По всем вопросам обращайтесь на: info@litportal.ru
(©) 2003-2024.
✖
Боковой амиотрофический склероз
Настройки чтения
Размер шрифта
Высота строк
Поля
Рис. 3. Единственный каузативный ген, кодирующий супероксиддисмутазу-1 (СОД-1), мутации которого приводят к БАС
К настоящему времени открыто 108 мутаций генов при боковом амиотрофическом склерозе. Все, кроме D90A и D96N, наследуются по аутосомно-доминантному типу. Помимо этого, за последнее десятилетие выявлено несколько генов помимо гена СОД-1, мутации которых могут приводить к развитию БАС: гены белков цитоскелета мотонейрона, гены белков, регулирующих выживание мотонейронов, гены белков митохондриальной дыхательной цепи. Основные описанные генетические локусы при боковом амиотрофическом склерозе представлены в таблице 1 и 2.
На данный момент определены более 22 локусов БАС и 4 локуса БАС + FTD (FTD-ALS – frontotemporal dementia – ALS) (БАС наряду с лобно-височной деменцией), и в большинстве случаев идентифицируются гены, связываемые с возникновением заболевания. Это обозрение подводит итог доступной на сегодня информации, которую удалось собрать по четырем наиболее распространенным генам, связываемым с семейными случаями БАС: SOD1, TARDPB, FUS, и C90RF72. Эти гены привлекли внимание к роли окислительного стресса и РНК-процессинга как патогенных механизмов, способствующих развитию БАС.
?
Таблица 1.
Описанные генетические локусы при боковом амиотрофическом склерозе, по данным отечественной литературы
Кроме того, более редкие генетические аллели заключают в себе дополнительные биологические пути, как, например, систему убиквитин-протеасомы (UPS), белковый трафик, а также расстройство цитоскелетной функции.
Рис. 4. Исторические вехи и частота открытия различных генов, участвующих в возникновении бокового амиотрофического склероза. Примечание. Каждый ген нанесен на график в соответствии с годом его обнаружения. Размер мутаций в FALS и ALS, как указано в литературе. В тех случаях, когда частоты генов отсутствуют, для иллюстративных целей им присваивается размер круга, эквивалентный 1% (цит. по: Al Sultan et al., 2016)
На представленном рисунке 4 авторы использовали нумерацию локусов, как это приведено в Online Mendelian Inheritance (онлайн каталог фенотипических маркеров у человека) в каталоге фенотипических серий по БАС (PS105400) и FTDALS (PS105550) (Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM
, 2016).
БАС1: Cu-Zn дисмутаза супероксида (SOD1). Мутация Cu-Zn супероксиддисмутазы 1 (SOD1) была первой описанной генетической причиной семейных случаев БАС (FALS) (Rosen et al., 1993). Большинство SOD1-мутаций представляют собой аутосомно-доминантную картину, сопровождаемую высокопроникающим паттерном наследственности. Эти мутации преимущественно ассоциируются с возникновением БАС в каких-либо конечностях. Исключением из данного правила является мутация D90A, выявляемая преимущественно у скандинавских популяций, в которых она наследуется в аутосомно-рецессивном виде. Частота SOD1-мутаций варьируется в зависимости от популяций, от 23% в Скандинавии и до 12% в Германии; также мутации определялись в кажущихся спорадических случаях (Andersen, 2006). База данных по БАС (ALSoD database, http://alsod.oip.kcl.ac.uk (http://alsod.oip.kcl.ac.uk/); Abel et al., 2012) сообщает о 183 мутациях в SOD1, связываемых с болезнью (оценка на ноябрь 2015 г.), большая часть которых представляет собой точечные мутации.
Учитывая, что SOD1 кодирует 153-й аминокислотный белок, это количество мутаций поразительно, причем мутации распределяются по всему гену и оказывают воздействие на целый ряд доменов внутри белка. Данное обстоятельство отличается от некоторых других ассоциированных с БАС мутаций, которые чаще локализуются в пределах определенного мотива выделяемого белка, тем более что неясно, являются ли все заявленные SOD1-мутации действительно патогенными (Felbecker et al., 2010; Marangi, Traynor, 2015). Множественные мутации, происходящие внутри белка, привели также к трудностям определения того, каким образом они отвечают за фенотип болезни. Ген SOD1 является повсеместно экспрессируемым антиоксидантным белком, ускоряющим и катализирующим супероксид свободных радикалов в перекись водорода и кислород. Так как большинство мутантных белков сохраняют эту ферментативную функцию, предполагается, что патогенность оказывает свое воздействие через принцип токсического приобретения функции, хотя точная природа подобной токсичности пока еще остается полностью не изученной. Рассматривался ряд взаимно совместимых патогенных механизмов, в том числе окислительный стресс, экскайтотоксичность, скопление и агрегация белков, нейровоспаление, апоптоз, митохондриальная дисфункция, дисрегуляция аксонального транспорта и стресс эндоплазматического ретикулума (Felbecker et al., 2010; Marangi, Traynor, 2015; Kaur et al., 2016). Мутантные SOD1-белки (mtSOD1) обнаруживают переменные состояния металляции (замещения металлом водорода) и формирования дисульфидной связи, что приводит к тому, что деметаллизированная и развернутая апоформа может проникать в межмембранное пространство митохондрии (пластосомы), вызывая тем самым митохондриальную дисфункцию (cSheng et al1., 2012). Помимо этого, процесс деметаллизации приводит к повышению неустойчивости, и mtSOD1 демонстрируют более высокую предрасположенность к накоплению, чем SOD1 дикого типа.
Таблица 2. Обзор ключевой информации, доступной для локусов ALS и FTDALS, о генах, вовлеченных в развитие бокового амиотрофического склероза (цит. по: Al Sultan et al., 2016)
Примечание. Нумерация локусов ALS и FTDALS определяется онлайн-каталогом фенотипических маркеров у человека OMIM®. Частота мутаций в FALS основана на данных из исходных статей или ссылок, помеченных звездочкой (*). В некоторых случаях предоставляется частота в ALS, а не FALS (цит. по: Al Sultan et al., 2016).
Совсем недавно было показано, что мутантный SOD1 (mtSOD1), вместе с неправильно свернутым SOD1 дикого типа, продвигаются от клетки к клетке и инициируют прионо-подобное скопление SOD1 (Grad et al., 2014; Munch, Bertolotti, 2011). Тогда как первоначальное исследование продемонстрировало разрастание неправильно свернутого белка в моделях клеточных культур, спинальные гомогенаты, изъятые из парализованного мышиного мутанта G93A SOD1 и пересаженные в 6-месячную G85R-SOD1:YFP мышиную модель (в которой обычно болезнь не развивалась раньше, чем до 20 мес.), вызывали прогрессирующую болезнь двигательного нейрона в течение 3 месяцев (Ayers et al., 2016).
В обычном виде неправильно свернутые белки изымаются из клеток через механизм действия системы убиквитин-протеасомы (UPS). Однако в БАСе, обусловленном геном SOD1, а также в спорадическом БАСе было показано, что действие системы убиквитин-протеосомы (UPS) нарушается (Kabashi et al., 2012, Kabashi, Durham, 2006). Кроме того, было показано, что MGRN1 (mahogunin ring finger 1), являющийся E3 убиквитин-лигазой, которая катализирует и ускоряет моноубиквитинирование белков и помечает их для деградации при помощи UPS-независимого механизма, сокращается в G93A мышиной модели. Любопытно, однако, что сверхэкспрессия этого белка приводила к сокращению SOD1-токсичности за счет подавления агрегации (скопления) SOD1. Таким образом, терапевтические стратегии по лечению БАС включают повышение очищения от неправильно свернутого SOD1, и индуктор белка теплового шока, arimoclomol, представляет собой один из подобных препаратов, разрабатываемых и изучаемых в настоящее время (Kalmar et al., 2014).
Хотя вначале окислительный стресс считался одним из основных механизмов мутантных SOD1, продолжающиеся исследования патогенного действия SOD1 привлекли и такие факторы, как система убиквитин-протеасомы (UPS), накопление и деградация белков, а также другие аспекты белкового трафика. Подобные пути также связаны с открытием дополнительных генов семейных БАС (FALS) (Раздел «Белковый трафик и гены, имеющие отношение к деградации»).
ALS10/БАС10: TAR ДНК-соединительный белок (TARDBP)
Транзактивный ДНК-связывающий белок 43 (TDP-43) кодируется геном TARDBP на chr1p36.22 (Sreedharan et al., 2008). Ген TARDBP ответственен за 4—5% семейных БАС и примерно 1% спорадических случаев БАС (Millecamps et al., 2010). Мутации в TARDBP наследуются в виде аутосомно-доминантных (AD) проявлений и ассоциируются с классическим клиническим фенотипом БАС. Ген TARDBP кодирует несколько изоформ, из которых преобладает TDP-43. Изоформа TDP-43 является гетерогенным ядерным рибонуклеопротеином (hnRNP), наделенным сигналом ядерной локализации (NLS) и сигналом ядерного экспорта, что способствует челночному перемещению белка между ядром и цитоплазмой. В белке TDP-43 содержатся три последующих домена, два мотива распознавания РНК (RRM1 and RRM2), которые участвуют в соединении РНК и ДНК, а также глицин-обогащенный домен, который необходим для взаимодействия с другими белками и представляет собой локализацию, в которой происходит большинство мутаций (Baralle et al., 2013; Lagier-Tourenne et al., 2010).
Первоначально TDP-43 был идентифицирован как транскрипционный репрессор, соединяющийся с TAR ДНК в вирусе-1 иммунодефицита человека (Ling et al., 2015). После этого было продемонстрировано, что TDP-43 играет роль в РНК-метаболизме, в том числе в РНК-транскрипции, альтернативном сплайсинге, предварительном микроРНК-процессинге, РНК-транспорте и устойчивости матричной РНК (messenger RNA, mRNA) (Scotter et al., 2015). Белок TDP-43 обладает способностью самостоятельно регулировать экспрессию собственных генов за счет соединения с 3?нетранслируемой областью (3?UTR) своего матричного РНК, что порождает неустойчивость и разложение (Ayala et al., 2015). Также TDP-43 соединяется с UG-обогащенными последовательностями в многочисленных последовательностях mRNA (матричной РНК) в целях регулирования сплайсинга (Polymenidou et al., 2011; Sephton et al., 2011; Xiao et al., 2011). Кроме того, недавно была обнаружена новая функция, при которой TDP-43 может подавлять сплайсинг несохраненных (неконсервированных) экзонов, известных как криптические экзоны (Ling et al., 2015). Устранение TDP-43 позволяло этим криптическим экзонам встраиваться в последовательности mRNA (матричной РНК), что затем прерывало транслирование и вызывало нонсенс-опосредованное разрушение. Наконец, TDP-43 также известен в качестве составляющего компонента стрессовых гранул (SGs), хотя и неясно, способствует ли это обстоятельство процессу нейродегенерации (Aulas, Vande Velde, 2015). Роль белка TDP-43 весьма заметна в характерных убиквитиновых цитоплазматических включениях, которые обнаруживаются у больных с БАС и лобно-височной деменцией (Neumann et al., 2006). Примерно 97% больных с семейной и спорадической формами БАС являются положительными для TDP-43 включений в двигательном кортексе и спинном мозге, тем самым подчеркивается значение TDP-43 как основной белковой сигнатуры заболевания, а не только тех белков, переносящих TARDBP-мутации (Sreedharan et al., 2008; Qin et al., 2014).
Потеря ядерной локализации TDP-43 при БАСе хорошо задокументирована, и существуют данные о наступающем в результате этого дефиците сплайсинга в клеточных и животных моделях БАС, а также в образцах, взятых у пациентов (Ling et al., 2015; Highley et al., 2014; De Conti et al., 2015). Кроме утраты ядерной функции, цитоплазматическое приобретение функции также может способствовать нейродегенерации. Модель мыши с мутацией в сигнале ядерной локализации TARDBP человека, что ограничивало TDP-43 до уровня цитоплазмы, продемонстрировала увеличенную экспрессию связанных с транскрипцией и хроматиновой сборкой генов и генов обработки гестона 3?UTR (Amlie-Wolf et al., 2015). Важно отметить, что подобные транскрипционные изменения не наблюдались при добавлении антисмыслового олигомера к нокдаун TDP-43 экспрессии, что, таким образом, поддерживало идею о цитоплазматическом токсическом приобретении функции. Наконец, как и в случае прионоподобного распространения заболевания, описанного при SOD-БАСе, были также получены доказательства того, что TDP-43 олигомеры дикого типа могут распространяться горизонтально от клетки к клетке через микровезикулы, в том числе через лизаты головного мозга больных БАС, а также вертикально по аксонам (Feiler et al., 2015). Таким образом, снижение скоплений подобных мутантных протеинов постепенно становится все более широко используемой терапевтической стратегией.
ALS6/ALS6: соединение с саркомой (FUS)
Ген FUS в chr16p11.2 впервые был идентифицирован как гибридный (соединительный) онкоген липосаркомы. Ген FUS принадлежит семейству FET-белков, и было доказано, что он является hnRNP (гетерогенным ядерным РНП) благодаря своему участию в транскрипционном процессе, транспорте, трафике, альтернативном сплайсинге и обработке микроРНК. Как и в случае с TDP-43, он также присутствует в SGs (стресс-гранулах). По своей структуре FUS состоит из 526 аминокислот, которые образуют N-терминальный домен, обогащенный в глутамин-глицин-серин-тирозине (QGSY), трех аргинин-глицин-глицин обогащенных доменов (RGG-rich domains), RRM, и мотива «цинкового пальца», а также из сигнала ядерного экспорта и NLS (сигнала ядерной локализации), обеспечивающих ядерно-цитоплазматическое челночное курсирование белка (Deng et al., 2014).
Мутации, происходящие в FUS-гене, вначале были выявлены в аутосомно-рецессивном семействе из Кабо Верде, хотя последующий скрининг позволил установить, что FUS также является причинным фактором в аутосомно-доминантном БАС (Kwiatkowski et al., 2009; Vance et al., 2009). Мутации FUS составляют до 4% семейных БАС и 1% спорадических БАС, а большинство мутаций сосредоточено либо в пределах экзонов 3—6, кодирующих QGSY-обогащенный и первый RGG-регион, либо в экзонах 12—15, которые шифруют домен «цинкового пальца», два других RGG-домена и NLS (сигнал ядерной локализации) (Deng et al., 2014). Хотя было продемонстрировано, что в С-терминале мутации являются функциональными, тем не менее мутации, происходящие в экзонах 3—6, чаще выявляются при спорадическом БАС, или они не всегда изолируются от заболевания, что предполагает факт неполной пенетрантности (проявления гена) или непатогенных вариаций.
Ранее очищение от РНК полимеразы II из ядра было показано как приводящее к увеличению цитоплазматического FUS, что позволяет предположить, что FUS играет роль в транскрипции (Zinszner et al., 1998). Впоследствии было показано, что FUS выступает как посредник-медиатор во взаимодействии между РНК полимеразой II и фактором сплайсинга U1 snRNP, тем самым соединяя транскрипцию со сплайсингом (Yu, Reed, 2015). Мутации в FUS приводят к неверной локализации как FUS, так и U1 snRNP в цитоплазме (Yu et al., 2015), а другие РНК-связывающие белки, в том числе SMN1, hnRNPA1, и hnRNP2, также совместно локализуются в mtFUS-скоплениях (Takanashi, Yamaguchi, 2014). К последствиям таких mtFUS-взаимодействий можно отнести дисрегуляцию сплайсинга и увеличение соединения FUS с SMN, что приводит к сокращению в Gem-организмах (Gem bodies), тем самым отражая как потерю, так и приобретение функции, которые осуществляются mtFUS (Sun et al., 2015).
Мутации, происходящие в FUS, также могут передавать патогенность через дополнительные взаимодействия. Было показано, что FUS соединяется с mRNAs и способствует их транспортировке по дендритам (Fujii, Takumi, 2005); впоследствии было показано, что FUS связывается с polyA отростком AMPA рецептора GluA1, управляя его устойчивостью, притом что утрата FUS приводила к сокращению GluA1 (Udagawa et al., 2015). Кроме того, было показано, что FUS транслоцируется с митохондрией, взаимодействуя с митохондриальным белком 60 шаперона теплового шока (mitochondrial chaperone heat shock protein 60, HSP60), что приводит к митохондриальному поражению (Deng et al., 2015). Наконец, mtFUS взаимодействует с Pur-alpha в стресс-гранулах (SGs) и увеличивает фосфорилирование фактора инициации элонгации 2-alpha, соответственно, тем самым блокируя синтез белков (Di Salvio et al., 2015). Однако вклад каждого из подобных взаимодействий относительно патогенеза заболевания подлежит более точному определению.
FTDALS I (лобно-височная деменция-БАС): С90КА72 (С90КА72)
Наиболее распространенная причина семейных случаев БАС на данное время заключается в экспансии интронного GGGGCC-повтора, происходящего в C90RF72. Эта область вначале была определена посредством полногеномных ассоциативных исследований случаев БАС спорадического вида, а также в популяции финских больных БАС (Shatunov et al., 2010; Laaksovirta et al., 2010). Несмотря на то что изначальное секвенирование гена не смогло определить наличие каких-либо точечных мутаций, самый современный метод таргетированного секвенирования этой области установил участок интронного повтора, расположенный между некодирующими экзонами 1a и 1b (Renton et al., 2011; DeJesus-Hernandez et al., 2011). В то время как здоровые испытуемые группы контроля чаще всего обладают менее 10 гексануклеотидными повторами, пациенты БАС обычно переносят 400—2000 повторов. Экспансия повторов была идентифицирована у 37,6% семейных БАС и 6,3% спорадических БАС, а также в диапазоне до 25,1% случаев лобно-височной деменции (Majounie et al., 2012). В этой связи не удивляет тот факт, что наиболее существенный клинический фенотип, ассоциирующийся с этим генетическим подтипом, состоит в повышенной частоте случаев семейной истории лобно-височной деменции. Помимо того, есть доказательства, что большее количество случаев бульбарного возникновения ассоциируются с БАС, который связан с геном C90RF72 (до 44%, в сравнении с 25—26% в не связанных с геном C90RF72 случаях БАС), а некоторые исследования также сообщают о более раннем возрасте возникновения заболевания (на 1,8—5,0 лет) и его более короткой продолжительности (на 5,7—12,0 мес.) (Cooper-Knock et al., 2015).
Функция C90RF72-гена в настоящее время изучается, хотя структурный анализ позволил установить, что функция этого гена схожа с функцией GDP/GTP-факторов обмена, регулирующих Rab-GTP-азы и может регулировать везикулярный трафик (Levine et al., 2013). Дальнейшее исследование продемонстрировало, каким образом C90RF72 совместно локализовался с Rab-белками, участвующими в аутофагии и эндосомальном трафике (Farg et al., 2014). Хотя механизм действия функции в настоящее время устанавливается, были предложены несколько гипотез относительно того, каким образом интронный гексануклеотидный повтор может вызывать нейродегенерацию: 1) гаплонедостаточность, 2) РНК-токсичность, 3) белковая токсичность дипептидных повторов.
Гаплонедостаточность
Сниженные уровни C90RF72-транскрипта были замечены у больных с экспансией повторов по сравнению с контрольными испытуемыми, и гипотеза о гаплонедостаточности получила подтверждение, когда нокдаун (выключение) гомолога C9orf72, смоделированного у данио (zebrafish), привел к аксональной дегенерации (Ciura et al., 2013). В противоположность этому, в условной модели у C9orf72 нокаутированной мыши, у которой C9orf72 был специально удален из нейрональных клеток, не были получены какие-либо данные, свидетельствующие о нейродегенеративном фенотипе (Koppers et al., 2015). Тем не менее систематическое изучение уровней экспрессии трех C90RF72-транскриптов (вариант 1 = экзон 1а, 2—5; вариант 2 = экзон 1b, 2—11; вариант 3 = экзон 1а, 2—11) показало существенно сокращенную экспрессию вариантов 1 и 2, отмечавшуюся в мозжечке и лобном отделе коры (фронтальном кортексе) переносчиков экспансии C90RF72, и наблюдалось корреляционное соответствие между более высоким уровнем экспрессии варианта 1 и выживаемостью (van Blitterswijk et al., 2015). Данный факт предполагает, что стратегии антисмысловых олигомеров должны избегать сокращения уровней экспрессии C90RF72.
РНК-токсичность
T.F. Gendron и команда определили, что локусы (очаги) РНК расположены преимущественно в ядре и, периодически, в цитоплазме двигательных нейронов, и отметили, что эти локусы состоят как из смысловых, так и из антисмысловых РНК (Gendron et al., 2013). Как оказалось, наличие антисмысловых РНК-очагов находится в корреляционном соответствии с неверной локализацией TDP-43, но не с белковой токсичностью дипептидных повторов (DPRs) (Gendron et al., 2013; Cooper-Knock et al., 2015). Считается, что последовательность повторов формирует G-квадруплексные (учетверенные) структуры внутри клетки. Многие РНК-связывающие белки совместно локализуются с РНК-очагами, теоретически изолируя их из клетки и прерывая их РНК-процессинговые (обрабатывающие) функции (Cooper-Knock et al., 2014, Lee et al., 2013). Это обстоятельство может лежать в основе существенной дисрегуляции РНК-сплайсинга, которая отмечается при экспансии, когда более высокий разрыв (прерывание) заметен у больных с более короткой выживаемостью (Cooper-Knock et al., 2015, Prudencio et al., 2015). Однако очаги РНК отмечаются и в фибробластах, полученных от бессимптомных пациентов (Cooper-Knock et al., 2014, Lagier-Tourenne et al., 2013), и в моделях БAC на трансгенных мышах, содержащих расширенную аллель; тогда как очаги РНК и дипептидные повторы воспроизводят нейропатологию БАС, сведения, которые могли бы подтвердить наличие нейродегенерации, отсутствуют (Peters et al., 2015, O’Rourke et al., 2015). Это противоречит данным по мышиной модели, экспрессирующей 66-повторную G4C2-экспансию конкретно в ЦНС, что продемонстрировало нейропатологические, поведенческие и двигательные нарушения уже к 6 месяцам (Chew et al., 2015).
Белки дипептидного повтора
Наконец, было показано, что экспансия GGGGCC-повторов подлежала повтор-ассоциированной не-анти-тимоцитарной глобулиновой трансляции (repeat-associated non-ATG translation) (Mori et al., 2013). Как смысловые, так и антисмысловые РНК транслируются, образуя белки дипептидных повторов, состоящие из poly-GA, -GP, -GR, -PA и -PR (с poly-GP, продуцируемой как из антисмысловых, так и из смысловых РНК) (Gendron et al., 2013; Mori et al., 2013). Эти белки дипептидного повтора наблюдаются в виде скопления внутри нейрональных цитоплазматических включений и нейрональных внутриядерных включений в двигательной коре мозга, мозжечке, гиппокампе и спинном мозге и положительно маркируются к убиквитину и p62. В недавнее время антитела, восставшие против каждого из белков дипептидного повтора, продемонстрировали лишь небольшую корреляционную зависимость между распространением/грузом дипептидных повторов (DPR) и клиническим фенотипом (Mackenzie et al., 2015; Davidson et al., 2015), что, по мнению авторов, говорит против того, чтобы рассматривать скопление и агрегацию дипептидных повторов как главный патогенный механизм. Это противоречит работе, использовавшей модель дрозофилы, в которой экспрессия дипептидных повторов порождала нейродегенерацию в глазе насекомого (Mizielinska et al., 2014).
В итоге появляется все большее количество данных, говорящих в пользу некоторой формы РНК-дисрегуляции как фактора, способствующего БАС, обусловленному действием C90RF72. Однако пока различные клеточные и животные модели, применяющие разнообразные генетические конструкции, генерируют противоречивые результаты относительно вклада каждой из трех гипотез в развитие заболевания, более точные механизмы все еще подлежат полноценному разъяснению. Прерывание (разрыв) C90RF72-белковой функции в эндосомальном трафике может также представлять собой способствующий фактор.
Другие РНК-процессирующие гены, причастные к БАС
До определения генов TARDBP и FUS как генов, связанных с возникновением БАС, уже была доказана причастность к заболеванию двух РНК-процессирующих генов: ангиогенина (ANG) и сенатаксина (SETX). Впоследствии мутации в hnRNPA1 и matrin 3 (MATR3) были установлены методом полноэкзомного секвенирования, и атаксин 2 (ATXN2) определили как фактор риска.
ALS9/БАС9: ангиогенин (ANG)
После идентификации ANG однонуклеотидных полиморфизмов rs11701, представленных в большом количестве и превалирующих в случаях БАС по Шотландии и Ирландии, скрининг на ANG установил 7 миссенс-мутаций (с изменением смысла) в 15 случаях БАС, из которых 4 являлись семейной формой заболевания (FALS) (1,54%), а 11 относились к спорадическому БАС (SALS) (0,80%) (Greenway et al., 2006). Ген ангиогенин (ANG) является членом суперсемейства панкреатической рибонуклеазы и обладает нейропротекторными свойствами, хотя в mtANG эти свойства нарушаются (Subramanian et al., 2008). В то время как многочисленные мутации были определены, p.K17I не всегда демонстрировал сегрегацию заболевания. Тем не менее метаанализ показал, что у представителей белой европеоидной расы, носителей этой аллели, риск возникновения БАС выше в 1?65 раза, и он увеличивался десятикратно в семейной форме БАС (Pan et al., 2015). Оказалось, что ангиогенин (ANG) индуцирует сборку стресс-гранул (SGs) (Ivanov et al., 2014). Любопытно, что подобная индукция может ингибироваться G-квадриплексными структурами, которые формируются с помощью G4C2 C90RF72 расширенного повтора, тем самым устанавливая взаимосвязь между C90RF72 и ANG.
ALS4/БАС4: сенатаксин (SETX)
Мутации в SETX ассоциируются с подростковым стартом БАС, сопровождаемым ослаблением дистальных мышц и отсутствием бульбарных или чувствительных симптомов. У больных обычно отмечается длительное и медленное прогрессирование болезни, при котором сохраняется сравнительно нормальная продолжительность жизненного цикла (Chen et al., 2004; Hirano et al., 2011). Редкие мутации аутосомно-доминантного вида в SETX имеют место при БАСе, тогда как рецессивные SETX-мутации ассоциируются с атаксия-глазодвигательной апраксией-2 (Hirano et al., 2011). Механизмы, посредством которых SETX-варианты приводят к БАС, остаются неизвестными; тем не менее SETX шифрует ДНК/РНК-геликазный белок, который играет роль в восстановлении ДНК в ответ на окислительный стресс. Ген SETX также взаимодействует с РНК-процессирующими белками, регулирующими транскрипцию и pre-mРНК процессинг, что позволяет выдвинуть теорию о том, что причина дегенерации двигательного нейрона, обусловленной мутациями в SETX, может являться результатом патологического РНК-процессинга (Skourti-Stathaki et al., 2011).
ALS13/БАС13: атаксин 2 (ATXN2)
Более 36 повторов CAG внутри ATXN2 способны вызвать спинально-церебеллярную атаксию 2; однако было замечено, что промежуточные повторы в диапазоне 27—33 тесным образом ассоциируются с БАС, и таким образом установлено, что ATXN2 модифицирует токсичность TDP-43 в дрожжах (Elden et al., 2010). Белок ATXN2 представляет собой РНК-связующий белок, участвующий в РНК-процессинге и локализующийся в эндоплазматическом ретикулуме, аппарате Гольджи и SGs; ATXN2 также взаимодействует с FUS, и промежуточные экспансии обостряют мутантный фенотип FUS в клеточных моделях (Farg et al., 2013). Недавний метаанализ более 6000 больных БАС и 7000 контрольных испытуемых установил, что длины повторов в диапазоне 25—28 обладали в действительности протекторными свойствами, тогда как существенный риск связан с CAG-повторами в диапазоне 31—33 (Neuenschwander et al., 2014). Данное наблюдение поддерживается итальянским исследованием, в котором дополнительно <31 повтора соотносились со спинальным стартом БАС и сокращенной выживаемостью (Borghero et al., 2015).
ALS20/БАС20: гетерогенный ядерный рибонуклеопротеин A I (hnRNPA I)
После доказательства с использованием методов секвенирования экзомов того, что hnRNPA 1 и hnRNPA2B1 мутации являются причинными в семействах мультисистемной протеинопатии, эти гены были специально изучены в 212 случаях семейного БАС, по которым метод экзомного секвенирования был доступен (Kim et al., 2013). Был выявлен отдельный случай, сопровождавшийся мутацией в hnRNPA1. Любопытно, что hnRNPA1 и A2/B1 являются известными взаимодействующими партнерами TDP-43, а hnRNPA1 также взаимодействует с убиквилином-2 (Gilpin et al., 2015). В двигательных нейронах БАС существует утрата интенсивного hnRNPA1 ядерного окрашивания, что также соотносится с ядерной потерей в TDP-43, хотя и hnRNPA1 не был замечен как совместно локализующийся с TDP-43 во включениях, сформированных в виде клубка (Honda et al., 2015). Однако скрининг 113 итальянцев с семейным БАС и 135 голландцев с семейной формой, а также 1084 голландцев со спорадической формой не выявил какие-либо hnRNPA1 мутации, что приводит нас к выводу о том, что это очень редкая причина возникновения семейной формы БАС.
ALS21/БАС21: матрин 3 (MATR3)
Экзосомное секвенирование крупных родословных генеалогий привело к идентификации мутации в MATR3-гене; предыдущее семейство, переносящее мутацию в MATR3 и первоначально диагностированное как аутосомно-доминантная дистальная, асимметричная миопатия с парезом голосовых связок, подверглось переоценке, и заново вынесенный диагноз заключался в заболевании БАС (Johnson et al., 2014). Дальнейший скрининг случаев БАС среди итальянцев и британцев позволил идентифицировать еще две мутации: одну семейную БАС (FALS) и одну спорадическую (SALS). В целом MATR3 является РНК/ДНК-связующим белком, взаимодействующим с TDP-43; в то время как p.S85C мутация усиливает данное взаимодействие, две другие мутации, p.F115C и p.T22A, не ведут к его усилению. Тем не менее это различие может лежать в основе медленного прогрессирования заболевания в том семействе, которое является переносчиком p.S85C-мутации. Хотя последующие мутации не были обнаружены в 372 случаях семейной БАС из Франции, Тайваня, Австралии и французской Канады, 4 мутации были выявлены в случаях, казавши [ся спорадическим БАС (3 у французских канадцев и 1 у гражданина Тайваня).
Гены семейства FET
ТАТА box связующий протеин-ассоциированный фактор 15 (TAF15) и регион 1 точки разрыва саркомы Юинга (EWSR1) представляют собой РНК-связующие белки, которые, наряду с FUS, образуют FET-семейство белков. Во всех трех содержатся прионоподобные домены, и эта особенность используется для ранжирования потенциальных РНК-связующих белков как причастных к развитию БАС вслед за функциональным дрожжевым скринингом (Couthouis et al., 2011). Скрининг TAF15 идентифицировал пять миссенс-вариантов (с изменением смысла) в 1262 случаях БАС, в то время как скрининг EWSR1 идентифицировал 2 потенциальных мутации у 817 случаев БАС (Couthouis et al., 2012). Хотя эти варианты отсутствовали у испытуемых контрольной группы, тем не менее их удалось определить у больных со спорадическим БАС, таким образом сегрегация (разъединение) не могла быть продемонстрирована. Однако как TAF15, так и EWSR1-белки обнаруживают цитоплазматическую неверную локализацию в спорадических видах БАС. В недавнее время методом полногеномного секвенирования (WGS) была выявлена мутация EWSR1 в группе монозиготных (однояйцевых) близнецов, неконкордантных (не предрасположенных) к развитию БАС, что позволяет предположить наличие дополнительных факторов, воздействующих на заболевание (Meltz Steinberg et al., 2015).
К настоящему времени открыто 108 мутаций генов при боковом амиотрофическом склерозе. Все, кроме D90A и D96N, наследуются по аутосомно-доминантному типу. Помимо этого, за последнее десятилетие выявлено несколько генов помимо гена СОД-1, мутации которых могут приводить к развитию БАС: гены белков цитоскелета мотонейрона, гены белков, регулирующих выживание мотонейронов, гены белков митохондриальной дыхательной цепи. Основные описанные генетические локусы при боковом амиотрофическом склерозе представлены в таблице 1 и 2.
На данный момент определены более 22 локусов БАС и 4 локуса БАС + FTD (FTD-ALS – frontotemporal dementia – ALS) (БАС наряду с лобно-височной деменцией), и в большинстве случаев идентифицируются гены, связываемые с возникновением заболевания. Это обозрение подводит итог доступной на сегодня информации, которую удалось собрать по четырем наиболее распространенным генам, связываемым с семейными случаями БАС: SOD1, TARDPB, FUS, и C90RF72. Эти гены привлекли внимание к роли окислительного стресса и РНК-процессинга как патогенных механизмов, способствующих развитию БАС.
?
Таблица 1.
Описанные генетические локусы при боковом амиотрофическом склерозе, по данным отечественной литературы
Кроме того, более редкие генетические аллели заключают в себе дополнительные биологические пути, как, например, систему убиквитин-протеасомы (UPS), белковый трафик, а также расстройство цитоскелетной функции.
Рис. 4. Исторические вехи и частота открытия различных генов, участвующих в возникновении бокового амиотрофического склероза. Примечание. Каждый ген нанесен на график в соответствии с годом его обнаружения. Размер мутаций в FALS и ALS, как указано в литературе. В тех случаях, когда частоты генов отсутствуют, для иллюстративных целей им присваивается размер круга, эквивалентный 1% (цит. по: Al Sultan et al., 2016)
На представленном рисунке 4 авторы использовали нумерацию локусов, как это приведено в Online Mendelian Inheritance (онлайн каталог фенотипических маркеров у человека) в каталоге фенотипических серий по БАС (PS105400) и FTDALS (PS105550) (Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM
, 2016).
БАС1: Cu-Zn дисмутаза супероксида (SOD1). Мутация Cu-Zn супероксиддисмутазы 1 (SOD1) была первой описанной генетической причиной семейных случаев БАС (FALS) (Rosen et al., 1993). Большинство SOD1-мутаций представляют собой аутосомно-доминантную картину, сопровождаемую высокопроникающим паттерном наследственности. Эти мутации преимущественно ассоциируются с возникновением БАС в каких-либо конечностях. Исключением из данного правила является мутация D90A, выявляемая преимущественно у скандинавских популяций, в которых она наследуется в аутосомно-рецессивном виде. Частота SOD1-мутаций варьируется в зависимости от популяций, от 23% в Скандинавии и до 12% в Германии; также мутации определялись в кажущихся спорадических случаях (Andersen, 2006). База данных по БАС (ALSoD database, http://alsod.oip.kcl.ac.uk (http://alsod.oip.kcl.ac.uk/); Abel et al., 2012) сообщает о 183 мутациях в SOD1, связываемых с болезнью (оценка на ноябрь 2015 г.), большая часть которых представляет собой точечные мутации.
Учитывая, что SOD1 кодирует 153-й аминокислотный белок, это количество мутаций поразительно, причем мутации распределяются по всему гену и оказывают воздействие на целый ряд доменов внутри белка. Данное обстоятельство отличается от некоторых других ассоциированных с БАС мутаций, которые чаще локализуются в пределах определенного мотива выделяемого белка, тем более что неясно, являются ли все заявленные SOD1-мутации действительно патогенными (Felbecker et al., 2010; Marangi, Traynor, 2015). Множественные мутации, происходящие внутри белка, привели также к трудностям определения того, каким образом они отвечают за фенотип болезни. Ген SOD1 является повсеместно экспрессируемым антиоксидантным белком, ускоряющим и катализирующим супероксид свободных радикалов в перекись водорода и кислород. Так как большинство мутантных белков сохраняют эту ферментативную функцию, предполагается, что патогенность оказывает свое воздействие через принцип токсического приобретения функции, хотя точная природа подобной токсичности пока еще остается полностью не изученной. Рассматривался ряд взаимно совместимых патогенных механизмов, в том числе окислительный стресс, экскайтотоксичность, скопление и агрегация белков, нейровоспаление, апоптоз, митохондриальная дисфункция, дисрегуляция аксонального транспорта и стресс эндоплазматического ретикулума (Felbecker et al., 2010; Marangi, Traynor, 2015; Kaur et al., 2016). Мутантные SOD1-белки (mtSOD1) обнаруживают переменные состояния металляции (замещения металлом водорода) и формирования дисульфидной связи, что приводит к тому, что деметаллизированная и развернутая апоформа может проникать в межмембранное пространство митохондрии (пластосомы), вызывая тем самым митохондриальную дисфункцию (cSheng et al1., 2012). Помимо этого, процесс деметаллизации приводит к повышению неустойчивости, и mtSOD1 демонстрируют более высокую предрасположенность к накоплению, чем SOD1 дикого типа.
Таблица 2. Обзор ключевой информации, доступной для локусов ALS и FTDALS, о генах, вовлеченных в развитие бокового амиотрофического склероза (цит. по: Al Sultan et al., 2016)
Примечание. Нумерация локусов ALS и FTDALS определяется онлайн-каталогом фенотипических маркеров у человека OMIM®. Частота мутаций в FALS основана на данных из исходных статей или ссылок, помеченных звездочкой (*). В некоторых случаях предоставляется частота в ALS, а не FALS (цит. по: Al Sultan et al., 2016).
Совсем недавно было показано, что мутантный SOD1 (mtSOD1), вместе с неправильно свернутым SOD1 дикого типа, продвигаются от клетки к клетке и инициируют прионо-подобное скопление SOD1 (Grad et al., 2014; Munch, Bertolotti, 2011). Тогда как первоначальное исследование продемонстрировало разрастание неправильно свернутого белка в моделях клеточных культур, спинальные гомогенаты, изъятые из парализованного мышиного мутанта G93A SOD1 и пересаженные в 6-месячную G85R-SOD1:YFP мышиную модель (в которой обычно болезнь не развивалась раньше, чем до 20 мес.), вызывали прогрессирующую болезнь двигательного нейрона в течение 3 месяцев (Ayers et al., 2016).
В обычном виде неправильно свернутые белки изымаются из клеток через механизм действия системы убиквитин-протеасомы (UPS). Однако в БАСе, обусловленном геном SOD1, а также в спорадическом БАСе было показано, что действие системы убиквитин-протеосомы (UPS) нарушается (Kabashi et al., 2012, Kabashi, Durham, 2006). Кроме того, было показано, что MGRN1 (mahogunin ring finger 1), являющийся E3 убиквитин-лигазой, которая катализирует и ускоряет моноубиквитинирование белков и помечает их для деградации при помощи UPS-независимого механизма, сокращается в G93A мышиной модели. Любопытно, однако, что сверхэкспрессия этого белка приводила к сокращению SOD1-токсичности за счет подавления агрегации (скопления) SOD1. Таким образом, терапевтические стратегии по лечению БАС включают повышение очищения от неправильно свернутого SOD1, и индуктор белка теплового шока, arimoclomol, представляет собой один из подобных препаратов, разрабатываемых и изучаемых в настоящее время (Kalmar et al., 2014).
Хотя вначале окислительный стресс считался одним из основных механизмов мутантных SOD1, продолжающиеся исследования патогенного действия SOD1 привлекли и такие факторы, как система убиквитин-протеасомы (UPS), накопление и деградация белков, а также другие аспекты белкового трафика. Подобные пути также связаны с открытием дополнительных генов семейных БАС (FALS) (Раздел «Белковый трафик и гены, имеющие отношение к деградации»).
ALS10/БАС10: TAR ДНК-соединительный белок (TARDBP)
Транзактивный ДНК-связывающий белок 43 (TDP-43) кодируется геном TARDBP на chr1p36.22 (Sreedharan et al., 2008). Ген TARDBP ответственен за 4—5% семейных БАС и примерно 1% спорадических случаев БАС (Millecamps et al., 2010). Мутации в TARDBP наследуются в виде аутосомно-доминантных (AD) проявлений и ассоциируются с классическим клиническим фенотипом БАС. Ген TARDBP кодирует несколько изоформ, из которых преобладает TDP-43. Изоформа TDP-43 является гетерогенным ядерным рибонуклеопротеином (hnRNP), наделенным сигналом ядерной локализации (NLS) и сигналом ядерного экспорта, что способствует челночному перемещению белка между ядром и цитоплазмой. В белке TDP-43 содержатся три последующих домена, два мотива распознавания РНК (RRM1 and RRM2), которые участвуют в соединении РНК и ДНК, а также глицин-обогащенный домен, который необходим для взаимодействия с другими белками и представляет собой локализацию, в которой происходит большинство мутаций (Baralle et al., 2013; Lagier-Tourenne et al., 2010).
Первоначально TDP-43 был идентифицирован как транскрипционный репрессор, соединяющийся с TAR ДНК в вирусе-1 иммунодефицита человека (Ling et al., 2015). После этого было продемонстрировано, что TDP-43 играет роль в РНК-метаболизме, в том числе в РНК-транскрипции, альтернативном сплайсинге, предварительном микроРНК-процессинге, РНК-транспорте и устойчивости матричной РНК (messenger RNA, mRNA) (Scotter et al., 2015). Белок TDP-43 обладает способностью самостоятельно регулировать экспрессию собственных генов за счет соединения с 3?нетранслируемой областью (3?UTR) своего матричного РНК, что порождает неустойчивость и разложение (Ayala et al., 2015). Также TDP-43 соединяется с UG-обогащенными последовательностями в многочисленных последовательностях mRNA (матричной РНК) в целях регулирования сплайсинга (Polymenidou et al., 2011; Sephton et al., 2011; Xiao et al., 2011). Кроме того, недавно была обнаружена новая функция, при которой TDP-43 может подавлять сплайсинг несохраненных (неконсервированных) экзонов, известных как криптические экзоны (Ling et al., 2015). Устранение TDP-43 позволяло этим криптическим экзонам встраиваться в последовательности mRNA (матричной РНК), что затем прерывало транслирование и вызывало нонсенс-опосредованное разрушение. Наконец, TDP-43 также известен в качестве составляющего компонента стрессовых гранул (SGs), хотя и неясно, способствует ли это обстоятельство процессу нейродегенерации (Aulas, Vande Velde, 2015). Роль белка TDP-43 весьма заметна в характерных убиквитиновых цитоплазматических включениях, которые обнаруживаются у больных с БАС и лобно-височной деменцией (Neumann et al., 2006). Примерно 97% больных с семейной и спорадической формами БАС являются положительными для TDP-43 включений в двигательном кортексе и спинном мозге, тем самым подчеркивается значение TDP-43 как основной белковой сигнатуры заболевания, а не только тех белков, переносящих TARDBP-мутации (Sreedharan et al., 2008; Qin et al., 2014).
Потеря ядерной локализации TDP-43 при БАСе хорошо задокументирована, и существуют данные о наступающем в результате этого дефиците сплайсинга в клеточных и животных моделях БАС, а также в образцах, взятых у пациентов (Ling et al., 2015; Highley et al., 2014; De Conti et al., 2015). Кроме утраты ядерной функции, цитоплазматическое приобретение функции также может способствовать нейродегенерации. Модель мыши с мутацией в сигнале ядерной локализации TARDBP человека, что ограничивало TDP-43 до уровня цитоплазмы, продемонстрировала увеличенную экспрессию связанных с транскрипцией и хроматиновой сборкой генов и генов обработки гестона 3?UTR (Amlie-Wolf et al., 2015). Важно отметить, что подобные транскрипционные изменения не наблюдались при добавлении антисмыслового олигомера к нокдаун TDP-43 экспрессии, что, таким образом, поддерживало идею о цитоплазматическом токсическом приобретении функции. Наконец, как и в случае прионоподобного распространения заболевания, описанного при SOD-БАСе, были также получены доказательства того, что TDP-43 олигомеры дикого типа могут распространяться горизонтально от клетки к клетке через микровезикулы, в том числе через лизаты головного мозга больных БАС, а также вертикально по аксонам (Feiler et al., 2015). Таким образом, снижение скоплений подобных мутантных протеинов постепенно становится все более широко используемой терапевтической стратегией.
ALS6/ALS6: соединение с саркомой (FUS)
Ген FUS в chr16p11.2 впервые был идентифицирован как гибридный (соединительный) онкоген липосаркомы. Ген FUS принадлежит семейству FET-белков, и было доказано, что он является hnRNP (гетерогенным ядерным РНП) благодаря своему участию в транскрипционном процессе, транспорте, трафике, альтернативном сплайсинге и обработке микроРНК. Как и в случае с TDP-43, он также присутствует в SGs (стресс-гранулах). По своей структуре FUS состоит из 526 аминокислот, которые образуют N-терминальный домен, обогащенный в глутамин-глицин-серин-тирозине (QGSY), трех аргинин-глицин-глицин обогащенных доменов (RGG-rich domains), RRM, и мотива «цинкового пальца», а также из сигнала ядерного экспорта и NLS (сигнала ядерной локализации), обеспечивающих ядерно-цитоплазматическое челночное курсирование белка (Deng et al., 2014).
Мутации, происходящие в FUS-гене, вначале были выявлены в аутосомно-рецессивном семействе из Кабо Верде, хотя последующий скрининг позволил установить, что FUS также является причинным фактором в аутосомно-доминантном БАС (Kwiatkowski et al., 2009; Vance et al., 2009). Мутации FUS составляют до 4% семейных БАС и 1% спорадических БАС, а большинство мутаций сосредоточено либо в пределах экзонов 3—6, кодирующих QGSY-обогащенный и первый RGG-регион, либо в экзонах 12—15, которые шифруют домен «цинкового пальца», два других RGG-домена и NLS (сигнал ядерной локализации) (Deng et al., 2014). Хотя было продемонстрировано, что в С-терминале мутации являются функциональными, тем не менее мутации, происходящие в экзонах 3—6, чаще выявляются при спорадическом БАС, или они не всегда изолируются от заболевания, что предполагает факт неполной пенетрантности (проявления гена) или непатогенных вариаций.
Ранее очищение от РНК полимеразы II из ядра было показано как приводящее к увеличению цитоплазматического FUS, что позволяет предположить, что FUS играет роль в транскрипции (Zinszner et al., 1998). Впоследствии было показано, что FUS выступает как посредник-медиатор во взаимодействии между РНК полимеразой II и фактором сплайсинга U1 snRNP, тем самым соединяя транскрипцию со сплайсингом (Yu, Reed, 2015). Мутации в FUS приводят к неверной локализации как FUS, так и U1 snRNP в цитоплазме (Yu et al., 2015), а другие РНК-связывающие белки, в том числе SMN1, hnRNPA1, и hnRNP2, также совместно локализуются в mtFUS-скоплениях (Takanashi, Yamaguchi, 2014). К последствиям таких mtFUS-взаимодействий можно отнести дисрегуляцию сплайсинга и увеличение соединения FUS с SMN, что приводит к сокращению в Gem-организмах (Gem bodies), тем самым отражая как потерю, так и приобретение функции, которые осуществляются mtFUS (Sun et al., 2015).
Мутации, происходящие в FUS, также могут передавать патогенность через дополнительные взаимодействия. Было показано, что FUS соединяется с mRNAs и способствует их транспортировке по дендритам (Fujii, Takumi, 2005); впоследствии было показано, что FUS связывается с polyA отростком AMPA рецептора GluA1, управляя его устойчивостью, притом что утрата FUS приводила к сокращению GluA1 (Udagawa et al., 2015). Кроме того, было показано, что FUS транслоцируется с митохондрией, взаимодействуя с митохондриальным белком 60 шаперона теплового шока (mitochondrial chaperone heat shock protein 60, HSP60), что приводит к митохондриальному поражению (Deng et al., 2015). Наконец, mtFUS взаимодействует с Pur-alpha в стресс-гранулах (SGs) и увеличивает фосфорилирование фактора инициации элонгации 2-alpha, соответственно, тем самым блокируя синтез белков (Di Salvio et al., 2015). Однако вклад каждого из подобных взаимодействий относительно патогенеза заболевания подлежит более точному определению.
FTDALS I (лобно-височная деменция-БАС): С90КА72 (С90КА72)
Наиболее распространенная причина семейных случаев БАС на данное время заключается в экспансии интронного GGGGCC-повтора, происходящего в C90RF72. Эта область вначале была определена посредством полногеномных ассоциативных исследований случаев БАС спорадического вида, а также в популяции финских больных БАС (Shatunov et al., 2010; Laaksovirta et al., 2010). Несмотря на то что изначальное секвенирование гена не смогло определить наличие каких-либо точечных мутаций, самый современный метод таргетированного секвенирования этой области установил участок интронного повтора, расположенный между некодирующими экзонами 1a и 1b (Renton et al., 2011; DeJesus-Hernandez et al., 2011). В то время как здоровые испытуемые группы контроля чаще всего обладают менее 10 гексануклеотидными повторами, пациенты БАС обычно переносят 400—2000 повторов. Экспансия повторов была идентифицирована у 37,6% семейных БАС и 6,3% спорадических БАС, а также в диапазоне до 25,1% случаев лобно-височной деменции (Majounie et al., 2012). В этой связи не удивляет тот факт, что наиболее существенный клинический фенотип, ассоциирующийся с этим генетическим подтипом, состоит в повышенной частоте случаев семейной истории лобно-височной деменции. Помимо того, есть доказательства, что большее количество случаев бульбарного возникновения ассоциируются с БАС, который связан с геном C90RF72 (до 44%, в сравнении с 25—26% в не связанных с геном C90RF72 случаях БАС), а некоторые исследования также сообщают о более раннем возрасте возникновения заболевания (на 1,8—5,0 лет) и его более короткой продолжительности (на 5,7—12,0 мес.) (Cooper-Knock et al., 2015).
Функция C90RF72-гена в настоящее время изучается, хотя структурный анализ позволил установить, что функция этого гена схожа с функцией GDP/GTP-факторов обмена, регулирующих Rab-GTP-азы и может регулировать везикулярный трафик (Levine et al., 2013). Дальнейшее исследование продемонстрировало, каким образом C90RF72 совместно локализовался с Rab-белками, участвующими в аутофагии и эндосомальном трафике (Farg et al., 2014). Хотя механизм действия функции в настоящее время устанавливается, были предложены несколько гипотез относительно того, каким образом интронный гексануклеотидный повтор может вызывать нейродегенерацию: 1) гаплонедостаточность, 2) РНК-токсичность, 3) белковая токсичность дипептидных повторов.
Гаплонедостаточность
Сниженные уровни C90RF72-транскрипта были замечены у больных с экспансией повторов по сравнению с контрольными испытуемыми, и гипотеза о гаплонедостаточности получила подтверждение, когда нокдаун (выключение) гомолога C9orf72, смоделированного у данио (zebrafish), привел к аксональной дегенерации (Ciura et al., 2013). В противоположность этому, в условной модели у C9orf72 нокаутированной мыши, у которой C9orf72 был специально удален из нейрональных клеток, не были получены какие-либо данные, свидетельствующие о нейродегенеративном фенотипе (Koppers et al., 2015). Тем не менее систематическое изучение уровней экспрессии трех C90RF72-транскриптов (вариант 1 = экзон 1а, 2—5; вариант 2 = экзон 1b, 2—11; вариант 3 = экзон 1а, 2—11) показало существенно сокращенную экспрессию вариантов 1 и 2, отмечавшуюся в мозжечке и лобном отделе коры (фронтальном кортексе) переносчиков экспансии C90RF72, и наблюдалось корреляционное соответствие между более высоким уровнем экспрессии варианта 1 и выживаемостью (van Blitterswijk et al., 2015). Данный факт предполагает, что стратегии антисмысловых олигомеров должны избегать сокращения уровней экспрессии C90RF72.
РНК-токсичность
T.F. Gendron и команда определили, что локусы (очаги) РНК расположены преимущественно в ядре и, периодически, в цитоплазме двигательных нейронов, и отметили, что эти локусы состоят как из смысловых, так и из антисмысловых РНК (Gendron et al., 2013). Как оказалось, наличие антисмысловых РНК-очагов находится в корреляционном соответствии с неверной локализацией TDP-43, но не с белковой токсичностью дипептидных повторов (DPRs) (Gendron et al., 2013; Cooper-Knock et al., 2015). Считается, что последовательность повторов формирует G-квадруплексные (учетверенные) структуры внутри клетки. Многие РНК-связывающие белки совместно локализуются с РНК-очагами, теоретически изолируя их из клетки и прерывая их РНК-процессинговые (обрабатывающие) функции (Cooper-Knock et al., 2014, Lee et al., 2013). Это обстоятельство может лежать в основе существенной дисрегуляции РНК-сплайсинга, которая отмечается при экспансии, когда более высокий разрыв (прерывание) заметен у больных с более короткой выживаемостью (Cooper-Knock et al., 2015, Prudencio et al., 2015). Однако очаги РНК отмечаются и в фибробластах, полученных от бессимптомных пациентов (Cooper-Knock et al., 2014, Lagier-Tourenne et al., 2013), и в моделях БAC на трансгенных мышах, содержащих расширенную аллель; тогда как очаги РНК и дипептидные повторы воспроизводят нейропатологию БАС, сведения, которые могли бы подтвердить наличие нейродегенерации, отсутствуют (Peters et al., 2015, O’Rourke et al., 2015). Это противоречит данным по мышиной модели, экспрессирующей 66-повторную G4C2-экспансию конкретно в ЦНС, что продемонстрировало нейропатологические, поведенческие и двигательные нарушения уже к 6 месяцам (Chew et al., 2015).
Белки дипептидного повтора
Наконец, было показано, что экспансия GGGGCC-повторов подлежала повтор-ассоциированной не-анти-тимоцитарной глобулиновой трансляции (repeat-associated non-ATG translation) (Mori et al., 2013). Как смысловые, так и антисмысловые РНК транслируются, образуя белки дипептидных повторов, состоящие из poly-GA, -GP, -GR, -PA и -PR (с poly-GP, продуцируемой как из антисмысловых, так и из смысловых РНК) (Gendron et al., 2013; Mori et al., 2013). Эти белки дипептидного повтора наблюдаются в виде скопления внутри нейрональных цитоплазматических включений и нейрональных внутриядерных включений в двигательной коре мозга, мозжечке, гиппокампе и спинном мозге и положительно маркируются к убиквитину и p62. В недавнее время антитела, восставшие против каждого из белков дипептидного повтора, продемонстрировали лишь небольшую корреляционную зависимость между распространением/грузом дипептидных повторов (DPR) и клиническим фенотипом (Mackenzie et al., 2015; Davidson et al., 2015), что, по мнению авторов, говорит против того, чтобы рассматривать скопление и агрегацию дипептидных повторов как главный патогенный механизм. Это противоречит работе, использовавшей модель дрозофилы, в которой экспрессия дипептидных повторов порождала нейродегенерацию в глазе насекомого (Mizielinska et al., 2014).
В итоге появляется все большее количество данных, говорящих в пользу некоторой формы РНК-дисрегуляции как фактора, способствующего БАС, обусловленному действием C90RF72. Однако пока различные клеточные и животные модели, применяющие разнообразные генетические конструкции, генерируют противоречивые результаты относительно вклада каждой из трех гипотез в развитие заболевания, более точные механизмы все еще подлежат полноценному разъяснению. Прерывание (разрыв) C90RF72-белковой функции в эндосомальном трафике может также представлять собой способствующий фактор.
Другие РНК-процессирующие гены, причастные к БАС
До определения генов TARDBP и FUS как генов, связанных с возникновением БАС, уже была доказана причастность к заболеванию двух РНК-процессирующих генов: ангиогенина (ANG) и сенатаксина (SETX). Впоследствии мутации в hnRNPA1 и matrin 3 (MATR3) были установлены методом полноэкзомного секвенирования, и атаксин 2 (ATXN2) определили как фактор риска.
ALS9/БАС9: ангиогенин (ANG)
После идентификации ANG однонуклеотидных полиморфизмов rs11701, представленных в большом количестве и превалирующих в случаях БАС по Шотландии и Ирландии, скрининг на ANG установил 7 миссенс-мутаций (с изменением смысла) в 15 случаях БАС, из которых 4 являлись семейной формой заболевания (FALS) (1,54%), а 11 относились к спорадическому БАС (SALS) (0,80%) (Greenway et al., 2006). Ген ангиогенин (ANG) является членом суперсемейства панкреатической рибонуклеазы и обладает нейропротекторными свойствами, хотя в mtANG эти свойства нарушаются (Subramanian et al., 2008). В то время как многочисленные мутации были определены, p.K17I не всегда демонстрировал сегрегацию заболевания. Тем не менее метаанализ показал, что у представителей белой европеоидной расы, носителей этой аллели, риск возникновения БАС выше в 1?65 раза, и он увеличивался десятикратно в семейной форме БАС (Pan et al., 2015). Оказалось, что ангиогенин (ANG) индуцирует сборку стресс-гранул (SGs) (Ivanov et al., 2014). Любопытно, что подобная индукция может ингибироваться G-квадриплексными структурами, которые формируются с помощью G4C2 C90RF72 расширенного повтора, тем самым устанавливая взаимосвязь между C90RF72 и ANG.
ALS4/БАС4: сенатаксин (SETX)
Мутации в SETX ассоциируются с подростковым стартом БАС, сопровождаемым ослаблением дистальных мышц и отсутствием бульбарных или чувствительных симптомов. У больных обычно отмечается длительное и медленное прогрессирование болезни, при котором сохраняется сравнительно нормальная продолжительность жизненного цикла (Chen et al., 2004; Hirano et al., 2011). Редкие мутации аутосомно-доминантного вида в SETX имеют место при БАСе, тогда как рецессивные SETX-мутации ассоциируются с атаксия-глазодвигательной апраксией-2 (Hirano et al., 2011). Механизмы, посредством которых SETX-варианты приводят к БАС, остаются неизвестными; тем не менее SETX шифрует ДНК/РНК-геликазный белок, который играет роль в восстановлении ДНК в ответ на окислительный стресс. Ген SETX также взаимодействует с РНК-процессирующими белками, регулирующими транскрипцию и pre-mРНК процессинг, что позволяет выдвинуть теорию о том, что причина дегенерации двигательного нейрона, обусловленной мутациями в SETX, может являться результатом патологического РНК-процессинга (Skourti-Stathaki et al., 2011).
ALS13/БАС13: атаксин 2 (ATXN2)
Более 36 повторов CAG внутри ATXN2 способны вызвать спинально-церебеллярную атаксию 2; однако было замечено, что промежуточные повторы в диапазоне 27—33 тесным образом ассоциируются с БАС, и таким образом установлено, что ATXN2 модифицирует токсичность TDP-43 в дрожжах (Elden et al., 2010). Белок ATXN2 представляет собой РНК-связующий белок, участвующий в РНК-процессинге и локализующийся в эндоплазматическом ретикулуме, аппарате Гольджи и SGs; ATXN2 также взаимодействует с FUS, и промежуточные экспансии обостряют мутантный фенотип FUS в клеточных моделях (Farg et al., 2013). Недавний метаанализ более 6000 больных БАС и 7000 контрольных испытуемых установил, что длины повторов в диапазоне 25—28 обладали в действительности протекторными свойствами, тогда как существенный риск связан с CAG-повторами в диапазоне 31—33 (Neuenschwander et al., 2014). Данное наблюдение поддерживается итальянским исследованием, в котором дополнительно <31 повтора соотносились со спинальным стартом БАС и сокращенной выживаемостью (Borghero et al., 2015).
ALS20/БАС20: гетерогенный ядерный рибонуклеопротеин A I (hnRNPA I)
После доказательства с использованием методов секвенирования экзомов того, что hnRNPA 1 и hnRNPA2B1 мутации являются причинными в семействах мультисистемной протеинопатии, эти гены были специально изучены в 212 случаях семейного БАС, по которым метод экзомного секвенирования был доступен (Kim et al., 2013). Был выявлен отдельный случай, сопровождавшийся мутацией в hnRNPA1. Любопытно, что hnRNPA1 и A2/B1 являются известными взаимодействующими партнерами TDP-43, а hnRNPA1 также взаимодействует с убиквилином-2 (Gilpin et al., 2015). В двигательных нейронах БАС существует утрата интенсивного hnRNPA1 ядерного окрашивания, что также соотносится с ядерной потерей в TDP-43, хотя и hnRNPA1 не был замечен как совместно локализующийся с TDP-43 во включениях, сформированных в виде клубка (Honda et al., 2015). Однако скрининг 113 итальянцев с семейным БАС и 135 голландцев с семейной формой, а также 1084 голландцев со спорадической формой не выявил какие-либо hnRNPA1 мутации, что приводит нас к выводу о том, что это очень редкая причина возникновения семейной формы БАС.
ALS21/БАС21: матрин 3 (MATR3)
Экзосомное секвенирование крупных родословных генеалогий привело к идентификации мутации в MATR3-гене; предыдущее семейство, переносящее мутацию в MATR3 и первоначально диагностированное как аутосомно-доминантная дистальная, асимметричная миопатия с парезом голосовых связок, подверглось переоценке, и заново вынесенный диагноз заключался в заболевании БАС (Johnson et al., 2014). Дальнейший скрининг случаев БАС среди итальянцев и британцев позволил идентифицировать еще две мутации: одну семейную БАС (FALS) и одну спорадическую (SALS). В целом MATR3 является РНК/ДНК-связующим белком, взаимодействующим с TDP-43; в то время как p.S85C мутация усиливает данное взаимодействие, две другие мутации, p.F115C и p.T22A, не ведут к его усилению. Тем не менее это различие может лежать в основе медленного прогрессирования заболевания в том семействе, которое является переносчиком p.S85C-мутации. Хотя последующие мутации не были обнаружены в 372 случаях семейной БАС из Франции, Тайваня, Австралии и французской Канады, 4 мутации были выявлены в случаях, казавши [ся спорадическим БАС (3 у французских канадцев и 1 у гражданина Тайваня).
Гены семейства FET
ТАТА box связующий протеин-ассоциированный фактор 15 (TAF15) и регион 1 точки разрыва саркомы Юинга (EWSR1) представляют собой РНК-связующие белки, которые, наряду с FUS, образуют FET-семейство белков. Во всех трех содержатся прионоподобные домены, и эта особенность используется для ранжирования потенциальных РНК-связующих белков как причастных к развитию БАС вслед за функциональным дрожжевым скринингом (Couthouis et al., 2011). Скрининг TAF15 идентифицировал пять миссенс-вариантов (с изменением смысла) в 1262 случаях БАС, в то время как скрининг EWSR1 идентифицировал 2 потенциальных мутации у 817 случаев БАС (Couthouis et al., 2012). Хотя эти варианты отсутствовали у испытуемых контрольной группы, тем не менее их удалось определить у больных со спорадическим БАС, таким образом сегрегация (разъединение) не могла быть продемонстрирована. Однако как TAF15, так и EWSR1-белки обнаруживают цитоплазматическую неверную локализацию в спорадических видах БАС. В недавнее время методом полногеномного секвенирования (WGS) была выявлена мутация EWSR1 в группе монозиготных (однояйцевых) близнецов, неконкордантных (не предрасположенных) к развитию БАС, что позволяет предположить наличие дополнительных факторов, воздействующих на заболевание (Meltz Steinberg et al., 2015).
Последний отзыв
Интересная книга