Генетический импринтинг на примере синдрома Прадера-Вилли и синдрома Ангельмана

Российский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра биологии 
 
 
 
 

Генетический  импринтинг на примере синдрома Прадера-Вилли  и синдрома Ангельмана.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Студентка I курса

Педиатрического факультета

Группа  №136

Перегудова  Наталия Анреевна.

Научный руководитель: Гильдиева Белла Сабировна.

-Москва.2009-

Содержание:

1. Введение …………………………………………………………..…………….стр. 3
2. Явление генетического импринтинга. Изучение процесса …………………стр. 4
3. Синдром Прадера-Вилли. ………………..……………………….……….......стр. 7
4. Синдром Ангельмана. ………………….……………………………………..стр. 11
5. Заключение…………………………………………………………………….стр. 14
6. Приложения …………………………………………………………………...стр. 15
7. Библиография ………………………. ………………………………………..стр. 18

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение:

     Генетика  наряду с морфологией, физиологией  и биохимией – теоретический  фундамент современной медицины. Медицинская генетика изучает роль наследственности в патологии человека, закономерности передачи от поколения  поколению наследственных болезней, разрабатывает методы диагностики, лечения, профилактики наследственной патологии, включая болезни с  наследственной предрасположенностью. Как теоретическая и клиническая  дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно расширяться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая  генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая  генетика. Клиническая генетика в  строгом смысле слова – прикладной раздел медицинской генетики, то есть она решает такие проблемы, как: постановка диагноза, лечение больного, прогноз  и профилактика рождения ребёнка  с патологией.

     Основное  внимание в генетике всегда уделялось  гену. Благодаря комплексному подходу  к изучению генов (от фенотипа на уровне организма до расшифровки нуклеотидной последовательности) накопилась обширная информация о строении и функции  генов. На основе данных последних исследований обнаружено, что в геноме человека чуть более 30 000 генов. Гены человека более комплексные, чем у других изученных организмов (например, у дрозофилы). Благодаря альтернативному сплайсингу, одна и та же последовательность ДНК может кодировать не один, а несколько разных полипептидов.

     Как известно, одним из основных правил наследования признаков является правило  эквивалентности реципрокных скрещиваний, то есть равнозначной функции аллеля, полученного от отца или от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться. Функции генов взаимосвязаны  и могут изменяться вплоть до дифференциального  выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такие случаи наследования объясняют генетическим импринтингом.   
 
 
 

Явление генетического импринтинга. Изучение процесса.

Генетический  импринтинг – эпигенетический процесс, дифференциально «маркирующий»  локусы хромосом одного из родителей, что приводит к выключению экспрессии генов, в них расположенных. Следовательно, в участках генома, подверженных импринтингу, обнаруживается моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов, то есть (если импринтирован  материнский  ген) экспрессируется только отцовский, и ноборот. Неэквивалентный вклад  родителей в геном потомства  обусловливает отклонение от менделеевских  законов, согласно которым вклад  каждого из родителей в наследственность потомков равнозначен. Таким образом, фенотипические проявления конкретного  гена могут меняться вследствие 3 причин:

1. Делеция генов,
2. Мутация генов,
3. Эпигенетическое выключение экспрессии. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства. Механизмом импринтинга наиболее вероятно является специфическое метилирование цитозиновых оснований ДНК, которое выключает транскрипцию гена.

Известно  около 30 генов в геноме человека, подверженных импринтингу и имеющих  тканеспецифичную моноаллельную экспрессию, а также 3 кластера генов, локализованных в хромосомах 7q32, 11p15, 15q. Они имеют прямое отношение к наследственной патологии (опухоли, синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана и др.).

Суть  генетического импринтинга состоит  в том, что хромосомы половых  клеток (сперматозоидов или яйцеклеток) индивида приобретают «отпечаток»  его пола. Потомство получает один набор хромосом с отцовской маркировкой  некоторых генов, а другой - с материнской. При образовании у потомка  половых клеток прежний «отпечаток»  стирается и эти гены маркируются  в соответствии с полом данной особи.

Интерес к признакам, подверженным действию геномного импринтинга, был вызван главным образом опытами Дж.Макграта и Д.Солтера из Вистаровского института анатомии и биологии в Филадельфии, а также М.Сурани и его коллег из Института физиологии животных в Кембридже (Великобритания). Макграт и Солтер разработали изящный микрохирургический метод переноса клеточных ядер мышиных эмбрионов, который позволил физически заменять генетическую информацию одной особи на аналогичную информацию от другой особи. Этот метод основан на том, что после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом зигота некоторое время не делится и ядра яйцеклетки и сперматозоида существуют в ее цитоплазме автономно друг от друга. Оба ядра хорошо видны в световом микроскопе, для них характерны определенные размеры и локализация.

С помощью  тончайших стеклянных капилляров из оплодотворенной яйцеклетки избирательно удаляли ядро либо яйцеклетки, либо сперматозоида (либо оба). Затем вместо удаленного ядра в клетку вводили  ядро из другой оплодотворенной яйцеклетки. Было установлено, что если заменяется ядро яйцеклетки на ядро другой яйцеклетки или же ядро сперматозоида — на ядро другого сперматозоида, то эмбрионы развиваются полностью и выросшие из них особи неотличимы от нормальных мышей той же линии.

Метод переноса дает возможность создавать  необычные по генетической конституции  эмбрионы, у которых оба набора хромосом унаследованы от одной родительской особи. Макграт, Солтер и Сурани получили гиногенетических (т. е. имеющих два  полных набора материнских хромосом) и андрогенетических (т. е. имеющих  два набора отцовских хромосом) эмбрионов  и сравнили их развитие с развитием  нормальных эмбрионов.

Важно отметить, что в этих экспериментах  использовались инбредные линии, поддерживавшиеся в течение многих поколений, так  что самцы и самки обладали идентичными наборами хромосом (за исключением, конечно, Х- и У-хромосом). Если развитие эмбриона зависит только от набора его генов, то теоретически не имеет значения, что особь получает все гены от одного родителя, а не от двух, т. е. гиногенетические, андрогенетические  и нормальные мыши должны развиваться  одинаково. Реципрокные скрещивания выявляют, зависит ли данный признак от того, кто из родителей - мать или отец - передал потомству ген, определяющий этот признак. В действительности эти три группы животных развивались совсем не одинаково. Эмбрионы с двумя наборами хромосом от одной и той же родительской особи — самца или самки — не развиваются до конца. Обычно их развитие останавливается на ранней стадии, когда тело эмбриона состоит всего из нескольких десятков клеток. Если же развитие все-таки продолжается, что иногда случается, то у гиногенетических и андрогенетических особей имеют место поразительно различные аномалии. У гиногенетических эмбрионов, достигших наибольшего развития, в теле эмбриона наблюдались незначительные аномалии, однако их плаценты и желточные мешки (эти структуры необходимы для питания эмбриона) оказались сильно недоразвитыми. А у наиболее развитых андрогенетических эмбрионов, наоборот, желточные мешки и плаценты были почти нормальными, а тела — мелкими и слабо развитыми.

Поскольку у гиногенетических, андрогенетических  и нормальных эмбрионов последовательности нуклеотидов хромосомной ДНК  не различались, Макграт, Солтер и Сурани заключили, что гены были каким-то образом  модифицированы и несли «отпечаток»  пола той особи, от которой они  унаследованы. По-видимому, в результате этого геномного импринтинга  избирательно инактивируются определенные гены, которые в норме функционируют  в ранний период эмбрионального развития. Среди генов, унаследованных от отца, не проявляли активности некоторые  гены, управляющие эмбриональным  развитием; гены, важные для образования  желточного мешка и плаценты, оказывались  неактивными, если были получены от матери.

Воодушевленные  открытиями Макграта, Солтера, Сурани и Кэттанака исследователи в  нескольких лабораториях пытались установить, не является ли механизмом геномного  импринтинга непосредственная модификация  ДНК. Действительно, эксперименты во многих случаях показали, что определенные гены метилированы по-разному в зависимости от того, получены они от матери или от отца, а также что эти модификации ДНК могут исчезать. Геномный импринтинг можно считать особым случаем модификации доминантности. Для генов-модификаторов, которые управляют геномным импринтингом, постулируется лишь одно необычное свойство: у самцов и самок они должны работать по-разному. 
 
 
 
 
 
 
 

Синдром Прадера-Вилли.

На сегодняшний день синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана служат общепринятой моделью для изучения новых в клинической генетике и сложных явлений - геномного импринтинга и унипарентальной дисомии.

Унипарентальная (однородительская) дисомия - наследование обеих хромосом только от одного из родителей. В течение многих лет  считалось, что такое наследование невозможно. Лишь с помощью молекулярно-генетических маркеров удалось доказать возможность  однородительской дисомии. Природа  унипарентальной дисомии окончательно не выяснена, однако установлено, что  она обязана своим происхождением ряду генетических и биохимических  нарушений.

Следует отметить, что с помощью обычного исследования хромосомного состава  кариотипа выявить микроделецию или унипарентальную дисомию  невозможно. Для этого применяются  специальные цитогенетические и  молекулярно-генетические методы - прометафазный  анализ, использование ДНК-маркеров определенных участков хромосомы 15 (исследование процессов метилирования) и др.

Установлено, что синдром Прадера - Вилли может  быть обусловлен двумя основными  механизмами. Первый из них - микроделеция хромосомы 15 (15q11.2-q13), которая всегда отцовского происхождения. Второй - материнская  изодисомия, т.е. когда обе хромосомы 15 получены от матери. Развитие синдрома Ангельмана, наоборот, связано с  микроделецией того же участка хромосомы 15, но материнского происхождения, или  отцовской изодисомией. Возможные  механизмы представлены на схеме (рис. 1). Большинство (около 70%) случаев синдрома Прадера - Вилли обусловлено микроделецией, остальные - дисомией. При этом обращает на себя внимание отсутствие клинических различий между больными с микроделецией и изодисомией.

Синдром Прадера-Вилли описали в 1956 году исследователи Андреа Прадер, Хайнрих  Вилли, Алексис Лабхарт, Эндрю Зиглер и Гвидо Фанцони в Швейцарии.  Синдром встречается с частотой 1:12000-15000 живорожденных младенцев.

Для данного  синдрома до рождения характерны низкая подвижность плода и часто  его неправильное положение (в 10-40 % случаев наблюдается ягодичное  предлежание). Дети с синдромом Прадера - Вилли обычно рождаются доношенными  с незначительной внутриутробной гипотрофией  и нередко в асфиксии (недостаток кислорода, удушье).

В течение  заболевания можно выделить две  фазы: первая - свойственна детям 12-18 мес жизни. Она характеризуется  выраженной мышечной гипотонией, снижением  сосательных и глотательных  рефлексов, что затрудняет кормление ребенка. Вторая - наступает позже, через несколько  недель или месяцев. Мышечная гипотония  постепенно уменьшается и к школьному  возрасту почти полностью исчезает. Стопы и кисти больных диспропорционально маленькие - акромикрия. У детей отмечается гипогонадизм (у мальчиков - гипоплазия (недоразвитие) полового члена, мошонки, крипторхизм, а у девочек - недоразвитие половых губ и в 50% случаев - матки).Рост больных нередко снижен. У 75% детей наблюдается гипопигментация кожи, волос и радужки. Часто диагностируется микроцефалия. Психомоторное развитие отстает от возрастной нормы - коэффициент интеллектуального развития - от 20 до 80 ед. (при норме 85-115 ед.). Речь затруднена, словарный запас уменьшен. Больные доброжелательны, настроение характеризуется частой сменой. Описаны нарушения координации, судороги, страбизм (косоглазие).Встречаются и другие аномалии: микродонтия, гипоплазия хрящей ушных раковин, сколиоз, эктропион (выворот века), глаукома. Нередко развитие сахарного диабета, который с возрастом имеет тенденцию к улучшению. При морфологическом исследовании мозга и ЯМР-томографии могут наблюдаться (примерно в 12% случаев) кисты червя мозжечка, аномалии коры головного мозга. Согласно данным литературы, патогенез синдрома Прадера - Вилли до настоящего времени остается малоисследованным. Высказываются предположения, что ожирение у больных обусловлено значительным (более чем в 10 раз) усилением синтеза жира из ацетата и крайне низкими процессами липолиза.