XLMR

MONOGENIC CAUSES OF X-LINKED MENTAL RETARDATION
Jamel Chelly & Jean-Louis Mandel
Nature Reviews Genetics 2, No 9. 669 -680 (2001)

Рис.1. | Genes and loci involved in nonspecific X-linked mental retardation

Рис.2. | Expansion mutations at FMR1 and FMR2.

Рис.3. | Signal transduction pathways and X-linked mental retardation

Умственная задержка, распознаваемая по нарушению познавательных функции, вызывается гетерогенными причинами, включая генетические и средовые факторы.

Большинство генов, вызывающих болезни, ассоциированные с умственной задержкой, идентифицированы недавно. Нарушение cognitive функции наблюдается при моногенных метаболических и онтогенетических нарушениях и в результате хромосомных перестроек.

Умственная отсталость на 20-30% чаще у мальчиков, чем девочек, указывая тем самым, что некоторые формы нарушений являются сцепленными с Х (XLMR).

Идентифицированы гены для трех синдромальных форм XLMR: ATRX, Coffin-Lowry и Rett синдрома. Гены, вызывающие эти заболевания, связаны с ремоделированием хроматина.

Неспецифические формы XLMR более трудны для изучения благодаря их клинической и генетической гетерогенности, но прогресс достигнут и в этой области. Обнаружены мутации в некоторых генах, которые действуют на путях передачи сигналов в нейрональных клетках у пациентов с неспецифической XLMR. Некоторые из этих мутаций скорее всего нарушают динамику цитоскелета и нейрональный морфогенез. Гены, которые участвуют в синдромных syndromic XLMR, также могут быть мутантными и при неспецифических формах этого заболевания.

Умственная отсталость является одной из главных причин вопросов в практике педиатрии, детской неврологии и клинической генетики. Часто, однако, несмотря на обширные исследования, этиологический диагноз оказывается невозможным и семьи остаются без соотв. генетического консультирования или репродуктивного выбора, такого как пренатальная диагностика. Превалирование умственной отсталости в развитых странах, как полагают, составляет порядка 2-3% (Ref.1), хотя величины варьируют широко, особенно для легких степеней умственной. В Центральной Европе около 8% затрат здравоохранения приходится на 'умственные задержки' как устанавливает International Classification of Disease (ICD) (Box 1), которые далеко превосходят цену, связанную с др. категориями ICD². Вместе с их высоким бременем для общества и семей умстванная отсталость остаётся одной из наиболее важных не решенных проблем в медицине.

Дефекты Х-сцепленных генов уже давно рассматриваются как главная причина умственной отсталости, которая чаще встречается у мальчиков, чем у девочек^3-5. Клинические наблюдения и исследования сцепления в семьях показывают, что X-linked mental retardation (XLMR) является высоко гетерогенным заболеванием. Наиболее распространённая форма XLMR - Fragile X (Fra(X)) mental-retardation syndrome - ассоциирует с цитогенетическим маркёром в дистальной части длинного плеча Х хромосомы, который, как установлено, совпадает с положением на карте дефектного гена и в конечном итоге это привело к клонированию FMR1 гена⁶. Затем количество клонированных XLMR генов увеличивалось экспоненциально. Не менее 23 на сегодня известных XLMR генов идентифицировано с момента последнего обзора по этому вопросу (by Chelly and Mandel⁷). Прогресс особенно заметен для т.наз. не синдромальных или 'чистых' форм XLMR, касающихся многочисленных нарушений, которые клинически неотличимы из-за познавательных (cognitive) нарушений, являющихся единственным проявлением.

Syndromic and non-syndromic forms of XLMR

XLMR подразделяются на синдромальные (S-XLMR) и не синдромальные (NS-XLMR) формы в зависимости от того имеются ли ещё др. аномалии помимо умственной отсталости, обнаруживаемые при физическом обследовании, лабораторных исследованиях и формировании изображений головного мозга. Примерно вде трети случаев XLMR, как полагают, являются не синдромальными⁸; однако, т.к. возможности классификации семей с помощью молекулярных исследований увеличиваются, т.к. пациенты исследуются более детально, то скорее всего пропорция синдромальных случаев будет увеличиваться. Это иллюстрируется на примере Fra(X) syndrome, который был первоначально описан как не синдромный, а теперь рассматривается как наиболее частый пример S-XLMR. Более того, мутации в некоторых XLMR генах м. давать и не-синдромальные и синдромальные формы (Табл. 1, 2), указывая тем самым, что отсутствует реальная молекулярная база для четкого различия между генами для S-XLMR и NS-XLMR. Однако, из прагматических причин и по сравнению с др. (см. XLMR Genes Update web site в Online links box), мы полагаем использование этого разделения в данном обзоре.

Описано приблизительно 140 синдромных форм XLMR. В 66 из них, включая некоторые из тех, которые были найдены как аллельные, причины генетических дефектов идентифицированы (Табл. 1, см. supplementary information S1 полной версии табл.), и коло 50 др., лежащий в основе дефект у которых картирован с специфической области Х хромосомы. Напротив, для NS-XLMR, у менее 50% идентифицирована причина генных дефектов. Несмотря на определенный успех в идентификации генов при NS-XLMR (Рис. 1), идентификация остальных генов остаётся важной задачей.

Large-scale identification of XLMR genes

Поиск генетических дефектов, которые лежат в основе клинически хорошо выявляемых синдромных форм XLMR не отличается охоты за генами при др. моногенных заболеваниях. Он существенно облегчается доступностью аннотированных последовательностей человеческого генома и повышает наши знания о функции генов. Между 2002 и 2004, идентифицированы причинные мутации в 15 генах при 18 клинически отличающихся формах XLMR.

Выявление молекулярных причин NS-XLMR более затруднено из-за высокого уровня генетической гетерогенности, которая мешает объединению информации по сцеплению от неродственных семей и серьёзно осложняет поиск мутаций. Чтобы преодолеть эти затруднения и понять молекулярные основы NS-XLMR системно European XLMR Consortium был основан в 1995 и с тех пор его члены и ассоциированные группы внесли важный вклад в идентификацию 20 NS-XLMR генов (Табл. 2).

Разные стратегии ведут к идентификации этих генов. Напр., FMR2 был выявлен благодаря его ассоциации с сайтом ломкости FRAXE, которая является аналогом ассоциации FMR1 с др. таким сайтом, FRAXA, у умственно отсталых мальчиков^9,10. Др. гены были идентифицированы с помощью картирования точек разрывов и клонирования у умственно отсталых пациентов с BALANCED REARRANGEMENTS? которые затрагивают Х хромосому или с помощью молекулярной характеристики малых Х-хромосомных делеций.

Изучение хромосомных перестроек оказалось особенно информативным при идентификации генов, которые участвуют в XLMR. Благодаря систематической характеристике пациентов со сбалансированными Х-хромосомными перестройками, несколько дополнительных генов было найдено укороченными (напр., Refs 11,12; Рис. 2). Однако, эти гены не представлены в списке Табл. 2, т.к. последующий скрининг неродственных NS-XLMR пациентов не позволял идентифицировать дальнейшие мутации этих генов. Это м.б. из-за того, что пациенты с клинически сложными онтогенетическими нарушениями более часто подвергаются кариотипированию, чем пациенты с NS-XLMR, и всё больше сбалансированных перестроек идентифицировалось, которые были ассоциированы с синдромными, нежели не-синдромными XLMR. В самом деле, скрининг мутаций CDKL5 (STK9) гена - первоначально идентифицированного с помощью клонирования точек разрывов у двух тяжело затронутых женщин¹³ - оказался безуспешным в большой кагорте семей с NS-XLMR, но некоторые мутации этого гена позднее были найдены у пациентов с атипичным Rett syndrome^14,15 (синдромальная форма XLMR; Табл. 1). Следовательно, многие из укороченных генов, которые были идентифицированы с помощью изучение умственно отсталых пациентов со сбалансированными Х-хромосомными перестройками, м.б. всё ещё bona fide XLMR генов, даже если мутации не обнаруживаются у неродственных пациентов с NS-XLMR.

Картирование причинных генных дефектов в определенном интервале Х хромосомы, получаемых с помощью скринига мутаций в неродственных семьях, является др. успешной стратегией для идентификации новых XLMR генов, особенно если размер соотв. интервала мал. Напр., ARX - мутации в котором, как теперь известно, являются общей причиной и синдромных и не-синдромных XLMR - были картированы в небольшом интервале сцеплния как результат объединения данных по сцеплению из разных (синдромальных) семей¹⁶. Сходным образом ACSL4 (FACL4) был одним из 4-х генов-кандидатов, которые локализовались на кратчайшем общем интервале, перекрываемом делецией¹⁷. Напротив, находка причинной мутации в отдельной семье с NS-XLMR исключительно трудна и требует много времени благодаря генетической гетерогенности этого нарушения, широким интервалам сцепления и соответственно большому количеству генов-кандидатов.

Недавно полу-автоматизированный протокол детекции мутаций и доступность большой когорты семей открыли путь для полно-масштабного поиска мутаций позиционных и функциональных генов-кандидатов. Более того, недавние исследования идентифицировали перспективные области-мишени на Х хромосоме для широко-масштабного скрининга мутаций. С помощью анализа интервалов сцепления от 125 семей с кажущимися не-синдромными XLMR, было показано, что лежащие в основе мутации очевидно собраны в кластеры в трёх Х-хромосомных областях, с Xp11 областью, несущей почти 30% от всех генных дефектов, лежащих в основе NS-XLMR (Ref. 18) (см. Max Planck Institute for Molecular Genetics - Nonsyndromic X-linked mental retardation web страницу по обновленным данным этого анализа, включая данные сцепления для дополнительный семей, предоставляемых др. группами). Систематический скрининг мутаций 50 генов, экспрессируемых в головном мозге, из Xp11 мутационной горячей точки привел к идентификации 5 новых XLMR генов - PQBP1 (Ref. 19), FTSJ1 (Ref. 20), ZNF41 (Ref. 21), JARID1C (Ref. 22) и PHF8 (L. S. Jensen et al. unpublished observations; а PHF8 был идентифицирован независимо с помощью клонирования точек разрывов у пациентов со сбалансированными транслокациями, F. Laumonnier et al., unpublished observations). Сходным образом, широко-масштабное секвенирование функциональных генов-кандидатов из перицентромерной области, проведено Tarpey et al.²³ чтобы идентифицировать мутации в DLG3 гене.

XLMR genes: a clue to brain function

С момента клонирования FMR1 гена⁶, исследования многих лаб. сконцентрировались на функции его белкового продукта, FMRP, и на патогенезе синдрома Fra(X). FMRP соединяется со специфическими мРНК, которые участвуют в развитии DENDRITE или функции синапсов, а в цитоплазме нейронов он является частью крупных messenger рибонуклеопротеиновых частиц, которые содержат полирибосомы. Имеются доказательства, что FMRP обеспечивает трансляционное молчание мРНК благодаря взаимодействию с microRNAs и RNA-INDUCED SILENCING COMPLEX (RISC)²⁴. Более того, некоторые мРНК мишени для FMRP и его гомолога у Drosophila melanogaster, белка DFMR1, были недавно идентифицированы^25,26.

Значительно менее известно о функции генов, которые мутируют при NS-XLMR, это обусловлено частично тем фактом, что они были идентифицированы сравнительно недавно. Ещё недавно многие NS-XLMR гены, которые были идентифицированы, были функционально связаны с формированием и де-конструкцией актинового цитоскелета и с контролем выростов NEURITE^{7, 27, 28}. Это верно для OPHN1 (Ref. 29), PAK3 (Ref. 30) и ARHGEF6 (Ref. 31) (три из немногих генов, вовлеченных в NS-XLMR, которые были идентифицированы до 2000 г) и для FGD1 (Refs 32,33), все они кодируют регуляторы или эффекторы RHO GTPases (Табл. 1,2). Объяснение, почему мутации в этих генах ведут к умственной отсталости, получено в недавней демонстрации³⁴, что инактивация OPHN1 редуцирует длину DENDRITIC SPINES путём увеличения активностей RhoA и Rho-kinase. Заслуживает внимания то, что OPHN1 соединяет также Homer, POSTSYNAPTIC DENSITY PROTEIN, с разными партнёрами по связыванию, велючая типа-1 metabotropic glutamate receptors (mGluRs), которые участвуют в морфогенезе дендритных шипов (spine) и синаптической трансмиссии³⁴. Др. функционально родственные гены включают FLNA, который кодирует широко экспрессируемый актин-связывающий белок и связан с тремя разными синдромными формами XLMR (Refs 35,36), и KIAA1202, который участвует в S-XLMR (O. Hagens et al., unpublished observations). Белок KIAA1202 содержит EVH1 DOMAIN, который указывает на то, что он сходен со своим гомологом у мышей, Shroom, он соединяется с актином и играет роль в ре-моделировании цитоскелета.

Синапсы считаются важными сайтами функционирования XLMR генов, т.к. разные XLMR гены участвуют в их индукции, структуре и функции. Напр., мутации в NLGN4, который кодирует neuroligin 4, выявлены у пациентов с XLMR и/или аутизмом^{37, 38}. Neuroligins локализуются прежде всего в постсинаптических мембранах glutamatergic синапсов и благодаря их взаимодействию с β-neurexins в мембранах соседних аксонов они играют центральную роль в индукции пресинаптических структур^39-41.

SYN1 кодирует synapsin 1, важный эффектор малой Ras-подобной GTPase Rab3A на мелкие синаптические пузырьки^{42, 43}, и который участвует в Х-сцепленной эпилепсии с или без умственной отсталости (Ref. 44). Ген DLG3 кодирует synapse-associated protein 102 (SAP102), членом постсинаптических membrane-associated guanylate kinases (MAGUKs), которые связывают neuroligins с N-methyl-D-aspartate (NMDA)-типа глютаматэргических рецепторов. Белок-укорачивающие мутации в DLG3 дают от средних до тяжелых форм NS-XLMR (Ref. 23), возможно путём нарушения взаимодействия SAP102 с NMDA рецепторами и/или др. белками, которые функционируют иерархически ниже в NMDA-receptor сигнальных путях. Следовательно, DLG3 является первым XLMR геном, связанным непосредственно с NMDA рецепторами-обусловленной синаптической активностью и SYNAPTIC PLASTICITY.

GDI1 мутации⁴⁵, как было показано, редуцируют концентрацию некоторых Rab GTPases, включая Rab4 и Rab5, которые в свою очередь, по-видимому, обусловливают редукцию пула синаптических пузырьков⁴⁶. Наконец, результаты двугибридного скрининга и экспериментов по трансфекции указывают на то, что IL1RAPL1 функционирует как негативный регулятор экзоцитоза DENSE-CORE GRANULE^47-49. Продукт этого гена м. , следовательно, играть физиологическую роль в модуляции высвобождения синаптических нейротрансмиттеров.

Ремоделирование хроматина и/или транскрипционный контроль экспрессии генов затрагиваются при многочисленных формах XLMR. Напр., XNP (Ref. 50), который мутанте при разных различимых XLMR синдромах - включая X-linked α-thalassaemia-mental retardation (ATR-X) b NS-XLMR - кодирует helicase, которая локализуется в перицентромерном гетерохроматине и соединяется с HP1. Она часть мультибелкового комплекса и возможно играет роль в ремоделировании хроматина, метилировании ДНК и регуляции генов⁵¹. Путём предупреждения апоптоза она, по-видимому. является внетренне присущим регулятором кортикальных размеров и фактором жизнеспособности для структур гиппокампа и коры, которые важны для обучения и памяти⁵².

Мутации в MECP2 дают широкий спектр нарушений, включая специфичный для женщин Rett синдром, который характеризуется прекращением и регрессией развития в раннем детстве, ATAXIA, стереотипическими движениями руками и др. неврологическими признаками. Однако, MECP2мутации приводят также к др. фенотипам, таким как тяжелая энцефалопатия⁵³, прогрессирующая спастичность⁵⁴, ANGELMAN⁵⁵ и PRADER-WILLI-LIKE фенотипы⁵⁶ и NS-XLMR, особенно у мальчиков (Ref. 57). MeCP2 соединяется с метилированными CpG димерными парами в ДНК, а последующее рекрутирование транскрипционного ко-репрессора Sin3A и инкорпорация histone deacetylases (HDAC) 1 и 2 ведут к конденсации хроматина. Специфические мишени для MeCP2 включают и brain-derived neurotrophic factor (BDNF) и Hairy2a гены, которые важны для долговременной пластичности синапсов, обучения и памяти^58,59, и для нейрогенеза⁶⁰, соотв. Исследования на животных показали, что MeCP2 важен также для жизнеспособности нейронов ⁶¹ и получены доказательства в пользу активирования глюкокортикоидами индуцируемых генов в головном мозге мышей, моделирующих Rett синдром, это указывает на то, что неврологические аномалии, обнаруживаемые у этих животных связаны с аномальными стрессовыми реакциями (U. Nuber et al., personal communication). Заслуживает внимания, что измененная экспрессия гена глюкокортикоидного рецептора наблюдается также и при Fra(X) синдроме⁶², а нарушаемая ядерная транслокация глюкокортикоидного рецепторного комплекса, по-видимому, играет критическую роль в X-linked glycerol-kinase недостаточности, которая часто ассоциирует в умственной отсталостью⁶³.

Атипический Rett синдром у женщин также м. возникать в результате мутаций в гене cyclin-dependent protein kinase-like 5 (CDKL5) ^{14, 15}. Учитывая сильное клиническое перекрывание между обоими этими заболеваниями, возможно, что белок CDKL5 является модулятором MECP2 и , следовательно, вовлекается также в ремоделирование хроматина¹⁴. Сходным образом ген BCOR мутантный при Lenz microphthalmia (синдромная форма XLMR; Табл. 1), является ключевым транскрипционным регулятором во время раннего эмбриогенеза, с возможной ролью в ацетилировании гистонов и в ре-моделировании хроматина⁶⁴.

Мутации в RSK2 (ribosomal protein S6 kinase A3; RPS6KA3) вызывают Coffin-Lowry syndrome (CLS), который временами напоминает ATR-X синдром (Табл. 1), a частичный дефицит этого энзима м. давать в результате NS-XLMR (Ref. 65). RSK2 фосфорилирует cAMP response element-binding protein (CREB), который играет важную роль в обучении и долговременной памяти и участвует в регуляции histone H3 acetyltransferase CBP (Ref. 66). Интересно, что скелетные аномалии, которые характеризуют CLS недавно были объяснены с помощью того, что ATR4, транскрипционный фактор с ключевой ролью в дифференцировке OSTEOBLAST, также регулируется с помощью RSK2-обеспечиваемого фосфорилирования⁶⁷.

ARX, ген, который участвует в West синдроме, Partington синдроме и в X-сцепленной lissencephaly и в absent corpus callosum and ambiguous genitalia (XLAG) (синдромные формы XLMR; Табл. 1), кодирует гомобокс-содержащий белок, который является также транскрипционным регулятором. Сходным образом, гены PHF6 и PHF8, мутантные при Borjeson-Forssman-Lehmann синдроме⁶⁸ и Siderius-Hamel cleft lip and palate синдроме, соотв. (Ref. 69; F. Laumonnier et al., unpublished observations; L. S. Jensen et al., unpublished observations), кодируют белки с растительными HOMEODOMAIN FINGERS и экспрессируются в ядре, это указывает на роль их в контроле транкрипции.

То же самое верно и для FMR2 (Ref. 9) и его трёх функционально перекрывающихся аутосомных гомологов, все они функционируют как транскрипционные регуляторы⁷⁰. Кроме того, ZNF41 кодирует белок цинковые-пальчики и участвует в NS-XLMR^21,71). Сровсем недавно сюда добавлен JARID1C²² (Jumonji AT-rich interactive domain IC, первоначально названный SMCX⁷²), X-хромосомный аналог JARI1D (ген, который кодирует специфичный для самцов ген гистонесовместимости H-Y⁷³). Все JARID белки обнаруживают строгую аминокислотную гомологию с транскрипционным фактором RB2, а различные линии доказательств указывают на то, что все они играют роль в ре-моделировании хроматина (Ref. 74).

Др. формы XLMR обусловливаются нарушениями фундаментальных процессов, таких как сплайсинг РНК (PQBP1), трансляция (FTSJ1), деградация белка (MID1) и энергетический метаболизм (SLC6A8), или метаболическими дефектами (напр., SMS и ACSL4), которые не ограничены головным мозгом. Точная роль многих XLMR генов всё ещё неизвестна, а её выяснение проль.т новый свет на механизмы функции мозга.

X-chromosomal genes and cognition

Т.к. часто предполагалось^4,5,75, что аллельные варианты генов XLMR также м.б. позитивными детерминантами познавательной деятельности (cognition) и м. функционировать как 'intelligence genes'. Это предположение не было подтверждено непосредственно, но недавние исследования предоставили исчерпывающие доказательства роли X-хромосомных генов в познавательной деятельности.

В большой когорте мужских и женских монозиготных близнецов Loat et al.⁷⁶ нашли, что у женских монозиготных близнецовых пар сложные поведенческие признаки менее тесно скоррелированы, чем у мужских монозиготных близнецов. Loat et al.⁷⁶ полагают, что более высокая изменчивость познавательных свойств у женских близнецов м.б. обусловлена инактивацией Х хромосом, с варьирующими пропорциями клеток, которые экспрессируют функционально отличающиеся аллели познавательных генов на отцовского или материнского происхождения Х хромосоме. В предыдущем исследовании ⁷⁷ было показано, что женщины с кариотипом 45,X (Turner синдром) обладают более высоким словесным и др. поведенческими навыками, если их единственная Х хромосома получена от отца, это указывает на существование импринтируемых генов, которые неактивны, если находятся на Х хромосоме, наследуемой от матери.

Гены, которые играют важные роли в познавательной способности людей м.б. эволюционно недавним приобретением или они подверглись важным изменениям своего пространственно-временного паттерна экспрессии во время эволюции млекопитающих и приматов. В этом контексте заслуживает внимания ZNF41 - член семейства krueppel белков цинковые-пальчики, который функционирует в транскрипционной регуляции и ре-моделировании хроматина и участвует в XLMR - он, по-видимому, не имеет ортологов у грызунов²¹; это особенно удивительно, учитывая серьёзную эволюционную консервацию Х хромосом млекопитающих⁷⁸.

XLMR гены с эволюционной дивергенцией, но всё ещё активные гомологи на Y хромосоме людей, как ожидается, вызывают функциональное неравенство головного мозга женщин и мужчин. JARID1C, по-видимому, является одним из таких генов: т.к. мутации JARID1C вызывают XLMR у мужчин, а активность близко родственного JARI1D гена явно недостаточна, чтобы компенсировать функциональную потерю его X-хромосомного гомолога (который значительно более активен в головном мозге и м. б. функционально иным). Генетический дефект, лежащий в основе Х-сцепленной эпилепсии, которая встречается у женщин (известна как epilepsy, female restricted, with mental retardation), был картирован в области, на проксимальной части Xq, которая, как известно, содержит гены, которые гомологичные между X и Y хромосомами^79,80. Хотя в этом случае мужчины м.б. нормализованы с помощью гомологов Y-хромосомы (что ещё не известно) , функциональные различия между этими гомологами и/или репрессия (или частичная репрессия) X-сцепленного гена благодаря Х-инактивации у женщин также м. вносить вклад в пол-специфические различия функции головного мозга, которые не связаны с гормональными эффектами.

Изучение ассоциаций у индивидов, которые имели исключительно высокий intelligence quotient (IQ), чтобы идентифицировать гены, которые усиливают познавательную способность, оказалось безуспешным (Ref. 81), но Х хромосома является прекрасным местом для старта их обнаружения. Если и имеются такие гены на Х хромосоме, то было бы интересно посмотреть, являются ли они аллелями каких-либо известных XLMR генов или полиморфных вариантов с незначительными эффектами на IQ, которые были постулированы для объяснения наблюдаемого избытка случаев умственной отсталости среди мужчин.

XLMR: less frequent than commonly thought?

Существенный избыток мальчиков наблюдается в многочисленных больших когортах умственно отсталых пациентов с соотношением мальчики-девочки 1.4 от слабой до тяжелой степени умственной отсталости (IQ<50). Предполагается, что избыток мальчиков обусловливается исключительно дефектами Х-сцепленных генов и что это указывает на то, что 28.5% от всех мальчиков с тяжелой задержкой имеют XLMR (см. online supplementary information S2 (box) о деталях подсчётов).

Для лёгкой умственной отсталости (IQ 70-50), эпидемиологические данные более или менее ясные благодаря определению и постановке проблем, но многочисленные исследования находят даже более высокое соотношение мужчины-женщины - в среднем 1.9¹ - это указывает на то, что почти 50% от всех лёгких форм умственной отсталости обусловлено XLMR. Нет правдоподобного объяснения такой выдающейся роли X-сцепленных генов, как и объяснения, почему их роль д.б. более важной при лёгких скорее, чем при тяжелых формах умственной отсталости. Учитывая степень умственной задержки как социо-экономическую проблему, подтверждение этих подсчётов является важным не только для генетических служб, но и для здравоохранения в целом.

В дыух исследованиях предпринята попытка определения частот XLMR из абсолютных и относительных частот затронутых пар братьев и сестер в British Columbia, Canada⁸² и в New South Wales, Australia⁸. Для средних и тяжелых форм XLMR (IQ <50), Fishburn et al.⁸ подсчитали частоту 5 на 10,000 мальчиков (0.05%; Herbst and Miller's подсчитали⁸² почти в 4 раза более высокую частоту, но они включали и мягкие формы умственной отсталости. Частоты XLMR м.б. также определены на основании показателя Fra(X) синдрома, который встречается примерно у 1 на 5,000 мальчиков или у 0.02% (Refs 83,84). В исследовании Fishburn et al.⁸, грубо одна четверть XLMR семей имела Fra(X) синдром. Предполагая, что большинство мальчиков с Fra(X) синдромом имели среднюю или тяжелую форму умственной отсталости, то м. заключить, что частота тяжелых XLMR у мужчин составляет 0.08%, что находится в хорошем соответствии с предыдущими подсчётами.

Примерно 0.4% от общей популяции, включая и мужчин и женщин, имеют тяжелую умственную задержку¹, это указывает на то, что превалирование тяжелых форм умственной отсталости у мужчин д.б. близким к 0.5%. Если превалирование от средних до тяжелых форм XLMR находится в пределах 0.05 и 0.08%, то это указывает на то, что X-сцепленные формы умственной отсталости объясняет лишь 10-16% от всех тяжело задержанных пациентов. Наконец, в когортах умственно отсталых мужчин превалирование, Fra(X) синдрома составляет 2-2.5% (Refs 85,86), это также указывает, что примерно 10% этих случаев обусловлены XLMR (опять же исходя из предположения, что четверть от всех мужчин с тяжелой XLMR имеет Fra(X) синдром⁸ - значительно меньше, чем показывает избыток умственно отсталых мужчин. Следовательно, X-сцепленные рецессивные формы умственной отсталости не м. объяснить более чем на половину этого избытка мужчин среди пациентов со средними-тяжелыми формами задержки и м. объяснить только малую часть такого большого избыта среди пациентов с лёгкими формами умственной отсталости (см online supplementary information S3 (box) детали подсчётов).

X-linked risk factors for mental retardation?

Помимо X-сцепленной рецессивной умственной отсталости перкос соотношения мужчины-женщины среди умственно отсталых пациентов м.б. отнесен к поведенческим отличиям или к более высокой перинатальной уязвимости мальчиков¹. Др. привлекательной возможностью является существование Х-сцепленных факторов риска, который обусловливают предрасположенность к, но не вызывают умственной задержки⁸⁷. В самом деле, возможно, что в дополнение к дефектным генам, которые обусловливают полностью развитую умственную отсталость у всех мужчин носителей, имеются и др. мутации, которые снижают IQ лишь слегка (напр., на 15 points или 1 стандартное отклонение). В этой модели распределение IQ у мужчин (но не у женщин), несущих такую мутацию д. происходить сдвиг влево и тогда пропорция умственно отсталых мужчин этой группы (т.е., с IQ <70) будет увеличиваться с 3% до более чем 16%. Если от 5% до 10% от всех мужчин несут такие факторы риска, то это будет достаточно для объяснения сильного избытка мужчин с мягкими формами умственной отсталости, но среднее IQ в популяции мужчин будет снижено лишь на 1%, это слишком мало, чтобы обусловить обнаружимые различия между полами. Такие факторы д. иметь значительно меньше эффекты на показатели у тяжело затронутых мужчин, это согласуется с наблюдением, что избыток случаев среди мужчин ниже с тяжелой умственной отсталостью. Более того, вполне возможно, что заметная внутрисемейная изменчивость, которая наблюдается в многочисленных семьях с XLMR также м.б. объяснена независимым расхождением таких факторов.

X-сцепленные факторы, которые увеличивают риск умственной отсталости м.б. аллелями, или даже идентичными, мутаций, которые лежат в основе семейных XLMR. В самом деле, мутации в FMR2 м. выполнять такую роль, т.к. большинство мужчин с расширенными тринуклеотидными повторами в этом гене являются пограничными или легко затронутыми и многие м. иметь нормальную интеллигентность. В генеральной популяции мутации в FMR2 слишком редки, чтобы играть роль полиморфизма, который бы модулировал познавательные функции, но мутации в гене monoamine oxidase (MAOA), которые ассоциированы с пограничной-легкой степенями умственной отсталости, а также с поведенческими отклонениями⁸⁸, указывают, что такой полиморфизм м. прекрасно существовать. Как было показано Caspi et al.⁸⁹, плохо общающиеся дети с низкой активностью MAOA, являющиеся результатом полиморфизма в промоторной области, имеют существенно более высокий риск к развитию антисоциального поведения, чем контрольные дети с нормальной активностью MAOA.

Аллельные варианты такого типа, затрагивающие познавательные способности трудно уловимым образом и/или увеличивающие риск ментальной задержки, также м. присутствовать и в генах для семейных XLMR - синдромных или нет - но они не обязательно ограничены только этими генами. В когортах умственно отсталых мужчин или в затронутых парах сибсов, они д.б. обнаружимы с помощью исследований ассоциаций, потому что некоторые из этих полиморфизмов м.б. довольно частыми благодаря небольшим эффектам на отбор. Ранее сильное неравновесное сцепление с тесно сцепленными фланкирующими маркёрами было выявлено у явно неродственных пациентов с Fra(X)синдромом⁹⁰, которое обусловлено также отсутствием отбора против аллелей FMR1, которые предрасполагают к, но не вызывают умственной отсталости.

How many genes?

Примерно 40% из 885 белок-кодирующих генов, которые были идентифицированы на Х хромосоме человека, экспрессируются в головном мозге (см e!project ENSEMBL MartView web site), и в принципе, XLMR м.б. результатом мутаций в любом из них. 125 X-сцепленных генов, большинство из которых экспрессируется в головнвом мозге, уже скринированы на мутации у пациентов EURO-MRX когорты (H. van Bokhoven, personal communication), и коллективные усилия многих групп выявили 59 генов для S-XLMR и/или NS-XLMR (Табл. 1,2; и см online supplementary information S1 (table)). Вплоть до сегодня причинные генетические дефекты были выявлены в 26 из 80 семей с NS-XLMR, для которых были опубликованы детали (обозначались как MRX, 'mental retardation, X-linked'⁹¹; см. также XLMR Genes Update web site). Это указывает, что 20 генов приведенных в списке Табл. 2 м. объяснить почти треть всех мутаций, лежащих в основе NS-XLMR. Однако, очень возможно, что пропорция этих семей, несущих мутации известных генов, даже выше, т.к. некоторые из этих генов были идентифицированы лишь недавно и всё ещё не участвуют в скрининге мутаций во всех MRX семьях с перекрывающимися интервалами сцеплений.

Мутации ARX идентифицированы у 8 (или 10%) из 80 опубликованных MRX семей; это значительно чаще, чем мутации в др. NS-XLMR генах. Однако, по сравнению с Fra(X) синдромом, показатель мутаций ARX выглядит низким. В недавнем исследовании 697 мужчин со спорадической умственной отсталостью Gronskov et al.⁸⁶ выявили 15 случаев Fra(X) - что согласуется с др. исследованиями, показавшими, что 2-2.5% среди умственно отсталых мужчин имеют Fra(X) (Ref. 85) - но выявили только одного пациента с мутацией ARX. Это довольно удивительно, т.к. мутации в гене ARX не только широко распространены в семьях с NS-XLMR, но и в семьях с S-XLMR. Некоторые (в основном не опубликованные) исследования др. группами показали сходные результаты, включая поиск ARX мутаций в 148 родословных с 2 умственно отсталыми мальчиками⁹². Mandel and Chelly⁸⁷ полагают, что X-сцепленные факторы риска м. скорее всего обусловливать умственную отсталость в родословных с двумя затронутыми мальчиками, чем большие XLMR родословные и что это м. объяснить низкую пропорцию известных генных дефектов у пар братьев. Однако, недавно описана высокая частота JARID1C и SLC6A8 мутаций у пациентов из EURO-MRX когорты^22,93, это согласуется в основном с небольшими семьями или с парами умственно отсталых братьев, что , по-видимому, говорит против этого предположения.

Diagnosis, prevention and therapy

Многие из синдромных форм XLMR ранее рассматривались как не-синдромные до тех пор, пока не выявлялись специфические клинические проявления в когортах пациентов с тем же самым повреждением. В значительном количестве случаев синдромные характеристики болезни проявляются только во время созревания или в более поздний период жизни. Следовательно, в клинической практике только с единственным ребенком или небольшой семьей часто невозможно поставить специфический клинический диагноз и в большинстве таких случаев усматривается несиндромная NS-XLMR.

Делается попытка исключить хромосомные повреждения, это общепринятая практика тестирования Fra(X) у мальчиков с умственной отсталостью без микроцефалии с неизвестной причиной, хотя мутации FMR1 выявляются только у 2-2.5% таких пациентов. В крупных семьях с XLMR, клиническое исследование м. выявить отличительные признаки, картирование сцепления м. сфокусировать скрининг мутаций на субнаборе известных XLMR генов. Если такая информация не м.б. получена, то законно проведение скринига на мутации ARX, которые являются наиболее частой причиной NS-XLMR (10% их MRX семей несут мутации этого гена), или по мутациям JARID1C, которые были обнаружены у 12 из 340 скринированных семей (Ref. 22; L. S. Jensen et al. unpublished observations). Более того, мутации в некоторых др. относительно недавно идентифицированных генах, должны быть скринированы, включая SLC6A8, DLG3 и FTSJ1, каждая из которых м. объяснить более 1% мутаций, лежащих в основе NS-XLMR.

Свыше 50% пациентов из семей MRX м. иметь мутации в одном из этих генов при NS-XLMR, но современные методы или слишком дороги или слишком ненадежны - или и то и др. - чтобы предпринимать скрининг мутаций по всем известным NS-XLMR генам. Это м. скоро измениться благодаря введению массивов ДНК или родственных методов, которые сделают доступными re-sequencing многих генов в одном эксперименте. Однако, учитывая размеры многих генов и возможное вовлечение неизвестных регуляторных последовательностей, методы, которые исследуют функцию генов - путем измерения активности энзимов или путем использования др. специфических функциональных параметров, которые реально измерить в выборках от пациентов - имеют больше преимуществ и они в конечном итоге, по-видимому, заменят базирующийся на ДНК скрининг мутаций. Для некоторых из генов, таких как ACSL4 (FACL4), SMS, SLC6A8 и SLC16A2, функциональные подходы уже доступны^94-98 и немногие из них приспособлены для клинического скрининга.

X-сцепленный полиморфизм, который модулирует IQ более мягким способом - и который как полагают объясняет относительный избыток мужчин с умственной недостаточностью - м.б. ответственен за большую часть клинической изменчивости, которая наблюдается в XLMR семьях. Следовательно, гены-модификаторы м. существенно увеличить аккуратность предсказаний о тяжести и течении болезни. У мужчин с ниже среднего, но всё ещё нормальным IQ, такие мутации м. ожидать будут приводить к пограничным или мягким умственным нарушениям. Итак, эти мутации м. также представлять собой важные факторы риска умственной отсталости в генеральной популяции и их существование будет создавать ранее не предусмотренные проблемы для генетических консультаций⁸⁷.

Благодаря сложности головного мозга человека и раннему началу умственной задержки общепринято, что шансы разработки целительной терапии для моногенных XLMR низки. Хотя это м.б. верно для случаев синдромных нарушений, которые связаны с онтогенетическими нарушениями головного мозга, у пациентов с NS-XLMR не выявляются такие большие анатомические изменения и гистологические проверки часто выявляют аномальную длину и плотность дендритных отростков (шипов) в качестве единственной аномалии. Confocal-timelapse imaging, и более недавно, TWO PHOTON IMAGING, выявили заметную пластичность в формировании, поддержании дендритов и в синаптическом взаимодействии с выше стоящими аксонами, то привело к замене концепции жесткой сшивки соединений в ЦНС (Refs 99,100). Эти находки указывают на то, что у пациентов с генетическими дефектами, которые вызывают умственную отсталость, терапевтическое вмешательство возможно даже после рождения и они открывают новые и неожиданные возможности для лекарственной терапии этих нарушений. Напр., показано, что потеря белка FMR1 при Fra(X) умственной отсталости ведет к избыточной экспрессии группы 1 mGluRs, это затем ведет к белок-зависимой long-term depression (LTD), изменению синаптической пластичности и дисгенезу дендритных шипов^101,102. Это указывает на возможную роль антагонистов mGluR в лечении Fra(X) синдрома.

Conclusions

Towards the identification of all XLMR genes. Both for clinical reasons and to increase our understanding of the function of the brain, identifying genes that are involved in XLMR will remain an important task. Breakpoint mapping and cloning in mentally retarded patients with balanced rearrangements of the X chromosome has been a successful strategy for identifying novel XLMR genes, but subsequent screening of patients with NS-XLMR has often failed to identify other mutations in these genes, or have shown that such mutations are rare. Therefore, alternative approaches to identify the molecular causes of NS-XLMR will be required.

The sequencing and annotation of the human genome and the availability of large cohorts of patients and families have together paved the way for candidate-gene approaches to identify the molecular causes of XLMR. Known XLMR genes and emerging pathways will aid in the identification of novel promising candidate genes for mutation screening. The identification of X-chromosomal regions that are frequently involved in XLMR will further facilitate the search for these genes¹⁸. However, in view of the importance of mental retardation for health care and the substantial contribution of XLMR to these cases, even the screening of all brain-expressed X-chromosomal genes would be justified, and should be considered. The molecular elucidation of all monogenic forms of XLMR might also pave the way for the identification of polymorphic variants that affect cognition in a more subtle way, as it is conceivable that such variants are allelic to fully penetrant mutations in XLMR genes. Systematic association studies in large cohorts of mentally retarded males or in affected brother pairs would be another promising strategy to prove the existence of such subtle X-linked mutations.

Finally, although mutation screening has so far been confined to protein-coding genes, it is becoming clear that most mRNAs do not code for protein, both in the brain and in other tissues. Therefore, these 'RNA genes' promise to become a fertile field for future research into the primary causes of XLMR.

Autosomal causes of mental retardation: the new frontier. Although far more is known about the role of X-linked genes in mental retardation, autosomal gene mutations and subtle chromosomal rearrangements have a principal role in the aetiology of mental retardation. Small subtelomeric deletions have been found in up to 7% of patients with mental retardation of unknown cause^103,104, and there is increasing evidence that they are not confined to the chromosome ends. Recently, genome-wide screening for submicroscopic deletions and duplications has become possible owing to the introduction of high-resolution array CGH (comparative genomic hydridization)¹⁰⁵, and screening of large cohorts of mentally retarded patients is underway in several laboratories^106,107.

Characterization of autosomal microdeletions should soon reveal novel candidate genes for autosomal-dominant mental retardation, thereby expanding a list of genes which have been recently identified by cloning of chromosome breakpoints in mentally retarded patients with balanced chromosomal rearrangements^108-113. Autosomal recessive forms of mental retardation (ARMR) might be even more common, but in developed countries, large families with several affected patients are rare, which has hampered their investigation. No more than three different genes for ARMR have been identified so far^114-116, including forms that are associated with microcephaly, although it is clear that this is just the proverbial tip of the iceberg. In analogy to the observation that connexin 26 mutations are found in about 50% of patients with autosomal recessive, non-syndromic childhood deafness (reviewed in Ref. 117), it is quite possible that mutations in relatively few genes account for most cases of non-syndromic ARMR. Homozygosity mapping in large consanguineous families is the strategy of choice for identifying such genes, and their detection could have far-reaching implications for the diagnosis, prevention and eventually even the treatment of mental retardation.

Links