Экспансионные заболевания в неврологии и экспансии нуклеотидных повторов

Около 3% человеческого генома составляют тандемные нуклеотидные повторы (ТНП) - участки повторяющихся нуклеотидов, характеризующиеся вариабельностью длины и состава мотива в различных локусах ДНК. По своему месту в составе хромосомы ТНП делятся на несколько групп: сателлитные, минисателлитные и микросателлитные ДНК последовательности.  Сателлитные участки ДНК характеризуются очень большим количеством повторяющих нуклеотидов (в каждый повтор входит от 5 до 150 нуклеотидов), которые чаще всего располагаются в некодирующих теломерных и субтеломерных регионах хромосом. В случае с минисателитными ДНК последовательностями количество повторов варьирует в пределах 5-50 и размер каждого повтора в свою очередь может достигать 100 нуклеотидов. Микросателлитные регионы состоят из 5-30 повторов, каждый из которых содержит 1-5 нуклеотидов. Для всех типов ТНП характерна вариация длины мотива и количества повторов у разных людей.

В некоторых случаях экспансия нуклеотидных повторов в нестабильных участках генома может приводить к развитию болезней экспансии нуклеотидных повторов (БЭНП). Экспансией называется патологическое увеличение количества нуклеотидных последовательностей в нестабильных участках генома, приводящих к нарушению функции кодируемого белка и других протеинов. Так, в 1991 году впервые были описаны первые БЭНП: спинальная и бульбарная мышечная атрофия (болезнь Кеннеди) и синдром ломкой Х-хромосомы (синдром Мартина-Белла). На сегодняшний день обнаружено более 30 патологий, характеризующихся экспансией нуклеотидных повторов (Таблица 1).

Таблица 1. Распространенность различных форм БЭНП

Причинами появления экспансии называют образование аномальных и неклассических ДНК форм, таких как инвертированные повторы и «шпильки», триплекс и квадриплекс нуклеотидные пары. Данные структуры нарушают нормальную репликацию  ДНК, приводя к остановке репликационного аппарата или «проскальзованию» и дальнейшему увеличению количества повторов. Кроме этого было показано, что нарушение различных механизмов репарации и рекомбинации ДНК также приводит к появлению патологических экспансий.

Увеличение количества повторов может приводить к снижению синтеза и функциональной способности экспансионных белков, изменению структуры кодируемого белка и приобретению им нейротоксических свойств, а также развитию феномена РНК-токсичности. 

Снижение активности и концентрации белка, в гене которого происходит экспансия, характерна для таких БЭНП как болезнь Кеннеди, БАС/ФТД, синдрома ломкой Х-хромосомы и атаксии Фридрейха.

При появлении экспансии в кодирующем участке гена, увеличение количества повторов напрямую влияет на структуру белка. С этим связано выделение отдельных групп БЭНП: полиглутаминовые болезни, характеризующие увеличением количества CAG-повторов и, как следствие, аминокислоты глутамина в транслируемом белке, а также полиаланиновые болезни, характеризующиеся  увеличением количества кодонов, кодирующих аминокислоту аланин.

К полиглутаминовым болезням (поли-QБ) относятся болезнь Гентингтона, дентаторубропаллидолюисова атрофия, болезнь Кеннеди, а также спиноцеребеллярные атаксии (СЦА) 1,2,3,6,7,17 типов. Заболевания данного типа характеризуются приобретением измененным белком нейротоксических свойств, снижением функциональной способности данного белка. Было доказано, что полиглутаминовые белки способны нарушать функционирования ряда факторов транскрицпии, вызывать митохондриальную дисфункцию, изменять кальциевый гомеостаз и индуцировать эксайтотоксичность, а также нарушать цитоархитектонику и аксональный транспорт нейрона. Кроме этого, на примере белка гентингтина, изменяющегося при БГ, было показано, что N-концевой полиглутаминовый фрагмент является нейротоксическим элементом. Характерным патоморфологическим признаком поли-QБ является образование внутриклеточных нерастворимых агрегатов, которые могут располагаться в цитоплазме и/или в ядре. Считается, что агрегаты представляют собой секвестранты экпансионных белков, молекулярных шаперонов и компонентов убиквинтин-протеосомной системы. Белковые отложения могут приводить к нарушению функционирования убиквинтин-протеосомной системы, системы внутриклеточного транспорта, системы кальциевого гомеостаза, а также к накоплению в них регуляторов экспрессии других белков (CREBBP, TAFII130, SP1, TP53) через аберрантное взаимодействие с ними. Не смотря на это,  до сих пор не ясно, являются ли данные белковые секвестранты механизмом защиты нейрона или причиной, вызывающей их смерть. Так, в экспериментальных моделях СЦА 1 и 7 типов было показано, что образование агрегатов играло нейропротективную роль.

В основе патогенеза ряда БЭНП лежит феномен РНК-токсичности, который возникает при появлении экспансии в некодирующих, но в транскрибирующихся участках генома. Данный патогенез характерен для миотонической дистрофии 1 типа, миотонической дистрофии 2 типа, бокового амиотрофического склероза/фронтотемпоральной деменции, синдрома тремор/атаксии, СЦА 8,10,12,36 типов, гентингтоноподобного заболевания 2 типа. В основе патогенетического механизма феномена РНК-токсичности лежит аберрантное связывание различных аффинных к РНК белков с экспансионной РНК, что ведет к дисрегуляции их функции. Так, было показано, что в случае с МД1 экспансионная РНК притягивает к себе и нарушает нормальную функцию таких  факторов сплайсинга, как CUGBP1, CELFи MBNL. Это, в свою очередь, приводит к нарушению сплайсинга и функции 13 пре-мРНК, в том числе и гена каналов Cl(CLC1), сердечного тропонина T и рецептор инсулина, что объясняет широкий спектр проявлений МД1.          

Для БЭНП характерны ряд специфических признаков. Для многих из них существует прямая корреляция между количеством повторов в участке экспансии и тяжестью течения болезни, а также обратная корреляция со временем начала первых симптомов. Это связывают с более глубоким нарушением функции белка и с его повышенной нейротоксичностью при увеличении количества нуклеотидных повторов. В связи с этим для каждой формы БЭНП существуют референтные значения количества повторов. При нормальном количестве повторов диагноз исключен; риск развития болезни у пациента отсутствует, а риск развития болезни у последующего поколения крайне низок. При умеренном увеличении количества повторов диагноз исключен; риск развития болезни у пациента отсутствует, но имеется риск развития болезни у последующего поколения. При умеренной экспансии диагноз болезни подтвержден, но наблюдается легкая форма болезни с поздней манифестацией или классическая форма; имеется высокий риск развития заболевания в будущем у бессимптомных носителей, а также высокий риск развития болезни у последующего поколения. При выраженной экспансии диагноз болезни подтвержден; болезнь обязательно разовьется у бессимптомных носителей, а также имеется высокий риск развития болезни у последующего поколения.

Также для БЭНП специфичен так называемый феномен Шермана, который  подразумевает возможность увеличения количества повторов в каждом последующем поколении в зависимости от того, кто из родителей передал экспансию или аллель с умеренным увеличение количества повторов потомкам (Таблица 2).  

Кроме этого для БЭНП характерен феномен антиципации, что связано с динамическим увеличением количества повторов в последующих поколениях при наличии у предка экспансии или умеренного увеличения количества повторов. Антиципацией называют утяжеление клинических проявлений заболевания в последующих поколения (более ранняя манифестация, быстрое прогрессирование, появление более тяжелых симптомов).