В статье рассказывается о генетических причинах СМА и факторах, влияющих на тяжесть этого заболевания.
Спинальная мышечная атрофия - это редкое генетическое заболевание, в котором врачи выделяют 5 типов в зависимости от тяжести болезни. 0 – самый тяжелый, IV – легкий. Внутри типов специалисты говорят еще и о подтипах тоже в зависимости от тяжести заболевания.
Все эти клинические формы заболевания связаны с мутациями в одном и том же гене SMN1. Более того, в 95% случаев это всегда одна и та же мутация – это делециявыпадение участка хромосомы экзонаучастка ДНК 7 гена SMN1. В оставшихся пяти и менее процентов случаев сочетание делеции на одной хромосоме и малой мутации в гене SMN1 на другой хромосоме, либо две малых мутации.
Но несмотря на то, что генетические причины СМА едины и связаны с геном SMN1 мы видим большое количество вариабельности в том, как течет заболевание и многообразие форм, как функционально, так и по времени проявления симптомов. Что влияет на такую разницу проявлений этого генетического заболевания, т.е. является модифицирующими болезнь факторами — вместе с Викторией Владимировне Забненковой, кандидатом медцицнских наук, старшим научным сотрудником лаборатории ДНК-диагностики ФГБНУ МГНЦ — мы пытаемся разобраться в этой статье.
Что такое модификаторы СМА?
Для каждого пациента со СМА есть факторы, определяющие различие в возрасте манифестацииначала проявления и тяжести течения отдельных типов СМА. Их называют модификаторами заболевания.
Представьте себе паровозик с вагонами, который работает как от заправленного двигателя (угля), так и от дополнительного топлива. Например, угля. В нормальном состоянии он может ездить самостоятельно без дополнительного топлива, и ему неважно, какие вагончики к нему прицепили.
Если же паровозик «болеет» СМА, то его двигатель уже отказал, и поэтому для продолжения поездки крайне важно, сколько и какое альтернативное топливо у паровоза с собой в вагончиках.
Модификаторы бывают с положительным эффектом и практически компенсируют отсутствие работы «двигателя», а точнее его пустые баки. Поэтому очень важно понимать, сколько такого альтернативного топлива у паровозика с собой в вагончиках. От этого зависит как долго и как далеко проедет паровозик.
Есть модификаторы с отрицательным эффектом. Они тормозят наш паровозик. И, к сожалению, есть и такие случаи как, например, одновременное отсутствие генов SMN1 и гена SMN2, которые приводят к тому, что наш паровозик так никогда и не выйдет с завода.
Модификаторы СМА можно разделить на две большие группы: факторы, влияющие на уровень белка SMN, и не влияющие на уровень белка SMN.
Зачем нужен ген SMN2?
Основной модификатор, влияющий на уровень белка SMN - копия или псевдоген гена SMN1 ген SMN2. Эти два гена катастрофически похожи. Они отличаются всего пятью буквами, а на уровне аминокислотного состава практически идентичны. Отличие в единственной букве, которая в седьмом экзонеучасток ДНК меняет цитозинорганическое соединение с азотистым основанием на тиминдругое соединение с азотистым основанием. Эта замена приводит к тому, что с гена SMN1 мы получаем функциональный, хороший, работающий белок, а с гена SMN2 транскриптпоследовательная наследственная информация гена переписывается с изменениями не содержащий экзона 7. В результате получается нестабильный, быстро разрушающий и не функциональный белок, который не справляется со своими задачами, не питает клетку.
Почему же тогда ген SMN2 является главным модификатором заболевания, если в 90% случаев белок получается таким плохим, нехорошим и нерабочим?
Дело в том, что в 10% случаев с гена SMN2 все же продуцируется полноценный, полноразмерный, функциональный белок. Но десяти процентов не достаточно для нормального функционирования двигательных нейронов. «Паровозику», о котором говорится выше, не хватает топлива, и он почти никуда не едет.
На эту тему проведено много исследований, в России также изучали зависимость между числом копий гена SMN2 и тяжестью течения заболевания.
Ученые заметили такую тенденцию:
Пациент со CMA1 как правило имеет две копии гена SMN2
CMA2 — три копии гена SMN2
СМА3 – три-четыре копии гена SMN2
Вот только это не абсолютная зависимость У пациента со СМА1 можно встретить четыре копии, со СМА 3 – две копии.
Получается, что на тяжесть болезни помимо числа копий гена SMN2 влияют и изменения в нуклеотидной последовательностипорядок следования нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах. Изменения в последовательности ДНК приводят к тому, что происходят включения в транскрипциюпоследовательная наследственная информация гена переписывается с изменениями с гена SMN2 экзона 7участок ДНК и увеличивается продукция с гена полноценного функционального белка, которого при определенных изменений становится больше, что очень хорошо для пациентов со СМА.
Почему же нельзя говорить об абсолютной зависимости тяжести СМА от числа копий гена SMN2 и его модифицирующих изменений в последовательности?
Очень велик соблазн спрогнозировать зависимость типа: две копии – это первый тип, три копии – это второй, но как три копии второго типа СМА отличить от трех копий третьего типа СМА?
Мы не всегда можем провести анализ и уточнить, есть ли у пациента изменения в нуклеотидной последовательности, которые приводят ко включению 7-го экзона.
Именно поэтому важно учитывать и принимать во внимание, что существуют и другие факторы, оказывающие влияние на течение заболевания.
Факторы, связанные с построением белка
Сейчас мы рассмотрим группу, представляющую собой факторы сплайсингавырезание определенных нуклеотидных последовательностей из молекулы РНК, транскрипциипорядок следования нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах, процессингасовокупность процессов в клетках, которые приводят к превращению первичного транскрипта в зрелую РНК, и т.д., т.е. факторы, участвующие на каждом этапе построения белка, начиная с уровня ДНК. Эти факторы изучались IN VITRO, т.е. вне целостного организма и могут иметь несколько другой эффект IV VIVOв живом организме, однако они очень интересны как потенциальные мишени для новых терапевтических возможностей.
Речь идет о разных белках. Варьирование количества определенного белка в одну и в другую сторону может приводить как к увеличению включения экзона 7 в транскрипт, так и к исключению, т.е. оказывать как положительный так и отрицательный модифицирующий эффект. Факторы, связанные с построением белка, могут увеличивать уровень белка SMN.
Существует еще и фактор, который способствует росту аксоновдлинный цилиндрический отросток нервной клетки, по которому нервные импульсы идут от тела клеткисомы к органам и другим нервным клеткам. Это очень хорошо, потому что при спинальной мышечной атрофии нарушается рост аксонов. Кроме того, эти факторы могут ингибироватьзамедлять, подавлять деградацию белка и способствовать увеличению выживаемости.
Голодание. Гипоксия и стресс, как факторы для пациентов со СМА
Следующая группа причин, влияющих на тяжесть СМА, – это экзогенные (внешние) факторы. К ним можно отнести голодание, гипоксиюнехватка кислорода и оксидативный стрессповреждение клетки в результате окисления.
При исследованиях на мышах со СМА удалось доказать, что дополнительное хорошее питание увеличивает выживаемость таких мышек. При гипоксии и оксидативном стрессе снижается уровень полноразмерного белка SMN, белок становится нестабилен. А дыхательная поддержка улучшает симптоматику заболевания.
Эндоцитоз и СМА. Факторы, влияющие на жизнь клеток
Вторая большая группа модифицирующих факторов действует на различных этапах патогенетических звеньев развития СМА, которые на сегодняшний день до конца не изучены.
Есть три фактора, которые на сегодня более перспективны с терапевтической точки зрения.
Начнем с понятия эндоцитозапроцесс захвата внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал.
Мембраны клеток достаточно близко прилегают друг другу, разделяются только синаптической щельюместо контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал клеткой.
Есть пресинаптическаяперед сигналом между нейронами мембрана и постсинаптическаяпосле сигнала. Нервный импульс запускает экзоцитозмеханизм клеточных выделений. В синаптическую щель выпускается химический посредник – нейромедиатор, который связывается с рецепторами на постсинаптической щели, и передает электрической импульс.
Одновременно с процессом экзоцитоза в клетке происходит обратный процесс, который называется эндоцитоз, в котором участвует белок с названием «Клатрин». Он формирует саму везикулупузырик. Эндоцитоз бывает быстрым и медленным. Быстрый образуется прямо непосредственно на мембране клетки, а медленный – использует мембраны клетки при образовании крупных вакуолейпространство в центральной части клетки, заполненное клеточным соком.
Дальше мы расскажем о факторах, которые влияют на быстрый и медленный эндоцитозпроцесс захвата внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал.
Роль белков как факторов течения СМА
При анализе пациентов выявили сорокакратное увеличение экспрессии данного белка. Пластин 3 – это F-актин-связывающий белок и играет важную роль в строении цитоскелетаэто клеточный каркас или скелет, находящийся в цитоплазме живой клетки и везикулярного транспортамембранные белки, переносящие материал из клетки во внеклеточную среду (экзоцитоз) или внутрь клетки (эндоцитоз)
Исследования различных моделей со СМА было показано, что сверхэкспрессиязначительное превышение нормального уровня экспрессии определенного гена гена пластина 3 приводит к тому, что улучшается аксональный рост, формируется больше нервно-мышечных соединений и улучшается медленный эндоцитозперенос белков внутрь клетки. Все это очень нужно пациентам со СМА
При исследовании таких больных не выявилось ожидаемого увеличения экспрессии пластина 3, однако, обнаружили четырех-пятикратное снижение экспрессиипроцесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок нейрокальцина дельта.
Это кальций-связывающий белок, специфичный для нервной ткани. В норме при высвобождении содержимого везикул увеличивается ток кальция, и нейрокальцин дельта взаимодействует с кальцием, и не взаимодействует с белком клатрином, который формирует везикулы.
При этом эндоцитоз работает нормально. Наши «пузырики» образуются, и процесс идет как в здоровом организме.
При СМА в клетках снижен ток кальция, и поэтому нейрокальцин дельта начинает блокировать не только кальций, но и белок клатрин.
Его становится недостаточно, чтобы сформировать везикулупузырик внутри клетки эндоцитарную. Происходит нарушение эндоцитоза. В случае, когда данный белок не работает или его активность снижкна, клатрин ничего не блокирует. Везикулы образуются в нормальном режиме, и восстанавливается эндоцитозперенос белков внутрь клетки.
Calcineurin like EF-hand protein 1 — кальций-связывающий белок. Он взаимодействует с мощным модификатором СМА пластином 3. CHP1 экспрессируется повсеместно, но особенно в нейрональных тканях, а также в СМА-опосредованных областях – это тела мотонейронов, конусы роста, нервно-мышечные соединения.
На различных моделях СМА показано, что снижение экспрессии белка как и в случае с нейрокальцином дельта, приводит к сохранению тел мотонейронов, развитию аксонов, формированию нормальных зрелых нервно-мышечных соединений и не повреждению мышечной ткани. Кроме того, белок СHP1 способствует улучшению медленного эндоцитоза.
Подведем итоги. Основной модифицирующий фактор при СМА – ген SMN2, но нельзя забывать о том, что существует огромное множество других факторов, влияющих на формирование клинических проявлений заболевания. Они действуют на совершенно разных этапах: на этапе формирования белка, на патогенетических звеньях заболевания, могут работать как отдельно, так и комплексно с белком SMN.
Изучение и поиск новых модифицирующих факторов важен нам не только для того, чтобы понять патогенезмеханизм зарождения и развития болезни и отдельных её проявлений заболевания, но и для поиска новых терапевтических средств для лечения СМА, поэтому основной фактор для определения типа СМА у конкретного пациента – клиническое обследование.
Статья подготовлена по материалам доклада Забненковой Виктории Владимировны — кандидата медицинских наук, старшего научного сотрудника лаборатории ДНК-диагностики ФГБНУ МГНЦ, «Модифицирующие факторы при СМА»
Данный материал носит исключительно информационный характер и не может служить рекламой. Рекомендации относительно индивидуального применения любого лекарственного препарата или назначения лечения следует получать у вашего лечащего врача.
