Наследственные Болезни и НОХ Гены

http://mglinets.narod.ru/syndroms2/HOXdisease.htm

Группа генов, известная как гомеобоксные гены, является важной для регуляции развития. Эти гены высоко законсервированы в ходе эволюции. Они экспрессируются во время эмбрионального развития высоко скоординированным образом и продолжают экспрессию практически во всех тканях и органах во взрослой жизни. Homeobox {Hox) гены были обнаружены благодаря наблюдениям над интересными мутациями у плодовой мушки, Drosophila melanogaster. Мутация antennapedia трансформировала антенны в ноги, тогда как мутация bithorax гальтеры (балансирующий орган в третьем торакальнои сегменте) частично в крылья. Эти изменения были описаны как гомеозисные трансформации от греческого слова homeosis, означающего изменение одной структуры тела в др. Было установлено, что гомеозисные гены специфицируют качественные особенности сегментов тела мух вдоль передне-задней оси (1).

Нох гены предопределяют паттерны развития конечностей позвоночных. У кур, по крайней мере 23 Нох генов экспрессируются во время развития конечностей, с Ноха9 экспрессирующимся в проксимальной части конечности, из которой развиваются плечо или бедро. Ноха9, Ноха10 и Ноха11 экспрессируются в передних конечностях, где формируются radius и ulna (или tibia и fibula). Ноха9-13 экспрессируются в запястье (или лодыжке) и пальцах. Сходный паттерн экспрессии обнаруживается для Hoxd генов, тогда как экспрессия кластера Нохс более сложная. Эти наблюдения иллюстрируют, что сложные сети экспрессии генов участвуют в развитии органов и указывают на функциональное перекрывание генов Нох, которое может маскировать эффекты пониженной экспрессии или мутаций индивидуальных Нох генов. Однако, ряд аномалий в конечностях людей описан и связан со специфическими Нох генами.

Synpolydactyly (SPD), редкое, доминантно наследуемое уродство конечностей с определенной комбинацией синдактилии (слияния пальцев) и полидактилии (добавочных пальцев), вызываемое мутациями в HOXD13. SPD обычно характеризуется синдактилией 3/4 пальцев he и 4/5 пальцев ног с удвоенным пальцем в синдактиличной складке. Затронутые члены семьи часто обнаруживают варьирующую экспрессию нарушения из-за неполной пенетрантности. Молекулярная основа SPD установлена при исследовании изолированной турецкой деревни (8). SPD локус был картирован на хромосоме 2q31, где расположен кластер генов HOXD (9). У нормальных индивидов экзон 1 HOXD13 содержит дефектную последовательность тринуклеотидных повторов, кодирующую полиаланиновый трек из 15 остатков, а каждая затронутая семья обнаруживала увеличение этого повтора, приводя к появлению дополнительных 7, 8 или 10 остатков (Рис. 3D)/

Brachydactyly, при которой наблюдается укаорочение пальцев, является редким проявлением у пациентов, которые гомозиготны по SPD (10). 2 пациента из 128, отобранных для хирургического восстановления врожденных аномалий конечностей, как было установлено имеют новую мутацию в HOXD13 гомеодомене (Ile314Leu). В дальнейшем специфические мутации в HOXD13 были сцеплены с разными комбинациями нарушений конечностей (11).

Hypodactyly, полу-доминантный синдром потери развития палаьцев, был изучен у мышей. Животные, гомозиготные по hypodactyly, обнаруживали выраженный дефицит образования пальцевых дуг, ассоциированый с делецией в экзоне 1 Hoxa13 (12). Это приводит к сдвигу рамки считывания, приводящего в результате к потере белка дикого типа Ноха13 и продукции нового, стабильного белка в зачатках конечностей мутантных мышей. Mortlock и Innis связали гиподактилию с очень сходным нарушением у людей - hand-foot-genital syndrome (HFGS), который отличается от SPD, т.к. деформации рук и ног полностью пенетрантны, билатерально симметричны и униформны по своей тяжести (13).

Первой HOXA13 мутацией, ассоциированной с HFGS была нонсенс мутация в экзоне 2, которая приводила к превращению остатка триптофана в гомеодомене в стоп кодон, к укорочению белка на 20 аминокислот (13). Некоторые пациенты с HFGS обнаруживают также экспансию полиаланинового трека HOXA13, сходную с таковой в HOXD13 при SPD (14, 15). Миссенс мутации в экзоне 2 ассоциировали с исключительно тяжелой формой HFGS (14). Два не родственных мальчика имели делеции в областях 1q24.1-q31 и 2q31.1-q32.2, которые включали HOXD3 и HOXD13, и имели тяжелые аномалии конечностей и гениталий (16). Др. пациенты, у который полностью кластер HOXD был делетирован, имели слабо выраженный фенотип SPD, указывающий на наследуемое перекрывание в сети НОХ генов.

HOX Genes and Lung Development

Развитие легких зависит от скоординированной экспрессии большого количества генов, тонко контролируемых во времени и в пространстве. Изучение экспрессии в легких плодов людей и грызунов продемонстрировало высокую экспрессию 3' Hox генов кластеров А и В (17, 18). Имеется заметное снижение экспрессии большинства из этих генов по ходу развития легких, указывающее на то, что они участвуют в ранних стадиях морфогенеза легких, таких как ветвление воздушных путей. Однако, некоторые Нох гены, напр., Ноха5, продолжают экспрессироваться на высоких уровнях в течение всего развития и могут быть необходимы для созревания легких (19).

Аномальная экспрессия НОХ генов ассоциирует с тяжелыми врожденными аномалиями легких, напр., HOXB5 избыточно экспрессируется как при bronchopulmonary sequestration (20), так и врожденной cystic adenomatoid malformation (18). Эти нарушения характеризуются разрегулированными паттернами морфогенеза в примордиальной легочной ткани. Сохраняющиеся высокие уровни экспрессии HOXB5 после ранних стадий развития легких приводят в результате к примитивной легочной морфологии. Измененные паттерны экспрессии НОХ генов продемонстрированы также при тяжелых приобретенных нарушениях, включая эмбфизему, первичную легочную гипертензию и легочные карциномы (21, 22).

Мышиные модели, в которых экспрессия Нох генов или снижена или делетирована, предоставляют строгие доказательства роли этих генов в структурном развитии респираторной системы и в регуляции продукции легочного сурфактанта. Степень морфогенеза ветвления снижается в результате уменьшения уровней Hoxb5 с помощью антисмысловых олигонуклеотидов (23). Более того, Ноха5 нокаутные мыши развиваются и рождаются в срок, но погибают в раннем неонатальном периоде из-за закупорки трахей, снижения экспрессии белков сурфактанта и легочной патологии, сходной с сурфактант-дефицитным респираторным distress синдромом у преждевременно рожденных новорожденных человека (24).

HOX Genes and Leukamia

Множественные НОХ гены кластеров А, В и С экспрессируются в гематопоэтических стволовых клетках. Негативная регуляция или множество НОХ генов появляются, когда клетки дифференцируются внутри данного клона. Напр., Care et al., продемонстрировали, что периферические Т лимфоциты, которые были стимулированы к пролиферации с помощью phytohaemagglutinin, обнаруживали быструю индукцию волны Нох генов от Hoxb1 до Hoxb9, т.е. в 3' → 5' направлении (25).

Пертурбации процесса клеточной дифференцировки с помощью реципрокных хромосомных транслокаций могут приводить к развитию лейкемии. Такие транслокации ведут к образованию слитых генов и могут вовлекать индивидуальные НОХ гены или регуляторы активности НОХ генов. Так, описаны транслокации t[7;11)(p15;p15) или t[(1;11)(q31;p15) при которых гены НОХА9 или HOXD13, соотв., слиты с NUP98 nucleoporin геном в редких случаях acute myeloid leukaemia (AML). Чаще перестройки mixed-lineage leukaemia (MLL1) гена, позитивного регулятора специфической экспрессии НОХ генов, обнаруживаются в ассоциации с AML у детей и взрослых. Оба типа транслокаций ведут к избыточной функции, затрагивая нормальный процесс дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток или детерминированных лимфоидных или миэлоидных предшественников путем неправильной регуляции паттернов экспрессии HOX генов.

Перестройки с участием MLL и его 39 генов партнеров идентифицированы, кстати, ассоциированными приблизительно у 5% пациентов, страдающих AML и у 22% пациентов с acute lymphoblastic leukaemia (ALL) (26). Чтобы исследовать транслокацию t[(1;11)(q31;p15), которая дает MLL-ENL слитый белок, обычно обнаруживаемый при острой лекемии у детей в миэлоидном и лимфоидном ростке, Horton et al., выявили регулируемую тетрациклином систему Mll-ENL экспрессию в первичных гематопоэтических клетках (27). Используя в реальном времени количественную PCR систему (28) они оказались способны измерять экспрессию всех 39 Нох генов мыши и показали, что снижение экспрессии генов Нох является специфическим для потери MLL-ENL и не является следствием дифференцировки. Они пришли к выводу, что система MLL-ENL необходима для инициации и поддержания иммортализации миэлоидных предшественников и может вносить влад в развитие лейкемии при аберрантной поддержке экспрессии "Hox code", состоящего из Hoxa1-Hoxa11.

HOX Genes and Cancer

Многочисленные исследования выявили функциональные взаимоотношения со злокачественным фенотипом (29). Некоторые исследователи проверяли постулат, что Нох гены экспрессируемые во время эмбриогенезе, но подавляемые во время взрослой жизни, повторно экспрессируются при неоплазии - т.наз. гипотезу "oncology recapitulates ontology". Во время эмбриогенеза существует тонкий баланс между пролиферацией и дифференцировкой клеток, который существенен для нормального развития плода. Напротив, при раке баланс между двумя процессами нарушен (30).