Экспансия повторов: парадоксы нестабильности

В 1943 была описана сцепленная с полом умственная недостаточность, поражающая в основном мужчин (синдром Мартина-Белл). В 1969 году обнаружено, что у многих пациентов в культуре клеток в условиях повышенного содержания фолатов Х-хромосома пациентов обладает повышенной ломкостью в определенном участке. В последующем этот участок был точно цитогенетически локализован в районе Xq27.3.

После синдрома Дауна синдром ломкой Х-хромосомы (или FraX — Fragile X) является наиболее частым наследственным дефектом, приводящим к умственной отсталости. У мужчин он встречается с частотой 1/1500 и в более легкой форме поражает и женщин с частотой 1/2500. В 1991 г данный ген было клонирован и обозначен как FMR1 (FraX Mental Retardation — умственная отсталость, связанная с ломкой Х-хромосомой). Молекулярный анализ показал, что необычные особенности наследования этого синдрома связаны с расположенным в гене блоком триплетных повторов CGG (Jordan В., 1991; Mandel J. L., Heitz, 1992; Reiss A. L., et. al., 1994).

Вначале полагали, что женщины, гетерозиготные по FraX хромосоме нормальны, но потом оказалось, что у 30% из них проявляется умственная отсталость. Одна из аномалий наследования этого дефекта носит название "парадокс Шермана": в 20% семей у мужчин-носителей FraX синдром не проявляется, но пройдя одно поколение через дочерей-гетерозигот, FraX-хромосома вызывает заболевание у внуков. Иными словами, происходит как бы автогенетическое предсказуемое усиление действия мутации в ряду поколений или антиципация (упреждение).

Клонирование гена во многом прояснило его необычное поведение и привело к необходимости помимо нормы и мутации различать состояние премутации. К норме относят индивидов с числом внутригенных тринуклеотидных повторов CGG от 6 до 46. Если число повторов составляет 52–100, такой генотип диагностируют как премутантный. Семейный анализ показал, что у носителей премутации разброс по размеру повторенного блока в следующих поколениях закономерно возрастает. Чем длиннее блок повторов, тем выше риск перехода в потомстве к полной мутации. Наконец, когда число повторов значительно превышает 200–250, это приводит к полной мутации: умственной отсталости у всех мужских носителей такого варианта гена и снижению умственной активности у примерно 50% женщин; ломкость X-хромосомы в культуре клеток повышается до 80–90%. Наблюдается нестабильность гена по числу повторов в соматических и половых клетках.

У полных мутантов триплетный блок CGG и весь район данного гена подвергается метилированию, что приводит к инактивации гена: отсутствию транскрипции и белка FMR1. Именно отсутствие нормального продукта гена FMR1, а не само по себе увеличение повторов приводит к фенотипическому дефекту, ибо были обнаружены редкие нормальные особи, у которых число повторов достигало мутантного уровня, однако по какой-то причине блок не был метилирован (Reiss, et. al., 1994).

Причины, приводящие к амплификации тринуклеотидного повтора неясны. Связь характера мутантного выражения гена с числом повторов дает возможность молекулярной пре- и постнатальной диагностики заболевания. Интересны результаты популяционного и семейного анализа молекулярного статуса FMR1 гена. Тестирование 977 генетически несвязанных индивидов по числу повторов у них и их потомков дало частоту премутации 1 на 510. Однако, некоторые варианты FMR1 гена с числом повторов более 46 не подвергались амплификации в следующем поколении (Reiss, et al., 1994). Это указывает на роль генотипа в контроле генной нестабильности, что хорошо установлено в модельных опытах на дрозофиле.

Молекулярный анализ необычного поведения нестабильных генов, вызванных экспансией тринуклеотидных повторов, интересен с позиций общей и эволюционной генетики. Впервые представление об особом лабильном состоянии наследственных факторов ввел создатель мутационной теории Гуго де Фриз. Его статья, опубликованная в 1913 г. "Типы скрещиваний у энотер" содержит раздел "Гипотеза о лабильных генах". Де Фриз сделал вывод, что помимо активного и неактивного состояния наследственных факторов следует выделять и лабильное состояние. Оно встречается гораздо реже, "находится в причинной связи с процессом мутирования" и характеризует случаи, где наблюдается повышенная мутабильность (Г. де Фриз, 1932, с. 116).

К сходному выводу в начале 50-х годов пришла Барбара МакКлинток в результате анализа супермутабильности у кукурузы (разделы 3.3, 4.6.3). Она впервые связала поведение нестабильных генов с подвижными контролирующими элементами и показала, что эти элементы, в частности Spm, могут находиться в разных динамических состояниях: активном, неактивном и третьем — лабильном или программированном (McClintock, 1965, 1978, 1984; Федорофф, 1984).

Обнаружена молекулярная подоплека разных состояний Spm-элемента. В его промоторной области есть два регуляторных участка, составленные из повторов, которые способны метилироваться и блокировать транскрипцию элемента. Если все блоки повторов деметилированы, элемент неактивен. В лабильном состоянии метилирована только часть повторов, и в зависимости от степени метилирования меняется поведение и характер выражения Spm. Переход элемента из лабильного в активное состояние может происходить в ходе онтогенеза в соматических клетках, а также постепенно — в ряду поколений (Fedoroff, et al., 1995).

Таким образом, и у кукурузы, и у человека нестабильность и появление предмутационных состояний связаны со сходной структурно-функциональной организацией локусов: наличием в их составе блоков повторов, их способностью к метилированию и зависимостью активности гена от уровня метилирования его повторов. Несомненно, что спектр явлений в области медицинской генетики, связанный с неканоническим наследованием будет расширяться. Надеюсь, что проведенный в данной работе концептуальный анализ эволюции взглядов в генетике на наследственность и изменчивость поможет читателю лучше ориентироваться в этой области.