Ген doublecortin ответственнен за Х-сцепленную лиссэнцефалию (lissencephaly, X-LIS) и субкортикальную ламинарную гетеротопию. Лиссэнцефалия кортикальное нарушение связанное с тяжелой задержкой умственного развития и эпилепсией. Другое изолированное нарушение, Miller Dieker синдром, характеризующееся лиссэнцефалией и характеными лицевыми аномалиями, связано с потерей функции продукта гена LIS1. Пациенты с лиссэнцефалией имеют утолщенный дизорганизованный кортекс с отсуствием характерного ламинароного паттерна, поверхность мозга гладкая без извилин и борозд. X-LIS часто ассоциирует в одной и той же родословной с другим дисгенезом, subcortical laminar heterotopia (SCLH), которая в основном затрагивает женщин и характеризуется кажущимся нормальным кортексом, но с гетеротопическими слоями смещенных нейронов. Мутации гена doublecortin объясняют большую часть случаев SCLH. X-LIS и SCLH являются результатом нарушения миграции нейронов.
Другая группа нарушений этого класса сцеплена с Х. При X-LIS мужчины имеют лиссенцефалию, а женщины двойную кору. Последнее связано с отложением слоя серого вещества под белым веществом. Дефектный ген кодирует белок doublecortin, котрый является гомологом N-концевого киназного домена, участвующего в передаче сигналов при данном фенотипе. Это нарушение обувловлено мутацией в гене XLIS. Еще одно Х-сцепленное нарушение - bilateral periventricular nodular heterotopia (BPNH), которое характеризуется BPNH у женщини пренатальной гибелью или более тяжелым фенотипом у особей мужского пола. Большие массы хорошо дифференцированных кортикальных нейронов заполняют субэпендимную зону у взрослых. Ген BPNH картирован в Xq28.
Нарушения миграции нейронов у человека и корикальные аномалии
Lissencephaly представляют широкий класс нарушений миграции нейронов, что приводит к уменьшению числа нейронов, драматическому уменьшению числа извилин в коре. Это происходит в виде изолированной аномалии (isolated lissencephaly sequence) или в ассоциации с лицевыми дисморфиями у пациентов с Miller-Dieker lissencephaly. Идентифицирован ген LIS-1 как причина этой аномалии. Почти у 40% пациентов с isolated lissencephaly sequence обнаруживаются небольшие делеции в 17р13. Ген LIS-1 содержит WD-повторы как β-субъединицы G-белков и является регуляторной субъединицей platelet activating factor acetylhydrolase (PAF-AH), G-белок-подобного тримера, который регулирует клеточный уровень липидных мессенджерос PAF. Важность PAF-AH в развитии головного мозга подтверждается высоким уровнем экспрессии транскриптов для всех трех субъединиц во время миграции нейронов в мозге и мозжечке. Продукт LIS-1 гена обнаруживается в Cajal-Retzius клетках и вентральном нейроэпителии развивающейся коры человека, а антогонисты рецепторов PAF снижают миграцию гранулярных клеток мозжечка in vitro. LIS-1 может иметь пока неустаолвенные взаимодействия в клетках, что подтверждается способностью WD40 повторов в LIS-1 взаимодействовать с цитоскелетом.Другая группа нарушений этого класса сцеплена с Х. При X-LIS мужчины имеют лиссенцефалию, а женщины двойную кору. Последнее связано с отложением слоя серого вещества под белым веществом. Дефектный ген кодирует белок doublecortin, котрый является гомологом N-концевого киназного домена, участвующего в передаче сигналов при данном фенотипе. Это нарушение обувловлено мутацией в гене XLIS. Еще одно Х-сцепленное нарушение - bilateral periventricular nodular heterotopia (BPNH), которое характеризуется BPNH у женщини пренатальной гибелью или более тяжелым фенотипом у особей мужского пола. Большие массы хорошо дифференцированных кортикальных нейронов заполняют субэпендимную зону у взрослых. Ген BPNH картирован в Xq28.
| ORIGINAL RESEARCH PAPERS Smith, D. S. et al. Regulation of cytoplasmic dynein behaviour and microtubule organization by mammalian Lis1. Nature Cell Biol. 2, 767-775 (2000)Abstract | Article | PubMed | ISI | Liu, Z. et al. Drosophila Lis1 is required for neuroblast proliferation, dendritic elaboration and axonal transport. Nature Cell Biol. 2, 776-783 (2000)Abstract | Article | PubMed | ISI | Faulkner, N. E. et al. A role for the lissencephaly gene LIS1 in mitosis and cytoplasmic dynein function. Nature Cell Biol. 2, 784-791 (2000)Abstract | Article | PubMed | ISI | FURTHER READING Morris, R. A rough guide to a smooth brain. Nature Cell Biol. 2, E201-E202 (2000) [Text ] | Article | PubMed | ISI | Walsh, C. A. Genetic malformations of the human cerebral cortex Neuron 23, 19-29 (1999) [Contents page ] | PubMed | ISI | ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES Cerebral cortex development |
Потеря одного аллеля вызывает lissencephaly, онтогенетическое нарушение, которое затрагивает миграцию кортикальных нейронов, делая поверхность головного мозга гладкой. LIS1 является субъединицей тромбоциты-активирующего фактора acetyl hydrolase. Однако, это не объясняет как функция LIS1 связана с кортикальным развитием. Выявлена связь между этим белком и lissencephaly, которая базируется на взаимодействии LIS1 с мотором микрортрубочек dynein.
Dynein участвует в делениях клеток, а также в различных формах клеточного транспорта. Установлено физическое взаимодействие между LIS1 и dynein и получены доказательства регуляции микротрубочкового транспорта с помощью LIS1. Более того, изменения в уровнях этого белка оказывали влияние на митозы и нейроны у Drosophila melanogaster, что вело к укорочению дендритов и аномальному аксональному транспорту.
Эти данные открывают возможность, что LIS1 оказывает влияние на нейрональную миграцию в результате прямого взаимодействия с цитоскелетной динамикой или, напротив, в результате снижения количества мигрирующих клеток, благодаря его эффекту на митозы. В любом случае, очевидно, что это ведет к smooth brains.
(Рис.1.) | MRI appearance of human lissencephaly and double cortex syndrome.
(Рис.2.) | Structure and domain organizations of DCX and other major microtubule-associated proteins.
(Рис.3.) | Characteristic phenotype of Aspergillus nuclear distribution mutations.
(Рис.4.) | Model for microtubule-based nuclear translocation in neuronal migration.
Structure of the centrosome or microtubule-organizing centre
PROTEIN-PROTEIN INTERACTIONS, CYTOSKELETAL REGULATION AND NEURONAL MIGRATION
Yuanyi Feng & Christopher A. Walsh
Nature Reviews Neuroscience 2, 408 -416 (2001)
Nature Reviews Neuroscience 2, 408 -416 (2001)
(Рис.1.) | MRI appearance of human lissencephaly and double cortex syndrome.
(Рис.2.) | Structure and domain organizations of DCX and other major microtubule-associated proteins.
(Рис.3.) | Characteristic phenotype of Aspergillus nuclear distribution mutations.
(Рис.4.) | Model for microtubule-based nuclear translocation in neuronal migration.
Structure of the centrosome or microtubule-organizing centre
Миграция нейронов подобно миграции многих др. типов клеток нуждается в экстенсивной перестройке формы клеток, обеспечиваемой изменениями цитоскелета. Генетический анализ нарушений головного мозга человека привели к идентификации нескольких биохимических игроков в этом процессе, включая doublecortin (DCX) и LIS1, мутации которых вызывают выраженные нарушения миграции, известные как lissencephaly ('smooth brain') у людей. Исследования у мышей идентифицировали дополнительные молекулы, такие как Cdk5, P35, Reelin, Disabled и члены сверхсемейства рецепторов LDL. Установлена роль некоторых из этих молекул в цитосклетеной регуляции и показана неожиданная консервация генетических путей, которые регулируют нейрональную миграцию у человека и движения ядер в простых эукариотических организмах.
Мутации генов doublecortin (DCX) и LIS1 вызывают выраженные нарушения миграции, ведущие к lissencephaly ('smooth brain'). Эти гены кодируют белки, которые важны для цитоскелетной регуляции. Известны аутосомно доминантная и X-сцепленная формы lissencephaly. Ген LIS1 в хромосоме 17 отвечает за большой процент аутосомно доминантных форм, a doublecortin (DCX) один из генов, ответственных за X-сцепленную lissencephaly. У самцов, DCX мутации дают lissencephaly фенотипы, сходные с теми, что ассоциируют с мутациями LIS1. Гетерозиготные самки обнаруживают синдром double cortex, при котором пупуляция нейронов арестовывается на полпути между кортексом и желудочками, образуя субкортикальную плоскость в белом веществе мозга.
DCX является microtubule-associated protein (MAP), который экспрессируется исключительно в постмитотических нейронах и ко-локализуется с полимеризованными микротрубочками. DCX, по-видимому, стимулирует полимеризацию и связывание в пучки микротрубочек, свойства, которые наруаются при мутациях, вызывающих болезни.
LIS1 кодирует повсеместноэкспрессирующийся белок в 45 kDa с 7 WD40 повторами, которые, как полагают, обеспечивают межбелковые взаимодействия. LIS1 , как известно, является MAP, который связывается непосредственно с микротрубочками и как полагают участвует в регуляции микротрубочек, используепых для миграции нейронов.
Свет на регуляторную микротрубочковую функцию LIS1 пролит в результате анализа его гомолога, nudF, у грибка Aspergillus nidulans. Мутации nudF вызывают дефекты в миграции ядер, событиях, связанных с микротрубочками. Мутации в генах nudF и nudA, которые кодируют тяжелую цепь цитоплазматического dynein, обладают сходными фенотипами нарушения миграции ядер, а двойные мутации имеют тот же фенотип, что и любая одиночная мутация. Это указывает на то, что dynein и nudF действуют в том же самом пути миграции ядер. Было предположено, что они функционируют посредством дестабилизации микротрубочек во время миграции ядер.
Белок Aspergillus NUDE, как полагают, функционирует как нижестоящий эффектор NUDF в регуляции миграции ядер. У млекопитающих два гомолога nudE, mNudE и NUDEL, были клонированы с помощью LIS1 дву-гибридного скрининга. Они сходны по размеру и структурной организации и оба взаимодействуют с LIS1 благодаря структурному сходству N-терминальной области. mNudE взаимодействует со множественными центросомными белками и м. действовать как структурная и функциональная подпорка для microtubule-organizing centre (MTOC). NUDEL связывается непосредственно с dynein и регулирует его субклеточное распределение. Его много в отростках зрелых нейронов, это подтверждает дополнительную его роль в аксональном транспорте и выростах нейритов.
LIS1 физически взаимодействует и образует комплексы с dynein у млекопитающих, а его избыточная экспрессия индуцирует неправильную ориентацию веретен и арест митозов в М-фазе, указывая тем самым на то, что LIS1-dynein взаимодействия м.б. важны для делений клеток. Это также указывает на то, что LIS1-dynein взаимодействия затрагивают транслокацию тел нейрональных клеток во время миграции.
Предложенна модель для LIS1- и DCX-обеспечиваемой миграции нейронов. Нейроны получают сигналы к миграции, а микротрубочки распространяются в ведущие отростки. Затем, LIS1 модифицируется и рекрутируется в MTOC, где он соединяется с mNudE и/или NUDEL. Это взаимодействие редуцирует nucleation и полимеризацию микротрубочек на минус концах, возможно путем регулшяции -tubulin комплекса. В результате микротрубочки укорачиваются с минус концов и ядро перемещается по направлению ведущего края мигрирующего нейрона с помощью базирующихся на микротрубочках моторов, таких как dyneins.
Идентифицированы и др. факторы, лежащие в основе нейрональной миграции, которые м. взаимодействовать с продуктами lissencephaly генов. Напр., Cdk5 киназа является кандидатом на регулирующую роль фосфорилирования и функционирования LIS1/DCX. Мутации др. генов, таких как Reelin, Disabled, ApoE2R и VLDLR также вызывают дефекты миграции нейронов в кортекс. Все они кодируют компоненты Reelin сигнального пути, который участвует в регуляции микротрубочкового цитосклета.