James R. Lupski
Trends in Genetics 1998, 14:No. 10.417-422
Структурные характеристики генома человека предрасполагают к перестройкам, приводящим к болезням человека. Нарушения генома могут возникать в результате многочисленных механизмов, одним из которых является гомологичная рекомбинация во время мейоза между регион-специфическими, низкокопийными повторяющимися последовательностями1. Рекомбинация между прямыми посторами может приводить к делециям и/или дупликациям генетического матриала между повторами, тогда как рекомбинация между инвертированными повторами приводит к инверсии.
[1] Weinstock, G.M. and Lupski, J.R. (1998) in Bacterial Genomes: Physical Structure and Analysis (de Bruijn, F.J., Lupski, J.R. and Weinstock, G.M., eds), pp. 112-118, Chapman & Hall
[2] Higgs D.R. et al. (1980)
Nature, 284:632-635.
[3] Lauer J., Shen C.K.J. and Maniatis T. (1980)
Cell, 20:119-130.
[4] Weatherall, D.J., Clegg, J.B., Higgs, D.R. and Wood, W.G. (1995) in The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (7th edn) (Scriver, C.R., Beaudet, A.L., Sly, W.S. and Valle, D., eds), pp. 3417-3484, McGraw-Hill
[5] Metzenberg A.B., Wurzer G., Huisman T.H.J. and Smithies O. (1991)
Genetics, 128:143-161.
[6] Rayssiguier C., Thaler D.S. and Radman M. (1989)
Nature, 342:396-401.
[7] Vnencak-Jones C.L., Phillips J.A., Chen E.Y. and Seeburg P.H. (1988)
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 85:5615-5619.
[8] Vnencak-Jones C.L. and Phillips J.A. (1990)
Science, 250:1745-1748.
[9] Steen V.M., Molven A., Aarskog N.K. and Gulbrandsen A.K. (1995)
Hum. Mol. Genet., 4:2251-2257.
[10] Nathans J. et al. (1986)
Science, 232:203-210.
[11] Motulsky, A.G. and Deeb, S.S. (1995) in The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (Vol. II) (Scriver, C.R., Beaudet, A.L., Sly, W.S. and Valle, D., eds), pp. 4275-4295, McGraw-Hill
[12] Lifton R.P. et al. (1992)
Nature, 355:262-265.
[13] Donohoue P.A., Jospe N., Migeon C.J. and Van Dop C. (1989)
Genomics, 5:397-406.
[14] Simon D.B. et al. (1997)
Nat. Genet., 17:171-178.
[15] Zimran A. et al. (1990)
J. Clin. Invest., 85:219-222.
[16] Yen P.H. et al. (1990)
Cell, 61:603-610.
[17] Ballabio A. et al. (1990)
Genomics, 8:263-270.
[18] Li X-M., Yen P.H. and Shapiro L. (1992)
Nucleic Acids Res., 20:1117-1122.
[19] Lupski J.R. (1997)
Hosp. Pract., 32:83-122.
[20] Lupski J.R. (1998)
Mol. Med., 4:3-11.
[21] Lupski, J.R. (1998) in Scientific American Molecular Neurology (Martin, J.B., ed.), pp. 239-256, Scientific American Inc.
[22] Pentao L. et al. (1992)
Nat. Genet., 2:292-300.
[23] Chance P.F. et al. (1994)
Hum. Mol. Genet., 3:223-228.
[24] Reiter L.T. et al. (1997)
Hum. Mol. Genet., 6:1595-1603.
[25] Kiyosawa H. and Chance P. (1996)
Hum. Mol. Genet., 5:745-753.
[26] Kiyosawa H., Lensch M.W. and Chance P.F. (1995)
Hum. Mol. Genet., 4:2327-2334.
[27] Timmerman V. et al. (1997)
J. Med. Genet., 34:43-49.
[28] Lopes J. et al. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 58:1223-1230.
[29] Reiter L.T. et al. (1996)
Nat. Genet., 12:288-297.
[30] Reiter L.T. et al. (1998)
Am. J. Hum. Genet., 62:1023-1033.
[31] Lopes J. et al. (1998)
Hum. Mol. Genet., 7:141-148.
[32] Palau F. (1993)
Hum. Mol. Genet., 2:2031-2035.
[33] Lopes J. et al. (1997)
Nat. Genet., 17:136-137.
[34] Chen K-S., Potocki L. and Lupski J.R. (1996)
Mental Retard. Dev. Disab. Res. Rev., 2:122-129.
[35] Greenberg F. et al. (1996)
Am. J. Med. Genet., 62:247-254.
[36] Greenberg F. et al. (1991)
Am. J. Hum. Genet., 49:1207-1218.
[37] Guzzetta V. et al. (1992)
Genomics, 13:551-559.
[38] Juyal R.C. et al. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 58:998-1007.
[39] Chen K-S. et al. (1997)
Nat. Genet., 17:154-163. ]
[40] Dutly F. and Schinzel A. (1996)
Hum. Mol. Genet., 5:1893-1898.
[41] Urban Z. et al. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 59:958-962.
[42] Perez-Jurado L.A. et al. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 59:781-792.
[43] Robinson W.P. et al. (1996)
Genomics, 34:17-23.
[44] Wu Y. et al. (1998)
Am. J. Med. Genet., 78:82-89.
[45] Osborne L.R. et al. (1997)
Genomics, 45:400-404.
[46] Carrozzo R. et al. (1997)
Am. J. Hum. Genet., 61:228-231.
[47] Christian S.L. et al. (1995)
Am. J. Hum. Genet., 57:40-48.
[48] Christian S.L. et al. (1997)
Am. J. Hum. Genet., 61:A24.
[49] Morrow B. et al. (1995)
Am. J. Hum. Genet., 56:1391-1403.
[50] Lindsay E.A. et al. (1995)
Am. J. Med. Genet., 56:191-197.
[51] Halford S. et al. (1993)
Hum. Mol. Genet., 2:191-196.
[52] Morrow B.E. et al. (1997)
Am. J. Hum. Genet., 61:A25. ]
[53] Perez-Jurado L.A. et al. (1998)
Hum. Mol. Genet., 7:325-334.
[54] Lakich D., Kazazian J.H.H. Jnr, Antonarakis S.E. and Gitschier J. (1993)
Nat. Genet., 5:236-241.
[55] Naylor J.A. et al. (1995)
Hum. Mol. Genet., 4:1217-1224.
[56] Rossiter J.P. et al. (1994)
Hum. Mol. Genet., 3:1035-1039.
[57] Bondeson M-L. et al. (1995)
Hum. Mol. Genet., 4:615-621.
[58] Timms K.M. et al. (1997)
Hum. Mol. Genet., 6:479-486.
[59] Lagerstedt K. et al. (1997)
Hum. Mol. Genet., 6:627-633.
[60] Rudiger N.S. et al. (1991)
Clin. Genet., 39:451-462.
[61] Olds R.J. et al. (1993)
Biochemistry, 32:4216-4224.
[62] Kornreich R., Bishop D.F. and Desnick R.J. (1990)
J. Biol. Chem., 265:9319-9326.
[63] Marcus S. et al. (1993)
Hum. Genet., 90:477-482.
[64] Pousi B. et al. (1994)
Am. J. Hum. Genet., 55:899-906.
[65] Shen P. and Huang H.V. (1986)
Genetics, 112:441-457.
[66] Vulic M., Dionisio F., Taddei F. and Radman M. (1997)
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 94:9763-9767.
[67] Donohoue, P.A., Parker, K. and Migeon, C.J. (1995) in The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (Vol. II) (Scriver, C.R., Beaudet, A.L. and Valle, D., eds), pp. 2929-2966, McGraw-Hill
[68] Wise C.A. et al. (1993)
Am. J. Hum. Genet., 53:853-863.
[69] Nelis E. et al. (1996)
Eur. J. Hum. Genet., 4:25-33.
[70] Lupski J.R., Roth J.R. and Weinstock G.M. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 58:21-27.
[71] Melki J. et al. (1994)
Science, 264:1474-1477.
[72] Lefebvre S. et al. (1995)
Cell, 80:155-165.
[73] Wang C.H. et al. (1995)
Am. J. Hum. Genet., 56:202-209.
[74] Konrad M. et al. (1996)
Hum. Mol. Genet., 5:367-371.
[75] Inoue K. et al. (1996)
Am. J. Hum. Genet., 59:32-39.
[76] Lagerström-Fermer M. et al. (1997)
Am. J. Hum. Genet., 60:910-916.
[77] Small K., Iber J. and Warren S.T. (1997)
Nat. Genet., 16:96-99.
[78] Small K. and Warren S.T. (1998)
Hum. Mol. Genet., 7:135-139.
[79] Wijmenga C. et al. (1992)
Nat. Genet., 2:26-30.
(Fig 1).
Types of genomic disorders
 |
Рис. 1. Геномные перестройки в результате рекомбинации между повторяющимися последовательностями. Направление повторов показано стрелками. Большими буквами выше и ниже тонкой горизонтальной линии обозначены уникальные фланкирующие последовательности. Щтриховые линии означают событие рекомбинации, результаты которой представлены цифрами 1 и 2. (a) Рекомбинация между прямыми повторами дает делецию и/или дупликацию. (b) Рекомбинация между инвертированными повторами дает инверсию. Figure 1. Genomic rearrangements resulting from recombination between repeated sequences. Repeated sequences are depicted as black arrows with the orientation indicated by the direction of the arrowhead. Capital letters above or below the thin horizontal lines refer to the flanking unique sequence (e.g. A). Chromosome homologs are also shown (e.g. A9). Dashed lines refer to a recombination event with the results shown by numbers 1 and 2. (a) Recombination between direct repeats results in deletion and/or duplication. (b) Recombination between inverted repeats results in an inversion. |
Types of genomic disorders
Повторами могут быть: (1) ген, лишенный сегмента; (2) фрагменты генов; (3) псевдогены; (4) копии генов; (5) члены семейства генов; или (6) повторяющиеся кластеры генов. Тип геномного нарушения зависит от ориентации повтора и положения гена(ов), чувствительных к дозе, или специфических экзонов по отноешнию к повтору. Встречаются три основных типа геномных нарушений.
Tandemly repeated genes
Tandemly repeated genes
В этой группе нарушений гены располагаются тандемно или гены могут иметь соседние последовательности, которые повторяются, и служат субстратом для гомологичной рекомбинации. (Fig 2a). Рекомбинация может приводить к гаплонедостаточности или может давать рекомбинантные гибридные гены с разными свойствами. Одним из первых таких нарушений является α-thalassemia, которая обусловливается делецией гена α глобина 234. Эти делеции возникают в результате неравного корссинговера между повторяющимися последовательностями(Z и X) примерно в 4 kb локусе αглобина 4. Удвоенные Z боксы в 3.7 kb а X боксы в 4.2 kb. Нарушение порядка и реципрокный кроссинговер между Z boxes или the X boxes во время мейоза дает хромосомы с одним или тремя генами αглобина. Индивиды с одной копией имеют измененный фенотип2.
β
 |
Рис. 2. Структурные свойства генома и примеры геномных нарушений. (a) Тандемно повторенные гены. Свойства генома (геномная структура) предсталвены генами, указанными открытыми стрелками. Примеры признаков заболеваний, которые могут быть вызваны этой геномной архитектурой представлены генами, затрагимваемыми перестройками. (b) Тандемные перестройки отдельные от генов. Гены с дозовой чувствительностью (открытые горизонтальные четырехугольники) или гены (n>1) фланкированные повторами(черные стрелки) в тандемной ориентации. Если рекомбинация происходит между неправильно расположенными фланкирующими повторами (неравный кроссинговер) то гены между повторами могут быть делетированы или удвоены. Примеры заболеваний, которые появляются при такой геномной архитектуре и являющиеся результатом генной гаплонедостаточности (делеции) или увеличения дозы гена (дупликации), даны с определенными вовлеченными генамиare [? референтные чувствительные к дозе гены неизвестны]. (c) Инвертированные повторы с одной копией повтора внутри гена. Много-экзонные гены с одной копией повтора (черная стрелка) между экзонами (белые четырехугольники) а дополнительная клопия повтора расположена или выше или ниже гена. Эта геномная архитектура вызывает инверсию, которая нарушает интегральность структуры . Figure 2. Genome structural features and example genomic disorders. (a) Tandemly repeated genes. The features of the genome are shown (genome structure) with genes indicated as open arrows. Examples of disease traits that might be caused by this genomic architecture are given with the genes affected by the rearrangement. (b) Tandem repeats separated from genes. A dosage-sensitive gene (open horizontal rectangle) or genes (n>1) is flanked by a repeat (black arrows) in tandem orientation. If recombination occurs between mis-aligned flanking repeats (unequal crossing over) the genes located between the repeats can be deleted or duplicated. Examples of diseases that can occur because of this genomic architecture, and be the result of gene haploinsufficiency (deletion) or increased gene dosage (duplication) effects, are given with the particular gene involved [? Refers to dosage-sensitive gene(s) unknown]. (c) Inverted repeats with one copy of the repeat located within a gene. A multi-exon gene with one copy of a repeat (black arrow) located between exons (white rectangles) but an additional copy of the repeat is located either upstream or downstream from the gene. This genomic architecture can result in an inversion that disrupts the structural integrity of the gene. |
β
Thalassemia и слитые глобиновые гены могут также возникать в результате неравного кроссинговера и гомологичной рекомбинации между повторяющимися генами βглобина 4. Каждое событие обмена нитей происходит в обширной области сходных непрерываемых последовательностей между родительскими генами. Кроссинговер между неправильно расположенными гомологичными генами происходит в области с наибольшими участками идентичными в паре генов. 56.
Семейный изолированный дефицит гормона роста характеризуется полным отсуствием гормона роста из-за гомозиготной делеции гена, кодирующего гормон роста(GH1). Делеция GH1 возникает в результате рекомбинации между повторяющимися сегментами GH1 локуса внутри кластера генов гормона роста 78. 9 из 10 пациентов имеют кросинговер внутри сегментов в 594 п.н., которые фланкируют GH1; эти сегменты на 99% идентичны и содержат самые длинные perfect повторы или участки идентичных последовательностей, обнаруживающие гомологию на протяжении 2.24 kb и фланкирующиеGH1 в кластере гена гормона роста 8.
Цитохром P450 фермент debrisoquine 4-hydroxylase (CYP2D6) метаболизирует многочисленные различные классы лекарств. Терапевтическая эффективность и побочные эффекты метаболизируемых лекарств с помощью CYP2D6 генного продукта может зависеть от индивидуального генотипа в этом локусе. CYP2D6, - член CYPD кластера из трех тандемно расположенных генов, фланкируемчх повтором в 2.8 kb. Точки разрывов при общераспространенном делеционном аллеле, ассоциирующем с плохим метаболизмом, обнаруживаются внутри повтора 9.
Цитохром P450 фермент debrisoquine 4-hydroxylase (CYP2D6) метаболизирует многочисленные различные классы лекарств. Терапевтическая эффективность и побочные эффекты метаболизируемых лекарств с помощью CYP2D6 генного продукта может зависеть от индивидуального генотипа в этом локусе. CYP2D6, - член CYPD кластера из трех тандемно расположенных генов, фланкируемчх повтором в 2.8 kb. Точки разрывов при общераспространенном делеционном аллеле, ассоциирующем с плохим метаболизмом, обнаруживаются внутри повтора 9.
Red-green цветовая слепота чрезвычайно распространенный признак обнаруживается примерно у 8% белых мужчин. Пигментный red-green генный комплекс картируется в Xq28 и состоит из тандемно расположенных генов, кодирующих зеленый опсин. Высокая степень сходства последовательностей этих генов делает их подверженными неравному кроссинговеру и возникновению делеций или дупликаций в этом локусе10. Потеря пигментного гена или возникновение гибридного гена в результате слияния красного и зеленого опсиновых генов в рекомбинантной хромосоме ведет к дефекту red-green цветного зрения у человека1011.
Гены кодирующие альдемтерон синтазу и steroid 11βhydroxylase на 95% идентичны и располагаются на расстоянии в 45 kb на хромосоме 8q. Glucocorticoid-remediable aldosteronism (GRA) является аутосомно доминантным нарушением, которое характся гипертензией с варьирующим гиперальдостерпонизмом и высоким уровнем аномальных стероидов надпочечника, которые находятся под контролем адренокортикотропного гормона и супрессируемых глюкокортикоидами. GRA обусловлен удвоением гена, возникающим в результате неравного кроссинговера, в результате которого сливается 5' регуляторная область гена, кодирующего 11βhydroxylase (11-OHase)с кодирующими последовательностями aldosterone synthase (AldoS). В результате возникает несоответствующая экспрессия альдестерон синтазы в тканях или во время, когнда она не должна экспрессироваться 12.
Другими геномными нарушениями - результатом неравного кроссинговера физически сцепленных повторяющихся генов или гена и сходного псевдогена являются: (1) 21-hydroxylase нехватка благодаря рекомбинации между CYP21 генами13; (2) Bartter syndrome type III, следствие рекомбинации между родственными генами, кодирующими хлорные канальцы , CLCNKB и CLCNKA (Ref. 14); and (3) Gaucher disease благодаря рекомбинации между геном для acid βglucosidase и соседним псевдогеном 15.
Tandem repeats separated from genes
Гены кодирующие альдемтерон синтазу и steroid 11βhydroxylase на 95% идентичны и располагаются на расстоянии в 45 kb на хромосоме 8q. Glucocorticoid-remediable aldosteronism (GRA) является аутосомно доминантным нарушением, которое характся гипертензией с варьирующим гиперальдостерпонизмом и высоким уровнем аномальных стероидов надпочечника, которые находятся под контролем адренокортикотропного гормона и супрессируемых глюкокортикоидами. GRA обусловлен удвоением гена, возникающим в результате неравного кроссинговера, в результате которого сливается 5' регуляторная область гена, кодирующего 11βhydroxylase (11-OHase)с кодирующими последовательностями aldosterone synthase (AldoS). В результате возникает несоответствующая экспрессия альдестерон синтазы в тканях или во время, когнда она не должна экспрессироваться 12.
Другими геномными нарушениями - результатом неравного кроссинговера физически сцепленных повторяющихся генов или гена и сходного псевдогена являются: (1) 21-hydroxylase нехватка благодаря рекомбинации между CYP21 генами13; (2) Bartter syndrome type III, следствие рекомбинации между родственными генами, кодирующими хлорные канальцы , CLCNKB и CLCNKA (Ref. 14); and (3) Gaucher disease благодаря рекомбинации между геном для acid βglucosidase и соседним псевдогеном 15.
Tandem repeats separated from genes
Геномные нарушения ассоциируют также с повторами, которые физически разделены и расположены на некотором расстоянии от генного локуса, отвечающего за фенотип (Fig 2b). Повторяющиеся последовательности фланкируют геномные области, которые могут содержать один или несколько генов, любое число из которых могут быть чувствительны к дозе и и будут преимущественно ответственны за фенотип. В этом случае ген, ответственный за фенотип действительно повреждается с помощью нарушения дозы, а не используется как субстрат для рекомбинации, приводящей к перестройке ДНК. Рекомбинация между повторами ведет или к делеции одной копии чувствительного к дозе гена или к удвоению гена.
Один пример специального случая этого типа - это steroid-sulfatase (STS) нехватка, обусловленная делецией в Xp22.3. Это специальный случай, так как эффект дозы гена не приложим к фенотипу, который проявляется в гемизиготном состоянии. STS нехватка связана с кожным нарушением X-сцепленным ихтиозом. Около 90% пациентов с STS нехваткой имеют целиком делетированный ген STS 16. Из-за превалирования STS нехватки один из 2000-5000 мужчин, около 0.01% индивидов в популяции имеют X хромосому с делетированным STS локусом16. В большинстве делеций точки разрывов лежат вблизи низкокопийного повтора, называемого S232 (Refs 1617). The S232 повторы локализованы на расстояниии 1.9 Mb и состоят из 5 kb уникальных последовательностей помимо двух элементов, состоящих из варьирующего числа тандемных повторов 18.
Один из наиболее охарактеризованных геномных нарушений с помощью рекомбинации между танденмными повторами является нейропатия Charcot-Marie-Tooth disease type 1A (CMT1A), которая ассоциирует с 1.5 Mb тандемной дупликацией в 17p12 (Refs 192021). Эта дупликация возникает в результате неравного кроссинговера и гомологичной рекомбинации между 24 kb фланкирующими повторами, называемыми CMT1A-REP (Ref. 22). Реципрокный рекомбинантный продукт с участием CMT1A-REP дает в результате делецию в 1.5 Mb , которая ассоциирует с клинически отличающейся периферической нейропатией -наследственной нейропатией с лабильностью к давлению ( liability to pressure palsies (HNPP))23. CMT1A и HNPP результат нарушения копийности гена миэлина с чувствительностью к дозеPMP22, который локализуется 0.5 Mb от проксимальной или центромерной копии CMT1A-REP и 1.0 Mb от дистальной или теломерной CMT1A-REP. Две CMT1A-REP копии имеют общие 24 011 п.н. из 98.7% последовательностей 24. Повтор CMT1A-REP , по-видимому, удвеивается во время эволюции генома приматов, так как человек и шимпанзе имеют по две копии, тогда как гориллы и другие низшие приматы имеют только одну копию 2425. Таким образом, эволюция генома млекопитающих может создавать структурные свойства, делающие определенные области генома человека чувствительными к геномным нарушениям.
Гомологичная рекомбинация между фланкирующими CMT1A-REPs ассоциирует с горячей точкой для кроссоверов,где происходит >70% всех случаев2526272829. Анализх нуклеотидных последовательностей области обмена нитями в HNPP делеции30 и в CMT1A дупликации31 индивидов выявляет, что кроссоверы появляются в длинном участке (>400 н.п.) идентичности внутри высоко гомологичных CMT1A-REPs. Длина этих участков идентичности может быть равна или выше минимального эффективно процессируемого сегмента (minimal efficient processing segments (MEPS)) для гомологичной рекомбинации в мейозе человека 30. Более того анализ рекомбинантных CMT1A-REPs полкучил доказательства событий генной конверсии, которые служат признаком двунитчатых разрывов, которые часто инициируют гомологичную рекомбинацию 30. Предполагается, что mariner-подобный элемент, называемый MITE, вместе с trans действующей транспозазой, ответственненой за инициациию двунитчатых разрывов в CMT1A локусе29. Горячие точки рекомбинации ассоциированные с дупликацией The CMT1A и делецией HNPP , по-видимому, перекрываются с самым длинным участком идентичных последовательностей между CMT1A-REPs, которые являются ближайшими к элементу MITE 2930. Другими исследователями было предположено, что другой мотив из коротких последовательностей участвует в инициации процесса рекомбинации 31. Интересно половое предпочтение для de novo CMT1A удвоений, с подавляющим больштинством удвоений в результате неравного кроссинговера во время гаметогенеза самцов 3233. Однако немногие делеции HNPP задокументированы как появившиеся во время гаметогенеза самок и возникают в результате внутрихромосомных обменов33.
Один из наиболее охарактеризованных геномных нарушений с помощью рекомбинации между танденмными повторами является нейропатия Charcot-Marie-Tooth disease type 1A (CMT1A), которая ассоциирует с 1.5 Mb тандемной дупликацией в 17p12 (Refs 192021). Эта дупликация возникает в результате неравного кроссинговера и гомологичной рекомбинации между 24 kb фланкирующими повторами, называемыми CMT1A-REP (Ref. 22). Реципрокный рекомбинантный продукт с участием CMT1A-REP дает в результате делецию в 1.5 Mb , которая ассоциирует с клинически отличающейся периферической нейропатией -наследственной нейропатией с лабильностью к давлению ( liability to pressure palsies (HNPP))23. CMT1A и HNPP результат нарушения копийности гена миэлина с чувствительностью к дозеPMP22, который локализуется 0.5 Mb от проксимальной или центромерной копии CMT1A-REP и 1.0 Mb от дистальной или теломерной CMT1A-REP. Две CMT1A-REP копии имеют общие 24 011 п.н. из 98.7% последовательностей 24. Повтор CMT1A-REP , по-видимому, удвеивается во время эволюции генома приматов, так как человек и шимпанзе имеют по две копии, тогда как гориллы и другие низшие приматы имеют только одну копию 2425. Таким образом, эволюция генома млекопитающих может создавать структурные свойства, делающие определенные области генома человека чувствительными к геномным нарушениям.
Гомологичная рекомбинация между фланкирующими CMT1A-REPs ассоциирует с горячей точкой для кроссоверов,где происходит >70% всех случаев2526272829. Анализх нуклеотидных последовательностей области обмена нитями в HNPP делеции30 и в CMT1A дупликации31 индивидов выявляет, что кроссоверы появляются в длинном участке (>400 н.п.) идентичности внутри высоко гомологичных CMT1A-REPs. Длина этих участков идентичности может быть равна или выше минимального эффективно процессируемого сегмента (minimal efficient processing segments (MEPS)) для гомологичной рекомбинации в мейозе человека 30. Более того анализ рекомбинантных CMT1A-REPs полкучил доказательства событий генной конверсии, которые служат признаком двунитчатых разрывов, которые часто инициируют гомологичную рекомбинацию 30. Предполагается, что mariner-подобный элемент, называемый MITE, вместе с trans действующей транспозазой, ответственненой за инициациию двунитчатых разрывов в CMT1A локусе29. Горячие точки рекомбинации ассоциированные с дупликацией The CMT1A и делецией HNPP , по-видимому, перекрываются с самым длинным участком идентичных последовательностей между CMT1A-REPs, которые являются ближайшими к элементу MITE 2930. Другими исследователями было предположено, что другой мотив из коротких последовательностей участвует в инициации процесса рекомбинации 31. Интересно половое предпочтение для de novo CMT1A удвоений, с подавляющим больштинством удвоений в результате неравного кроссинговера во время гаметогенеза самцов 3233. Однако немногие делеции HNPP задокументированы как появившиеся во время гаметогенеза самок и возникают в результате внутрихромосомных обменов33.
Smith-Magenis syndrome (SMS), ассоцммрованный с del(17)(p11.2), является множественной врожденной аномалией, синдрома умственной отсталорсти, который по-видимому, является contiguous-gene syndrome343536. Молекулярные исследования пациентов с делецией SMS выявили примерно в 5 Mb общую делетированную область у большинства 363738. Эта область фланкируется кластером повторяющихся генов, SMS-REP, который, по-видимому, длиной >200 000 п.н.39. Имеется три копии SMS-REP, расположенных внутри общей делетированной области, копии фланкирующие эту область расположены в удалении и, по-видимому, являются субстратом для гомологичной рекомбинации39. Точки разрывов у SMS пациентиов с общей делецией появляются во фланкирующих SMS-REP. Свыше 90% пациентов с общей делецией имеют новый соединительный фрагмент кажущийся одного и того же размера при (PFGE) с SMS-REP зондом, это указывает на точность события рекомбинации 39.
Некоторые пациенты со средней степенью умственной задержки и минорными признаками дизморфии имеют дупликацию [dup(17)(p11.2)] геномной области, котрая делетируется у пациентов с SMS. Эти пациенты с дупликацией SMS области также имели пациент-специфический новый соединительный фрагмент, указывающий на то, что эти дупликации являются результатом реципрокной рекомбинации, затрагивающей SMS-REP (Ref. 39 and J.R. Lupski et al., unpublished).
Хотя не полностью охарактеризованы на молекулярном уровне наблюдения других contiguous-gene syndromes указывает на то, что они представляют собой геномные нарушения 40414243444546474849505152. Низкокопийные повторы идентифицированы в локусх, связанных с Williams syndrome (WS), Prader-Willi и Angelman syndrome, и DiGeorge/velo-cardio-facial syndrome. Более того общая делеция найдена у большинства пациентов и неравный кроссинговер , по-видимомуЮ участвует в генерации делеций. WS является contiguous-gene syndrome ассоциированным с в 7q11.23. Нелдавно геномная дупликация идентифицирована как фланкирующая обычно делетируемый интервал 53. Дуплицированный сегмент включает по крайней мере один транскрибируемый ген и его длина >30 kb. По-видимому, новый соединительный фрагмент в >3 Mb обнаружен с кДНК зондом, который гибридизируется с фланкирующим повтором в гибридных клетках динии, содержащей делецию 7q11.23, а также у 4-х пациентов WS 53. Эти результаты указывают на то, что гомологичная рекомбинация между фланкируюдщими маркерами ответственна за возникновение делеций WS .
Inverted repeats
Inverted repeats
Рекомбинаяция между инвертированными повторами, когда одна копия повтора расположена внтури гена вызывает инверсию инвертированного геномного сегмента, которая разрывает ген и функционально его (Fig 1). Прототипом этого нарушения является гемофилия А, при которой 47% случаев пациентов с тяжелыми проявлениями связаны с инверсией части гена, кодирующего фактор VIII. Эта перестройка обусловлена повторяющимимся последовательностями, расположенными в 5' конце гена54 (Fig 1). Повторяющие последовательности являются геном, не содержащим интрона, (gene A) присутствующим в интроне 22 гена, кодирующего фактор VIII. Gene A транскрибируется в противоположном направлении по сравнению с геном, кодирующим фактор VIII, и присутствют две его дополнительные копии ~500 kb расположенные выше. Рекомбинация между интронной копией 54 гена А и вышестоящими копиями ведет к инверсии экзонов 1-22 гена, кодирующего фактор VIII. Рекомбинация в более дистальной копии происходит чаще, чем с проксимальной копией. Рекомбинация происходит в областях гомологичных на 99% 55. Инверсии в этом гене, дающие тяжелую форму гемофилии А возникают исключительно в мужских зародышевых клетках 56.
Инверсия гена, кодирующего iduronate-2-sulfatase (IDS), возникающая в результате рекомбинации с IDS-родственными последовательностями является причиной синдрома Hunter 57. Псевдо ген (IDS-2) располагается на 20 kb дистальнее и в противоположной ориентации к гену IDS 5758. Локус IDS-2 тянется примерно на 3 kb и обнаруживает более чем на 88% идентичных последовательностей с IDS геном5859. Все события рекомбинации происходят внутри области в 1 kb , где идентичность последовательностей достигает более 98%59. Событие рекомбинации начинается с двойного разрыва в интроне 7 гена IDS 59.
General features regarding mechanisms for genomic disorders
Инверсия гена, кодирующего iduronate-2-sulfatase (IDS), возникающая в результате рекомбинации с IDS-родственными последовательностями является причиной синдрома Hunter 57. Псевдо ген (IDS-2) располагается на 20 kb дистальнее и в противоположной ориентации к гену IDS 5758. Локус IDS-2 тянется примерно на 3 kb и обнаруживает более чем на 88% идентичных последовательностей с IDS геном5859. Все события рекомбинации происходят внутри области в 1 kb , где идентичность последовательностей достигает более 98%59. Событие рекомбинации начинается с двойного разрыва в интроне 7 гена IDS 59.
General features regarding mechanisms for genomic disorders
Очевидно, что имеется несколько общих признаков, ассоциированнрых с механизмами, ведущими к геномным нарушениям.
Other genomic disorders
- Большие области гомологии необходимы для рекомбинации. Гомологичные области обычно занимают свыше тысяч пар оснований. Короткие разбросанные последовательности, такие как Alu, обычно не являются субстратом, хотя рекомбинация с участием Alu может происходить с помощью нелегитимно или гомологичной рекомбинации и иногда может приводить или к делециям или дупликациям при неравном корссинговере 6061626364.
- Выявляется широкая вариабельность длин повторов удвоенных геномных сегментов (1). Однако, если геномные нарушения ранжировать по расстояниям между повторами, то длина повторов коррелирует позитивно с расстоянием между посторами (1). В целом, чем больше расстояние между повторами, тем значительнее длина повтора потенциально необходима для эффективной рекомбинации. Это может отражать тот факт, что для осуществления неравного кроссинговера и рекомбинации на большом расстоянии необходжима большая джлина идентичных последовательностей для стабилвизации рекомбинационного комплекса. Или напротив чем дальше расположены друг от друга повторы, тем скорее большие участки идентичных последовательностей смогут найти дриуг друга и спариться.
- Обмех хроматид или кроссинговер происходит преимущественно в области точной идентичности внутри повторов. Необходимость в значительных участках идентичных последовательностей указывает на то, что mismatch-repair и recombination machinery распознают гетерогенные последовательности внутри сходных областей и прерывают рекомбинацию натыкаясь на отсуствие идентичных последовательностей. Или возможно, что a RecA-подобный белок может быть необходим и следить за идентичностью внутри сходных областей. Эти идентичные области могут отражать MEPS , необходимую для гомологичной рекомбинации 6566.
- Двухнитчатые разрывы могут быть инициирующим событием реекомбинации между повторами, ведущей к геномным нарушениям. Анализ соединившихся последовательностей ДНК при HNPP, CMT1A и Hunter синдроме выявляет мозаичные (interspersed)участки последовательностей ДНК из двух рекомбинирующих посторов, предполагающих события генной конверсии. Это может быть результатом репарации гетеродуплексной ДНК во время разрешения Holliday junctions.
- В некоторых случаях de novo перестройки, ведущие к геномным нарушениям, обнаруживают parent-of-origin effect. Это четко задокументировано как для подавляющего большинства случаев удвоений CMT1A и случаев инверсий фактора VIII , перестройки возникают в хромосома, получаемых от отца. Эти данные указывают на то, что потребности в гомологичной рекомбинации, дающей геномные нарушения, отличны при гаметогенезе у самцов и самок.
- Не все копии данного повтора используются эксивалентно в качестве субстрата для гомологичной рекомбинации. Как показано для делеций SMS и инверсий фактора VIII , соседние посторы не обязательно вовлекаются с наибольшей частотой в рекомбинацию. Более того добавочные низкокопийные повторы идентифицированны в области SMS хромосомы 17p11.2, но фланкирующие SMS-REPs повторы, по-видимому, более предпочтительны для рекомбинации. Следовательно, и другие факторы, структурные свойства высшего порядка хромосом в синаптонемальных комплексах во время мейоза, необходимы для выравнивания гомологичных субстратов. Близость к местам инициации рекомбинации может быть также важной.
Table 1. Физические свойства областей, связанных с геномными нарушениями | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Other genomic disorders
Геномные нарущения ответственны за ряд общераспространенных признаков болезни. Установлено, что 13% всех случаев синрдрома Hunter 57, 20-25% of 21 hydroxylase deficiency67, 47% тяжелых форм hemophilia A (Ref. 54), 70% от всех CMT1 (Refs 6869), 84% of HNPP (Ref. 69), и 90% STS нехваток18 обусловлены специфичевкими перестройками ДНК. Частота новых мутационных событий для геномных нарушений существенна: 1024 для CMT1A (Ref. 20), SMS (Ref. 36) и синдрома Williams 53.
В случаях геномных перестроек, обусловленных делециями, частоты реципрокных дупликаций могут быть недосчитаны. Если другие contiguous-gene-deletion синдромы, такие как Williams, Prader-Willi и Angelman, и DiGeorge/velo-cardio-facial синдромы, то результаты молекулярных исследований сходны с теми, что при SMS, когда могут появиться реципрокные дупликации, характерные для SMS (Ref. 39). Такие пациенты с дупликациями могут иметь другие клинические проявления и менее выраженный фенотип, чем те что с делециями, так как избыток генетической информации обычно менее вреден для организма, чем делеция. Следовательно, эти случаи будут реже идентифицироваться или могут пропускаться при рутинном цитогенатическом анализе. Хромосомные удвоения более частые мутационные изменения, чем обнаруживаются70.
Другие болезни, обычно вызываемые перестройками ДНК могут отражать уникальные структурные свойства генома. Они могут включать: спинальные мышечные атрофии, ассоциированные с повторяющимися последовательностями в 5q13 (Refs 717273); juvenile nephronophthisis (recessive medullary cystic kidney disease), ассоциированный с большими гомозиготными делециями в 2q13, с участием 100 kb инвертированной дупликации 74; удвоенный ген PLP обусловливает болезнь Pelizaeus-Merzbacher 75; региональная дупликация в Xq25-26 ассоциированная с Х-сцепленным рецессивным panhypopituitarism76; Инверсии вокруг локуса emerin, ассоциированные с 11.3 kb инвертированным повтором Xq28 (Refs 7778); и уникальное расположение последовательностей в локусе 4q35 , ассоциированном с fascioscapulohumeral muscular дистрофией79. По мере того Как дополнительные большие ДНК коследовательности contigs становятся доступными благодаря успехам проекта генома человека, сложность архитектуры генома человека будет выясняться и дальше.
В случаях геномных перестроек, обусловленных делециями, частоты реципрокных дупликаций могут быть недосчитаны. Если другие contiguous-gene-deletion синдромы, такие как Williams, Prader-Willi и Angelman, и DiGeorge/velo-cardio-facial синдромы, то результаты молекулярных исследований сходны с теми, что при SMS, когда могут появиться реципрокные дупликации, характерные для SMS (Ref. 39). Такие пациенты с дупликациями могут иметь другие клинические проявления и менее выраженный фенотип, чем те что с делециями, так как избыток генетической информации обычно менее вреден для организма, чем делеция. Следовательно, эти случаи будут реже идентифицироваться или могут пропускаться при рутинном цитогенатическом анализе. Хромосомные удвоения более частые мутационные изменения, чем обнаруживаются70.
Другие болезни, обычно вызываемые перестройками ДНК могут отражать уникальные структурные свойства генома. Они могут включать: спинальные мышечные атрофии, ассоциированные с повторяющимися последовательностями в 5q13 (Refs 717273); juvenile nephronophthisis (recessive medullary cystic kidney disease), ассоциированный с большими гомозиготными делециями в 2q13, с участием 100 kb инвертированной дупликации 74; удвоенный ген PLP обусловливает болезнь Pelizaeus-Merzbacher 75; региональная дупликация в Xq25-26 ассоциированная с Х-сцепленным рецессивным panhypopituitarism76; Инверсии вокруг локуса emerin, ассоциированные с 11.3 kb инвертированным повтором Xq28 (Refs 7778); и уникальное расположение последовательностей в локусе 4q35 , ассоциированном с fascioscapulohumeral muscular дистрофией79. По мере того Как дополнительные большие ДНК коследовательности contigs становятся доступными благодаря успехам проекта генома человека, сложность архитектуры генома человека будет выясняться и дальше.