Цель исследования – оценить эпигенетические данные, которые отображают рост числа заболеваемости нейродегенеративными заболеваниями, а также рассмотреть их клинико-генетические проявления.
Нейродегенеративные заболевания – это группа заболеваний, которые поражают нервную систему и приводят к ухудшению когнитивных и моторных функций, а также к нарушениям памяти и поведения [1]. Многие из этих заболеваний обусловлены генетическими мутациями. В Якутии, как и в других регионах Российской Федерации, наблюдаются случаи различных нейродегенеративных заболеваний. Среди наиболее распространенных нейродегенеративных заболеваний в Якутии можно выделить болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз и др. Болезнь Альцгеймера – это хроническое прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое приводит к ухудшению памяти, мышления и поведения [2]. В Якутии число пациентов с болезнью Альцгеймера постоянно растет. Болезнь Паркинсона – это хроническое заболевание, которое приводит к нарушению движений и координации. В Якутии болезнь Паркинсона также становится все более распространенной. Боковой амиотрофический склероз – это заболевание, которое приводит к прогрессирующей дегенерации моторных нейронов и параличу мышц. В Якутии также зарегистрированы случаи бокового амиотрофического склероза. Но наиболее распространенными нейродегенеративными заболеваниями в Якутии являются наследственные атаксии, в частности спиноцеребеллярная атаксия 1-го типа (СЦА1), а также окулофарингеальная миодистрофия (ОФМД).
В целом, нейродегенеративные заболевания становятся все более распространенными в Якутии и требуют более серьезного внимания со стороны медицинского сообщества и общества в целом.
Наследственные атаксии – это группа клинически и генетически гетерогенных групп заболеваний, наиболее часто имеющих аутосомно-доминантное или аутосомно-рецессивное наследование [3].
Для аутосомно-доминантной атаксии (СЦА) на сегодняшний день картированы 28 локусов на различных хромосомах, идентифицированы 14 генов и их белковых продуктов. В большинстве случаев аутосомно-доминантной спиноцеребеллярной атаксии мутации представлены патологическими внутригенными экспансиями (расширениями) тринуклеотидных повторов («динамические» мутации) [4]. Наиболее распространенным является расширение последовательности повторов CAG, которое на уровне белка пропорционально удлиняет полиглутаминовый домен белка (отсюда название «полиглутаминовая» болезнь и специфический механизм нейродегенерации) [5, с. 111]. Существует обратная корреляция между количеством тринуклеотидных повторов в мутировавшем гене и возрастом начала заболевания; кроме того, чем больше степень удлинения, тем тяжелее клинические симптомы. Помимо динамических мутаций, при СЦА могут возникать точечные мутации в генах, кодирующих, например, протеинкиназу гамма, фактор роста фибробластов и многие другие белки. Частота конкретных типов аутосомно-доминантно наследуемого СЦА варьируется в разных популяциях (табл. 1). Например, в России более 40% семей с доминантным СЦА имеют мутации в гене ATXN1 на хромосоме 6p (СЦА1), тогда как в большинстве стран Западной Европы преобладают мутации в гене ATXN3 (СЦА3 или болезнь Мачадо–Джозеф) [6].
Таблица 1
Эпигенетика распространенных нейродегенеративных заболеваний
|
Нозологическая форма |
Ген |
Характерная локализация |
Распространённость |
|
Атаксия 1-го типа |
ATXN1 |
Россия, Якутия |
В Якутской популяции 38,6 на 100 тыс. 1–2:100 тыс. в мировом населении |
|
Атаксия 2-го типа |
ATXN2 |
Индия |
100 описанных случаев по всему миру |
|
Атаксия 3-го типа |
ATXN3 |
Германия, Япония |
Германии (42%), Японии (о. Хонсю – 33,7%), США (23%) |
|
Атаксия 4-го типа, болезнь Махадо–Джозефа |
PNKP |
Не локализован |
Эндемически не прикреплен к определенной нации |
|
Спиноцеребеллярная атаксия тип 6 |
CACNA1A |
Не локализован |
По всему миру 1:100000 |
|
Спиноцеребеллярная атаксия тип 8 |
ATXN8 |
Не локализован |
Эндемически не прикреплен к определенной нации |
|
Атаксия Фридрейха |
FXN |
Не локализован |
Эндемически не прикреплен к определенной нации |
|
Амиотрофия Шарко–Мари–Тута тип 1A |
PMP22 |
Россия |
В России составляет 5,7 |
|
Окулофарингеальная мышечная дистрофия (ОФМД) |
PABPN1 |
Якутия |
Среди якутов составляет 11,1 на 100 тыс., во всем мире 1,1 на 100 тыс. |
Среди аутосомно-рецессивных и Х-сцепленных рецессивных атаксия Фридрейха чаще всего вызывается расширенным повтором GAA в некодирующей области гена FRDA на хромосоме 9q. Считается, что белковый продукт этого гена, фратаксин, участвует в митохондриальном гомеостазе железа. Таким образом, болезнь Фридрейха является менделевской формой митохондриальной цитопатии. Болезнь обычно проявляется довольно рано (до 20 лет), характеризуется смешанной мозжечково-сенситивной атаксией, дизартрией, мышечной слабостью, кардиомиопатией, скелетными деформациями, диабетом и неуклонно прогрессирующим течением. Существует достаточно строгая корреляция между длиной экспансии и клиническими проявлениями болезни Фридрейха, относительно поздним началом и «доброкачественным» течением, характерными для непротяженной экспансии GAA-повторов [7].
Спорадические (идиопатические) дегенеративные атаксии представляют собой гетерогенную группу, включающую паренхиматозно-кортикальную мозжечковую и оливопонтоцеребеллярную атрофию. Последняя в настоящее время рассматривается как форма множественной системной атрофии и является тяжелым нейродегенеративным заболеванием, характеризующимся поражением нескольких систем головного и спинного мозга (таких как базальные ганглии, мозжечок, ствол мозга, вегетативные ядра спинного мозга и двигательные нейроны) и наличием специфических альфа-синуклеин-позитивных глиальных цитоплазматических включений [8].
Спиноцеребеллярная атаксия (СЦА 1) представляет собой гетерогенную группу нейродегенеративных атаксических заболеваний с аутосомно-доминантным типом наследования. Клиническая картина данного заболевания включает сочетание нарастающего дефицита двигательной координации и общую деградацию нервных волокон головного и спинного мозга [9, с. 3]. При СЦА 1-го типа болезнь обычно проявляется в зрелом возрасте, примерно в 13 лет. В случаях раннего начала заболевания (до 13 лет) болезнь прогрессирует быстрее и протекает намного тяжелее [10].
Основные клинические проявления: первыми симптомами обычно являются нарушение моторной координации равновесия при ходьбе. По сути, само слово «атаксия» в переводе с греческого означает «беспорядок», подразумевая нарушение координации. По мере прогрессирования СЦА 1-го типа в течение нескольких лет могут возникнуть дисфагия (трудности при глотании) и неясная речь. В некоторых случаях дополнительными симптомами могут быть признаки нейропатии (потеря чувствительности и рефлексов в ногах), мышечная спастичность (патологическое повышение мышечного тонуса), слабость или разные степени амнезии [11].
При СЦА 1-го типа генетический дефект вызывает ухудшение состояния конкретных нервных волокон, которые отвечают за передачу нервных импульсов между мозгом и периферической нервной системой, что приводит к дегенерации мозжечка (страдает координационно-операционная система мозга) [9, с. 5]. Часто наблюдается кровное родство между родителями. Эффективного лечения данного заболевания на данное время не существует. Летальный исход в большинстве случаев наступает через 10–15 лет от манифестации болезни [12]. Причиной развития СЦА 1-го типа является генетическая мутация, а именно экспансия (увеличение) числа триплетного повтора CAG, расположенного в N-концевой кодирующей области гена ATX1, расположенного на хромосоме 6p23. Мутация приводит к производству мутантного белка, получившего название атаксин-1, с более длинным полиглутаминовым участком. Считается, что преобладающим эффектом мутации является токсическое усиление функции аберрантного белка [7].
Для обнаружения мутации в области гена ATX1 предлагают прямую ДНК-диагностику. Его основным преимуществом является выявление заболевания на пресимптоматической стадии, это дает возможность раннего начала терапевтических действий, направленных на отсрочку проявления клинических симптомов [13]. Это особенно важно для медико-генетического консультирования, поскольку эффективные методы лечения СЦА 1-го типа еще не найдены [14].
Окулофарингеальная мышечная дистрофия (ОФМД) – генетическая патология, которая проявляется поражением мышц головы и отчасти конечностей. Эта болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу с некоторой ограниченностью по полу: чаще заболевают мужчины. Основной причиной является нарушение обмена веществ в мышечной и соединительной ткани [15]. Это преимущественно нарушение белкового обмена с повышенным синтезом мышечных белков и последующим их распадом. «Восходящий тип» чаще всего поражает нижние конечности, затем тазовый пояс, туловище и верхние конечности. «Нисходящий тип» встречается реже. Мышечный тонус и сила снижаются, развивается атрофия [16, с. 24].
Исторически первой была открыта аутосомно-доминантная форма заболевания – в 1962 году Виктор с командой коллег наблюдал у представителей трех семей необычное сочетание дисфагии с птозом век, симптомы со временем прогрессировали и приводили к слабости поясов верхних и нижних конечностей. Изучение наследственного анамнеза больных доказало аутосомно-доминантный механизм наследования окулофарингеальной мышечной дистрофии. Затем в 1975 году японские исследователи Сатоеши и Киношита описали сходные симптомы миопатии у девочки, имеющей здоровых родителей; этот факт, а также более раннее развитие проявлений указывали на аутосомно-рецессивную разновидность ОФМД [17].
На сегодняшний день точные цифры встречаемости заболевания не выяснены, отмечено только более частое возникновение в некоторых национальных группах (франкоязычные канадцы, бухарские евреи). По данным современной генетики, окулофарингеальная мышечная дистрофия (ОФМД) с одинаковой частотой поражает как мужчин, так и женщин [18].
ОФМД является заболеванием мышц с поздним началом, связанным с прогрессирующим птозом век, дисфагией и уникальными тубулофиламентозными внутриядерными включениями в скелетных мышцах [19]. ОФМД обычно передается как аутосомно-доминантный признак, также наблюдались более редкие аллельные аутосомно-рецессивные формы. Обе формы вызваны короткими GCG триплетами с 11–17 экспансиями в гене ядерного 1 полиаденилат-связывающего белка PABPN1, локализованного на хромосоме 14q11.2. У здоровых людей количество повторов GCG составляет 6 в 98% случаев. Именно изменение количества повторов данного триплета и обусловливает развитие всех форм окулофарингеальной мышечной дистрофии. При наличии 7 повторов GCG в гене PABPN1, особенно в гомозиготном состоянии, развивается аутосомно-рецессивная форма ОФМД [20]. Причины, почему у таких лиц не развивается ОФМД, достоверно не изучены. В случае более выраженного нарушения структуры гена PABPN1, при котором наблюдается свыше 10 повторов GCG, возникает аутосомно-доминантная разновидность ОФМД [7, 14].
Однако гомозиготы по данному заболеванию (с данным количеством повторов в обоих аллелях) обычно имеют более тяжелое состояние и диагностируются в среднем на 15–20 лет раньше. Таким образом, характерной особенностью окулофарингеальной мышечной дистрофии является то, что заболевание вызвано «передозировкой» определенного генетического материала. При этом механизм наследования и форма заболевания, включая симптомы, зависят от степени вышеупомянутой «передозировки». В результате генетической аномалии полиаденилат-связывающий белок имеет аномальный «хвост» из аминокислотных остатков аланина, что нарушает функцию этого белка. Наличие полиаланиновых последовательностей в структуре этого белка связано с появлением нитевидных включений в клеточном ядре, что является одним из отличительных признаков ОФМД [16].
Клиническая картина ОФМД зависит от формы заболевания. Аутосомно-рецессивная форма является наиболее тяжелой и рано проявляющейся, и первые симптомы обычно появляются в детстве [19]. Вначале наблюдаются генерализованная мышечная слабость, мимическая бездеятельность мышц и легкий птоз. При аутосомно-рецессивном ОФМД дисфагия развивается гораздо раньше и может привести к невозможности принимать пищу. За этим следуют усиление паралича глазных мышц и мышечная дистрофия верхних и нижних конечностей. ОФМД с аутосомно-доминантным наследованием характеризуется более мягким началом симптомов. Первые признаки заболевания обычно появляются в возрасте 40–50 лет, но могут возникнуть и в возрасте15–20 лет (гомозиготы по вариантным формам гена PABPN1) [17]. Одним из первых симптомов данной патологии является птоз век, к которому вскоре присоединяются дисфагия, снижение активности мимики, слабость других мышц лица и шеи. Прогрессирование аутосомно-доминантного ОФМД сопровождается мышечной слабостью в дистальных отделах конечностей и, в некоторых случаях, анального сфинктера, что приводит к энкопрезу. Согласно разным источникам, течение заболевания длительное и может продолжаться от 5 до 15 лет [21].
Для диагностики ОФМД применяются методика патогистологического изучения мышечных тканей, данных электромиографии и изучение наследственного анамнеза больного, а также молекулярно-генетические методы. При осмотре выявляют птоз век, расстройства глотания, общую мышечную слабость, снижение мимической активности [22]. Возраст больных варьируется в зависимости от формы заболевания – при аутосомно-рецессивной разновидности пациентами в основном являются дети, в случае доминантного типа – взрослые 40–50 лет (реже 15–25 лет) [14]. При проведении электромиографии выявляют снижение амплитуды мышечных импульсов, их удлинение и полифазность. Биопсия мышечной ткани с последующим гистологическим изучением обычно обнаруживает наличие в ядрах клеток нитевидных включений, которые иногда приобретают разветвленный характер.
При ОФМД нередко возникают нарушения в структуре волокон 1-го типа, при длительно текущем заболевании присоединяются признаки атрофии мышц. Молекулярно-генетическая диагностика этой патологии является надежнейшим и относительно простым (за счет характера мутации) методом определения [22]. Для этого производится амплификация участка последовательности GCG с последующим электрофорезом для определения ее размера – увеличение количества повторов GCG указывает на наличие ОФМД [7]. Также возможна перинатальная диагностика этого состояния генетическими методиками, материал для исследования получают методом амниоцентеза или биопсии ворсинок хориона [23].
А также во всем мире проводятся исследования метода редактирования генома CRISPR-Cas. CRISPR-Cas – это инструмент генной инженерии, который позволяет изменять гены в ДНК. Исследования, связанные с использованием CRISPR-Cas для лечения нейродегенеративных заболеваний, направлены на корректировку генетических мутаций, которые приводят к разрушению нервных клеток. Например, в случае болезни Альцгеймера исследователи пытаются использовать CRISPR-Cas для удаления белковых отложений, которые накапливаются в мозге и вызывают смерть нейронов. Но в случае миодистрофии Дюшенна разработка потенциальной терапии оказалась делом весьма нетривиальным. Сложность заключается в том, что вектор на основе аденовируса, обычно используемый при генной терапии, способен вместить в себя последовательность около 8,2 тысяч пар нуклеотидов, вектор на основе аденоассоциированного вируса – и того меньше, около 4,7 тысяч пар нуклеотидов, в то время как последовательность гена DMD составляет около 14 тысяч пар нуклеотидов, что почти в 2 раза больше «вместимости» обычных вирусных векторов [24]. Однако пока что эти исследования находятся на стадии лабораторных экспериментов и требуют дальнейшего развития и тестирования на животных и людях [25].
Заключение
В данной работе рассмотрены эпигенетические данные, которые отображают рост числа заболеваемости нейродегенеративными заболеваниями. Также известно о ранней манифестации заболеваний, связанной с количеством генетической экспансии триплетов. Вследствие этого были рассмотрены методы диагностики НДЗ. Наиболее результативным и достоверным является прямой молекулярно-генетический анализ повторов триплетов. Раннее генетическое тестирование, которое позволяет выявить наличие мутаций в генах для семей, отягощенных окулофарингеальной миодистрофией (ОФМД) и спиноцеребеллярной атаксией (СЦА), остается актуальным и самыми достоверным методом для подтверждения диагноза. Исторически обособленная жизнь якутского народа определяет высокую частоту заболеваемости ОФМД и СЦА 1-го типа. В связи с этим необходимость внедрения диагностики данных заболеваний в рутинную клиническую практику является одной из приоритетных задач.