facultad de Medicina, P. Universidad Cat Jacoblica de Chile, Santiago
motsvarande författare: Gabriela Repetto. Avd. av Pediatrik, Medicinska fakulteten, P. Universidad Cat Brasilienlica de Chile. Hotel Reservation System _ 2017 Brasilien
ABSTRACT
genomisk imprinting är ett reversibelt fenomen som påverkar uttrycket av gener beroende på deras föräldraursprung. De bäst karakteriserade mänskliga störningarna som härrör från en förändring av präglingsprocessen är Angelman och Prader-Willi syndrom. De beror på bristen på aktiva maternella respektive faderliga gener från kromosomregionen 15q11q13. De flesta fall uppstår via interstitiella raderingar. Vi granskar bevis för att andra vanliga cytogenetiska förändringar i denna region, interstitiella och supernumerära duplikationer, kan vara de ömsesidiga produkterna av borttagningarna och påverkas också av präglingsfenomenet, med tanke på övervägande av maternellt härledda duplikationer hos patienter som konstaterats på grund av utvecklingsförseningar eller autistiska egenskaper.
nyckeltermer: kromosom 15; kromosom 15 deletioner / duplikationer; genomic imprinting
Genomic imprinting
Genomic imprinting är ett epigenetiskt fenomen som resulterar i differentiellt uttryck av alleler beroende på deras föräldraursprung. Även om denna funktion har varit välkänd för biologer i flera år i olika djurmodeller och särskilt genom pronukleära transplantationsexperiment, har dess kliniska konsekvenser hos människor först nyligen börjat belysas (Hoppe och Illmensee 1977, Sapienza och Hall 1995). Det uppskattas att mindre än 1% av det mänskliga genomet är föremål för prägling, och flera kluster av präglade gener har identifierats. Det finns bevis för att processen med preferensdämpning av alleler sker under meios, förmedlas genom DNA-metylering, såväl som allelspecifika replikationstidsskillnader och ”återställs” i varje generation (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter och Engel 1995). Processen med prägling och dess förändringar är nu kända för att vara involverade i flera mänskliga störningar inklusive vissa typer av cancer; denna översyn kommer endast att fokusera på den präglade kromosomregionen 15q11q13.
Human kromosom 15q11q13-regionen
en av de bäst karakteriserade humana imprintade regionerna ligger i den proximala långa armen av kromosom 15. Flera gener har identifierats i denna region, och minst sju gener och transkript är kända för att vara aktiva endast från faderkopian: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 och PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Endast en gen i denna region, UBE3A, har visat sig uttryckas uteslutande från moderns allel (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997), och detta differentiella uttryck är särskilt tydligt i hjärnan (Rougeulle C et al 1997, Vu och Hoffman 1997). Murina studier har visat moderns enda uttryck av UBE3A i specifika delar av hjärnan, såsom Purkinje-celler, regioner i hippocampus och luktnerven (Albrecht et al 1997). Dessutom har studier av patienter med små deletioner eller translokationer visat närvaron av ett cis-verkande präglingscenter (Ohta et al 1999). En icke-imprinted gen från denna region, P-genen, involverad i melaninbiosyntes, är värt att nämna på grund av pigmentära abnormiteter som ses hos vissa patienter med cytogenetiska förändringar i denna region (se nedan) (Lee et al 1994).
mänskliga störningar på grund av präglingseffekter av kromosom 15
”saknade aktiva gener”: Angelman och Prader-Willi syndrom
de kliniska konsekvenserna av präglingsprocessen och dess defekter beskrevs först hos patienter med Angelman (AS) och Prader-Willi (PWS) syndrom, två fenotypiskt distinkta orsaker till mental retardation (MR). Patienter med AS har svår MR, frånvarande eller minimalt tal, anfall, ataxisk gång, anfall av överdrivet skratt, mikrognati och i vissa fall hypopigmentering (Williams et al 1995). Däremot har patienter med PWS neonatal central hypotoni, mild kognitiv försämring, hyperfagi vid barndomsuppkomst som resulterar i fetma, hypogonadotrop hypogonadism, små händer och fötter, karakteristiska ansiktsdrag och vissa har också hypopigmentering (Holm et al 1993). Båda syndromen, som tydligt skiljer sig åt i deras fenotypiska egenskaper, delar gemensamma etiologier: cirka 70% av patienterna har en deletion av 15q11q13, vanligtvis detekterbar med användning av tekniker såsom fluorescens in situ hybridisering (FISH) (Cassidy et al 1996, 2000). Raderingarna involverar den maternellt ärvda kopian hos individer med AS, medan de med PWS har raderingar av faderns allel (Knoll et al 1989). Raderingen av P-genen tros vara orsaken till hypopigmenteringen. Molekylär analys av borttagningarna har visat att de flesta patienter delar en gemensam borttagen region på cirka 4 MB, med proximala brytpunkter mellan markörer d15s18 och D15S541 eller mellan d15s541 och D15S543 och distala brytpunkter mellan D15S12 och D15S24 (Kuwano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Denna gruppering av brytpunkter tyder på instabilitet i regionen. nästan 30% av patienterna med PWS och 10% av de med AS har uniparental disomi (UPD) av kromosom 15, vilket är arvet från båda homologerna från samma förälder (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Denna abnormitet verkar bero på trisomi eller monosomi räddning och leder till frånvaron av det normala biparentala bidraget av gener i denna region (Ledbetter och Engel 1995). Uniparental disomi utvärderas rutinmässigt i kliniska laboratorier antingen genom mikrosatellitanalys eller genom utvärdering av metyleringsstatus, antingen med Southern blot eller metyleringsspecifik PCR (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996).
båda mekanismerna, mikrodeletioner och UPD, verkar vara sporadiska händelser med låg återfallsrisk för syskon till drabbade patienter. Vissa fall av återkommande AS och PWS i familjer har rapporterats. De underliggande mekanismerna har antingen präglat centrummutationer eller raderingar i PWS (Buiting et al 1994 och Ohta et al 1999) och i själva verket mutationer av moderns kopia av UBE3A i AS-fall (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) överensstämmer med uppfattningen att det senare är ett monogent tillstånd. När mamman är en mutationsbärare är risken för hennes avkomma att ha AS 50%. Som nämnts ovan är UBE3A, som kodar för ett protein som är involverat i ubiquitination, den enda kända genen från regionen som uttrycks enbart från moderkopian. Det är oklart om PWS-fenotypen beror på brist på en eller flera gener; den nuvarande tanken är att den motsvarar ett sammanhängande gensyndrom. Sammanfattningsvis resulterar en frånvaro av bidrag från fadergener i regionen i PWS, en frånvaro av maternellt aktiva gener resulterar i As-fenotypen, och flera mekanismer kan redogöra för dessa fenomen.
”Extra gener”: supernumerära och interstitiella duplikationer
andra omarrangemang kan påverka denna kromosomala region, den vanligaste är duplikationer, som kan vara antingen supernumerära eller interstitiella. De supernumerära duplikationerna finns ofta som bisatelliterad dicentrisk kromosom 15 (dic (15)). Dessa är en av de vanligaste supernumerära markörerna och står för 50% av de som hittades under rutinmässig karyotypning (Webb 1994). Baserat på närvaron eller frånvaron av gener från den gemensamma AS/PWS-regionen kan dessa markörer klassificeras i små och stora dic (15)s, som också skiljer sig åt i deras kliniska konsekvenser (Webb 1994). Små dic (15)s kan vara familjär, och i de flesta fall är förknippade med en normal fenotyper, men stora dic (15) S ses vanligen hos patienter med utvecklingsförseningar och autism eller autistiska liknande funktioner, vanligtvis tillsammans med andra fynd såsom hypotoni, kramper och karakteristiska ansiktsutseende. Molekylära analyser av dessa markörer har visat att den lilla dic (15) har brytpunkter som liknar den proximala raderingsbrytpunkten som beskrivits ovan, mellan D15S18 och D15S541 eller D15S541 och D15S543. De innehåller i allmänhet inte extra kopior av de präglade generna, och de kan vara antingen av moderns eller faderns ursprung. Däremot finns det en bredare variation i storleken på stora dic (15)s, med vissa som sträcker sig till den vanliga distala borttagningsbrytpunkten mellan D15S12 och D15S24, men med vissa markörer med ännu större förlängning (Cheng et al 1994). Detta innebär att dessa patienter har Tetrasomi för gener från den präglade regionen. Överraskande har de flesta av de rapporterade patienterna dic (15) som härrör från moderkromosomerna, majoriteten härrör från båda homologerna, vilket tyder på att de har sitt ursprung i meios I (Wolpert et al 2000). Genuttrycksstudier saknas, troligen på grund av frånvaron av uteslutande maternella aktiva gener som kan bedömas i blod eller andra prover. En ny studie med RT-PCR visade ett uppenbart överskott av transkript av SNRPN hos en individ med en stor dic (15) och autistiska egenskaper jämfört med kontrollsekvenser, vilket tyder på att överskottsgenerna kanske kan undkomma präglingsprocessen (Muralidhar et al 1999). Förhållandet mellan detta fynd och den kognitiva fenotypen är oklart.
studier av individer med interstitiella duplikationer som resulterar i trisomi för generna i regionen visar också brytpunkter som liknar deletionerna. Patienter med maternellt härledda duplikationer har identifierats under utvärderingen av utvecklingsförseningar, och det verkar som om faderliga duplikationer är asymptomatiska (Cook et al 1997, Repetto et al 1998).
övervägande av maternellt ärvda duplikationer tyder på att händelserna som leder till duplikationer antingen är vanligare under kvinnlig meios eller att det finns en förspänning av konstaterandet, vilket kan bero på en normal eller mildare fenotyp eller till tidig dödlighet av faderligt härledda duplikationer. Studier av patienter som fastställs på ett opartiskt sätt, till exempel under prenatal diagnos, kommer att bidra till att klargöra betydelsen av observationerna.
slutsatser
Imprinting är ett komplext fenomen som modifierar enkel Mendelian arv. Dess konsekvenser för människor erkänns först nyligen, särskilt genom studier av sjukdomar som härrör från avvikelser i den normala processen med biparental arv. Det är anmärkningsvärt att de beskrivna förändringarna av kromosomregionen 15q11q13 delar gemensamma brytpunkter, vilket tyder på att det kan finnas en gemensam mekanism för dessa avvikelser. Det är möjligt att förändringarna är resultatet av ojämlika övergångshändelser i meios, och att borttagningarna och dupliceringarna är ömsesidiga produkter. Detta har beskrivits för andra störningar, såsom Charcot-Marie-Tooth typ IA och ärftlig neuropati med ansvar för tryckpalsier i kromosom 22 (Chance et al 1994). Kluster av upprepade sekvenser har beskrivits i de vanliga brytpunkterna i kromosom 15, vilket gör detta till en trolig hypotes (Amos-Landgraf et al 1999).
det är också uppenbart att dessa störningar delar närvaron av varierande grad av kognitiv dysfunktion, även om de specifika fenotyperna är ganska olika. Detta kan bero på kluster av gener som kodar för neurotransmittorreceptorer såsom gamma amino butyric receptor subenheter (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Cytogenetiska abnormiteter av kromosom 15 är den enskilt vanligaste kända orsaken till autistisk störning. Dessutom har kopplingsstudier hos individer med denna och andra relaterade störningar utan cytogenetiska abnormiteter visat positiva resultat för markörer i denna region, vilket tyder på närvaron av känslighetsgener (Cook et al 1998). Det är uppenbart att mycket mer ska läras om präglingsprocessen, dess konsekvenser för mänsklig sjukdom och särskilt de störningar som beskrivs här som står för en betydande del av orsakerna till kognitiva funktionshinder.
ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, CATTANACH BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) Imprinted uttryck av den murina Angelman syndromgenen, Ube3a, i hippocampal och Purkinje neuroner. 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) kromosombrott i Prader-Willi och Angelman syndrom involverar rekombination mellan stora, transkriberade upprepningar vid proximala och distala brytpunkter. Am J Hum Genet 65: 370-386
BUITING K, SAITOH S, GROSS S, DITTRICH S, SCHWARTZ S, NICHOLLS RD, HORSTHEMSKE B (1994) ärvda mikrodeletioner i Angelman och Prader-Willi syndrom definierar ett präglingscenter på mänsklig kromosom 15. Nat Genet 9: 395-400
CASSIDY SB, BEAUDET AL, KNOLL JHM, LEDBETTER DH, NICHOLLS RD, SCHWARTZ S, BUTLER MG, WATSON M (1996) diagnostisk testning för Prader-Willi och Angelman syndrom: rapport från ASHG / ACMG-Test-och Tekniköverföringsutskottet. Am J Hum Genet 58:1085-1088
CASSIDY SB, DYKENS E, WILLIAMS CA (2000) Prader-Willi och Angelman syndrom: syster präglade störningar. Am J med Genet 97: 136-146
CHANCE PF, ABBA SN, LESCH MN, PENTAO L, ROA BB, PATEL PI, LUPSKI JR (1994) två autosomala dominerande neuropatier härrör från ömsesidig DNA-duplicering/radering av en region på kromosom 17. Hum Molec Genet 3: 223-228
CHENG s-D, SPINNER N, ZACKAI E, KNOLL JHM (1994) cytogenetisk och molekylär karakterisering av inverterad duplicerad kromosom 15 från 11 patienter. Am J Hum Genet 55:753-759
CHRISTIAN SL, ROBINSON WP, HUANG B, MUTIRANGURA A, linje MR, NAKAO M, SURTI U, CHAKRAVARTI A, LEDBETTER DH (1995) molekylär karakterisering av två proximala deletionsbrytpunktregioner i proximal i både Prader-Willi och 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) Autism eller atypisk autism i maternellt men inte faderligt härledd proximal 15Q dubbelarbete. 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) koppling-obalans kartläggning av autistisk störning med 15q11q13 markörer. 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-aminosmörsyrareceptorn gamma 3-subenhetsgenen (GABRG3) är tätt kopplad till Alfa 5-subenhetsgenen (GABRA5) på human kromosom 15q11-Q13 och transkriberas i samma riktning. Genomics 26:258-64
HOLM V, CASSIDY SB, BUTLER MG, HANCHETT JM, GREENSWAG LR, WHYMAN BY, GREENBERG F (1993) Prader-Willi syndrom: konsensusdiagnostiska kriterier. Pediatrik 91: 398-402
HOPPE PC, ILLMENSEE K (1977) mikrosurgiskt producerade homozygota diploida uniparentala möss. Proc Natl Acad Sci USA 74:5657
KISHINO t, LALANDE M, WAGSTAFF J (1997) UBE3A/E6AP-mutationer orsakar Angelmans syndrom. Nat Genet 15:70-73
KNOLL JHM, NICHOLLS RD, MAGENIS RE, GRAHAM JM Jr, LALANDE M, LATT SA (1989) Angelman och Prader-Willi syndrom delar en gemensam kromosom 15-radering men skiljer sig åt i föräldrarnas ursprung för raderingen. Am J med Genet 32: 285-90
KNOLL JH, CHENG SD, Lalande M (1994) Allelspecificitet av DNA-replikationstidpunkten i Angelman / Prader-Willi-syndromet präglat kromosomområde. Nat Genet. 6:41-6
KUBOTA t, SUTCLIFFE JS, ARADHYA S, GILLESSEN-KAESBACH G, CHRISTIAN SL, HORSTHEMKE B, BEAUDET AL, LEDBETTER DH (1996) valideringsstudier av SNRPN-metylering som ett diagnostiskt test för Prader-Willis syndrom. 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) Molekylär dissektion av regionen Prader-Willi/Angelman syndrom (15q11q13) genom YAC-kloning och FISKANALYS. Hum Molec Genet 1: 417-425
LEDBETTER DH, ENGEL E (1995) Uniparental disomi hos människor: utveckling av en präglingskarta och dess konsekvenser för prenatal diagnos. Hum Mol Genet 4:1757-1764
LEE S-t, NICHOLLS RD, STRUNK KM, BUNDEY S, LAXOVA R, MUSARELLA M, SPRITZ RA (1994) mutationer av p-genen i typ II okulokutan albinism, Prader-Willi plus albinism och ”autosomal recessiv 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 TRUNKERANDE mutationer i E6-ap ubiquitin-proteinligasgen (UBE3A) i Angelmans syndrom. Nat Genet 15:74-77
MURALIDHAR B, MARNEY A, BUTLER MG (1999) analys av präglade gener hos patienter med Prader-Willi-syndrom och kromosom 15-avvikelser. Genetik i medicin 1: 141-145
NICHOLLS RD (1993) genomisk imprinting och uniparental disomi i Angelman och Prader-Willi syndrom: en recension. Am J med Genet 46: 16-25
NICHOLLS RD (1994) nya insikter avslöjar komplexa mekanismer i genomisk prägling. Am J Hum Genet 54:733-740
OHTA T, grå 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-mutationsmekanism i Prader-Willis syndrom. Am J Hum Genet 64: 397-413
REPETTO GM, vit LM, BADER PJ, JOHNSON D, KNOLL JH (1998). Interstitiella duplikationer av kromosomregion 15q11q13: klinisk och molekylär karakterisering. 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) rapport från den tredje internationella workshopen om mänsklig kromosom 15 kartläggning 1996. Cytogenet Cell Genet 76: 1-13
ROUGEULLE C, GLATT H, LALANDE M (1997) Angelmans syndromgen, UBE3A/E6AP, är imprinted i hjärnan. Nat Genet 17: 14-15
Sapienza C, HALL JG (1995) genetisk prägling och mänsklig sjukdom. I: SCRIVER CR, BEAUDET AL, SLY WS, VALLE D (eds) de metaboliska och molekylära baserna av ärftlig sjukdom. 7: e upplagan. New York: Mc Graw-Hill. pp: 437-458
VU TH, HOFFMAN AR (1997) prägling av Angelmans syndromgen, UBE3A, är begränsad till hjärnan. Nat Genet 17: 12-13
WEBB T (1994) Inv dup (15) övertaliga markörkromosomer. 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). Angelman syndrom: konsensus för diagnostiska kriterier. Angelman Syndrome Foundation. Am J med Genet 56: 237-8
WOLPERT CM, MENOLD MM, passera MP, QUMSIYEH MB, DONNELLY SL, RAVAN SA, VANCE JM, GILBERT JR, ABRAMSON RK, WRIGHT HH, CUCCARO ML, PERICAK-VANCE MA (2000) tre proband med autistisk störning och isodicentrisk kromosom 15. Am J med Genet 96: 365-372