|
|
|
| Ugeskr Læger 2001;163(23):3218
|
Nedarvning og betydning for sygdomme hos mennesket
OVERSIGTSARTIKEL
Karen Brøndum-Nielsen & cand.scient. Morten L. Pedersen
Resumé
Genomisk imprinting er betegnelsen for en epigenetisk modifikation af arvematerialet, som bevirker, at gener har forskellig ekspression afhængende af deres parentale herkomst. Epigenetisk refererer til ændring i ekspression, som ikke skyldes ændring i nukleotidsekvensen. Ekspressionen er monoallel, idet nogle gener kun udtrykkes, når de er arvet via en sædcelle (paternel ekspression), andre kun når de arves via en ægcelle (maternel ekspression). Mutationer i imprintede gener nedarves derfor ikke på regulær Mendelsk vis. Omkring 35 imprintede gener er identificeret hos menneske og mus. Den grundlæggende biologiske betydning er ikke kendt, men det antages, at imprintede gener især spiller en rolle for regulering af fostervækst og -udvikling. Sygdomme, som skyldes ændringer/ mutationer i imprintede gener eller områder på kromosomerne, omfatter Prader-Willi syndrom, Angelman syndrom og Beckwith-Wiedemann syndrom. Desuden er der flere cancerformer, som skyldes eller er ledsaget af ændret imprinting. Indsigt i de sjældne syndromer har givet større forståelse af imprintingprocessen.
Mendels love indebærer, at vi arver en kopi (en allel) af hvert gen fra henholdsvis far og mor. Normalt er ekspressionen (gen-udtrykket, se Boks 1 for ordforklaring) ens fra de to parentale alleller, som derfor funktionelt er ækvivalente. Men der findes undtagelser herfra, og disse kan skyldes imprinting. Genomisk imprinting refererer til en differentiel markering af gener under sædcelle- og ægcelledannelsen, som medfører, at ekspressionen af genet efter befrugtningen afhænger af det parentale ophav. Ekspressionen af imprintede gener er med andre ord monoallel, idet enten den paternelle eller maternelle allel udtrykkes. Genomisk imprinting spiller en væsentlig rolle for embryogenesen. Dette illustreres fx af det abnorme graviditetsprodukt mola hydatidosa, som kan opstå ved befrugtning af ægcelle uden kerne med en normal spermatozo fulgt af duplikation af spermatozoens genom. Selv om cellerne herefter synes at være normalt diploide (46,XX), indeholder de kun paternelt genom. Konsekvensen for embryonet er et manglende (eller stærkt hæmmet) foster i kombination med hyperplasi af ekstraembryonalt væv. Aktivering af en oocyt med duplikation af det maternelle genom medfører opståen af ovarielt teratom. Sådanne abnormiteter samt forsøg med musefostre viser at normal fosterudvikling kræver tilstedeværelse af både et paternelt og et maternelt genom. Kendte sygdomme hos mennesket, som skyldes mutationer/ændringer i imprintede gener/kromosomregioner, er to medfødte mentale retarderingssyndromer, Prader-Willi og Angelman syndrom, samt et overvækstsyndrom, Beckwith-Wiedemann syndrom. Nedarvningen af disse tilstande følger ikke de klassiske Mendelske love og kaldes derfor også non-Mendelian arv (1). De sjældne syndromer har givet indsigt i komplicerede molekylære mekanismer af betydning for dysreguleret vækst og udvikling, herunder tumorudvikling.
Opdagelsen af imprintede gener
Betydningen af forældreophavets køn og fænotype for afkomsfænotype blev erkendt af muldyrsavlere i Lilleasien for mere end 3.000 år siden. Krydses en hingst med et hunæsel fås et mulæsel, mens et muldyr er resultatet af parring mellem en hoppe og et hanæsel. Med andre ord er fænotypen forskellig, alt efter om sæd/ægcellen stammer fra en hest eller et æsel.
Boks 1. Ordforklaring
Epigenetisk: ændring i ekspression, som ikke skyldes ændring i DNA-basesekvensen.
Ekspression: aflæsning af genets DNA-sekvens til mRNA og dermed protein.
Transkript: RNA-molekyle, dannet som komplementær kopi af DNA-streng. Nogle RNA-molekyler processeres til mRNA, som er budbringer mellem cellekerne og cytoplasma, hvor proteinsyntesen foregår.
Monoallel ekspression: kun udtrykt fra den ene af de to alleler.
Uniparental disomi (UPD): genetisk afvigelse, hvor de to homologe kromosomer i et kromosompar stammer fra kun den ene af forældrene, uden bidrag fra den anden.
Promoter: område i begyndelsen af et gen med betydning for regulering af genets transkription.
Kromatin: Udgør materialet i kromosomerne. DNA-molekylet er viklet omkring proteinmolekyler, bl.a. histoner.
LOI=Loss of imprinting: tab af den epigenetiske modifikation, så ekspressionen bliver biallel.
I krydsningsforsøg med mus kunne Cattanach og medarbejdere i 1980'erne generere mus med såkaldt uniparental disomi (UPD), se Boks 1, for hele eller dele af kromosomer (2). Der kunne påvises fænotypiske effekter i form af fx abnorm fosterudvikling, som var forskellig, alt efter om der var tale om maternel eller paternel uniparental disomi. Ti regioner på seks forskellige af musens kromosomer kunne på denne måde vises at være imprintede. UPD kendes også hos mennesket. Opståelsesmekanismen er en fejlagtig fordeling af kromosomerne ved kønscelledannelsen og/eller umiddelbart efter befrugtningen og kan føre til abnorm fænotype, jf. Prader-Willi og Angelman syndrom. I 1991 blev imprinting på enkeltgen-niveau første gang påvist hos mus (3, 4). Ca. 35 gener er nu vist at være imprintede hos musen og mennesket (www.geneimprint.com/databases.html, januar 2000). Der er imidlertid ikke fuldstændig homologi mellem de to arter (5). Ud over regionerne 15q11-q13 samt 11p15.5, som er vist at være imprintede hos mennesket, er kromosomerne 2, 6, 7, 14 og Xp især mistænkt for at rumme imprintede gener (5).
Genomisk imprinting: hvorfor og hvordan? Karakteristik af imprintede gener
Selv om den biologiske betydning af imprinting ikke er klarlagt, er der adskillige teorier herom, og en af disse hævder, at imprinting er opstået for at regulere balancen mellem fosterets næringsbehov og de maternelle ressourcer (6). Paternelt udtrykte gener tenderer til at fremme vækst, maternelt udtrykte gener det modsatte, og man kan derfor tale om en »interessekonflikt« mellem det paternelle og maternelle genom. En række fælles træk for imprintede geners molekylærbiologi findes, se Boks 2.
Boks 2. Karakteristika for imprintede gener/kromosomale regioner
– Optræder i clusters, dvs. megabasestore regioner.
– Både maternelt og paternelt udtrykte gener findes i regionen.
– Differentiel metylering af de to alleler etableres ved kønscelledannelsen.
– Associeret med regulatorisk imprinting-center.
– Associeret med GC-rige DNA sekvenser.
– Associeret med ikke-translateret RNA.
– Associeret med repetitive DNA-sekvenser.
– Asynkron DNA-replikation kan påvises.
– Associeret med ændret kromatinkonfiguration.
– Nedarves ikke efter Mendelske love (non-Mendelian arv).
Eksempelvis optræder imprintede gener i clusters, ofte flere megabase store regioner på kromosomerne, som indeholder såvel maternelt som paternelt udtrykte gener, og som reguleres af et imprinting center (IC), og imprintede gener er associeret med GC-rige DNAsekvenser (CpG-øer) med allelspecifik metylering, dvs. metylering af cytosin i et CpG-dinukleotid på den ene parentale allel (7). Områder med differentiel metylering er meget karakteristisk for imprintede gener. Metylering af CpG-øer er et såkaldt epigenetisk fænomen, se Boks 2. Metylering kendes også fra ikke-imprintede gener, hvor metylering af et gens promoterregion er associeret med nedlukning af transkriptionen af messenger-RNA. Når først metyleringen er etableret for CpG-dinukleotidet, overføres den stabilt i forbindelse med DNA-replikation ved somatiske celledelinger. For de imprintede gener gælder, at der eksisterer flere faktorer, fx ikke-translateret RNA, der er bestemmende for forskellene i genekspression, jf. Boks 2. Etablering af genomisk imprinting kræver et specifikt imprinting-element, som initierer den epigenetisk modificerede tilstand, der opretholdes i somatiske celledelinger gennem individets udvikling, men som slettes igen i embryonets gonade, før et nyt imprint kan dannes, afhængigt af individets køn (imprint switch). Se Fig. 1(se UFL 163/23, p. 3219, 4. juni 2001). Eksperimenter med musens Igf2r (insulin growth factor 2-receptor) har leveret en model, som bl.a. involverer specifikke, korte DNA-sekvenser, der fungerer som signal for metylering og alleldiskriminering (8). Med det vides ikke, præcis hvordan imprintet primært etableres. Der er også en forbindelse mellem imprinting og kromatinstrukturen (9). Ud over modifikation af DNA kan imprintingprocesser også involvere modifikation af proteiner, som indgår i kromatinet, fx histoner. Acetylering af histoner har betydning for pakning af kromatinet og dermed også aktiviteten af det genetiske materiale (10). Man har demonstreret en forbindelse mellem DNA-metylering, histonacetylering og transkriptionel aktivitet, idet proteinet MeCP2 (metyl-cytosin-binding protein 2) selektivt binder sig til metyleret DNA og samtidig danner kompleks med histon deacetylase (11).
Prader-Willi og Angelman syndrom (PWS og AS). Mutationer af samme område af kromosom 15 fører til vidt forskellige kliniske tilstande
Prader-Willi (PWS) og Angelman syndrom (AS) skyldes mutationer i et imprintet område på kromosom 15 (12). De to syndromer, som begge er mentale retarderingssyndromer, er klinisk meget forskellige: Ved PWS ses neonatal hypotoni, senere hyperfagi og svær fedme. Der er reduceret længdevækst, hypogonadisme og en karakteristisk adfærd (13). Ved AS er symptomer fra centralnervesystemet fremtrædende med svær mental retardering med manglende sprog, ataksi, epilepsi og disposition til latterparoxysmer, heraf tilnavnet Happy Puppet (14). Begge syndromers ætiologi og patogenese var ukendte, indtil man i 1981 fandt en ganske lille kromosomal deletion af kromosom nr. 15 ved PWS, og få år efter fandtes deletion af det samme område hos patienter med Angelman syndrom. Deletionerne viste sig imidlertid at være forskellige med hensyn til parental herkomst. Ved PWS er deletionen opstået på den paternelle allel i området 15q11-q13. Da området er imprintet, er årsagen til sygdommen mangel på/fravær af gen(er), der normalt er udtrykt fra den paternelle allel. Ud over deletion kan en anden genetisk afvigelse føre til det samme endepunkt, nemlig uniparental maternel disomi for kromosom 15. Andre, sjældnere patienter har mutationer i et imprinting center, som bevirker, at den omtalte omstilling af imprintet i regionen (imprint switch) ikke kan finde sted. Alle tre molekylære mekanismer fører til fravær af normalt paternelt udtrykte gener. På tilsvarende måde ses ved AS enten maternel deletion, uniparental paternel disomi eller imprinting center mutationer. Hertil kommer yderligere en molekylær mekanisme: punktmutationer i UBEA3-genet, som koder for en ubiquitin proteinligase, som er involveret i proteindegradering (15). Dette gen er vævsspecifikt imprintet, idet kun den maternelle allel udtrykkes i hjernen, mens der i andre celler findes biallel ekspression. En inaktiverende mutation af den maternelle allel bevirker således afvigende hjerneudvikling medførende Angelman syndrom, selv om patogenesen ikke kendes. En mutation kan være opstået de novo eller være nedarvet fra en rask mor, som er bærer af mutationen. Transmission af mutationen fra en anlægsbærende mand får ingen fænotypisk betydning for afkommet. Dette er et eksempel på non-Mendelian nedarvning.
Molekylærgenetisk diagnostik: Betydning for gentagelsesrisikoen for PWS og AS
Fig. 2 (se UFL 163/23, p. 3220, 4. juni 2001) viser en oversigt over de forskellige genetiske undergrupper af PWS og AS. Klinisk har denne inddeling stor betydning, da gentagelsesrisikoen i familien afhænger af den molekylærgenetiske mekanisme. Området omkring det imprintede gen SNRPN indeholder en række CpG-dinukleotider, som alle er umetylerede på den udtrykte paternelle allel og helt metylerede på den nedlukkede maternelle allel (16). Dette kan udnyttes diagnostisk, idet visse restriktionsenzymer kun skærer DNA, når det er metyleret. En anden metode udnytter, at bisulfitbehandling af DNA omdanner cytosin til uracil, hvis cytosin ikke er metyleret (17), se også forklaring til Fig. 3.(se UFL 163/23, p. 3221, 4. juni 2001). Ved anvendelse af en af disse metoder kan diagnoserne PWS eller AS stilles i de fleste tilfælde, men en findiagnostik af den genetiske subgruppe kræver supplerende molekylære og cytogenetiske analysemetoder.
Beckwith-Wiedemann syndrom (BWS), kromosom 11p15.5. Overvækst og tumorudvikling
BWS (18) omfatter symptomerne somatisk gigantisme, omfalocele, makroglossi, hemihypertrofi og evt. organomegali samt neonatal hypoglykæmi, men fænotypen er også ved de 10-15% familiære tilfælde meget varierende selv inden for samme familie. Børn med BWS har en øget risiko for visse tumorer, især Wilms tumor. Syndromet har sin genetiske basis lokaliseret til kromosom 11p15.5, hvor ti imprintede gener indtil nu er identificeret [www.geneimprint.com/ databases.html, januar 2000]. Den tilgrundliggende molekylære defekt ved BWS kendes ikke endnu, men meget tyder på, at overekspression af det normalt paternelt udtrykte gen IGF2 (insulin growth factor 2) i regionen 11p15.5 spiller en rolle, sammen med relativ mangel på ekspression af normalt maternelt udtrykte gener i regionen (p57KIP2 og KVLQT1). Med andre ord er balancen mellem vækstpromoverende og væksthæmmende gener formentlig ændret. Også for BWS er der forskellige molekylære mekanismer, som fører til fænotypen (19): Hos nogle få patienter er der beskrevet konstitutionelle kromosomale rearrangementer, herunder partiel trisomi for kromosom 11. Omkring 20% af patienterne har uniparental disomi for en del af den korte arm af kromosom 11 i mosaikform. Omkring 5% af de sporadiske tilfælde har konstitutionelle mutationer i p57KIP2-genet, og dette forekommer hyppigere i de familiære tilfælde (20). Hertil kommer, at man kan påvise en abnorm biallel ekspression af IGF2 hos 20-50% af patienterne. Man kan i disse tilfælde tale om LOI (loss of imprinting), idet genet som tidligere anført normalt kun udtrykkes fra den paternelle allel. Hos et vist antal patienter findes abnorm methylering og manglende ekspression af det hos normale personer maternelt udtrykte gen H19. Endelig er der for nylig beskrevet abnorm ekspression og abnorm metylering af et gen for et ikke-translateret RNA-molekyle, LIT1, beliggende i KvLQT1-genet. (21). Den abnorme ekspression af LIT1 kan påvises hos ca. halvdelen af patienterne og kan formentlig anvendes diagnostisk sammen med en molekylærgenetisk analyse af paternel UPD, IGF2-ekspression og H19-metylering. Se Fig. 4 (se UFL 163/23, p. 3221, 4. juni 2001), som viser resultatet af en undersøgelse for UPD. Den molekylære patogenese ved BWS er kompliceret og ikke endeligt klarlagt, men kan fremtidigt bidrage til forståelse af tumorudvikling og abnorm vækst. Her skal nævnes, at man for adskillige tumorer i tumorvævet har fundet LOI for generne på 11p15.5 i Beckwith-Wiedemann-regionen, fx Wilms tumor, testikulære germinalcelletumorer og ovarietumorer. Yderligere er erhvervet epigenetisk modifikation af potentielle tumorgener ved hjælp af metylering en nyligt beskrevet mekanisme i den molekylære tumorpatogenese (22).
Afsluttende bemærkninger
Den basale biologiske betydning af fænomenet imprinting er ikke kendt, men kan evt. involvere evolutionsmæssige fordele i forbindelse med fostervækst. Imprintede gener udgør formentlig kun en lille del af genomet. Defekter i imprintede gener nedarves ikke på regulær Mendelsk vis. DNA-metylering og ændring i kromatinets konfiguration spiller en rolle i imprintingsprocessen, og øget viden herom vil givetvis medføre øget forståelse af geners regulering og dermed af tilstande med dysreguleret vækst, som fx cancer. For nylig publicerede Tilghmans gruppe et arbejde i Nature, som ud fra forsøg med transgene mus og vævskulturer karakteriserer det imprinting control-center, som regulerer imprintningen af H19 og Igf2. Der er tale om et kromatin boundary-element, som blokerer for interaktion mellem Igf2 og enhancers. Et Zink-finger protein, CTCF, som er involveret i transkriptions-aktivering og -repression, kunne vises at binde sig til boundary-elementet. DNA-metylering forhindrer binding af dette protein. Dette er det første eksempel på et reguleret kromatin boundary-element hos vertebrata (23).
Summary
Karen Brøndum-Nielsen & Morten L. Pedersen:
Genomic imprinting in human disease. An overview of molecular genetic mechanisms.
Ugeskr Læger 2001; 163: 3218-22.
Genomic imprinting is the epigenetic differential marking of maternally and paternally inherited alleles of specific genes or chromosomal subregions during gametogenesis, leading after fertilization to differential expression during development. Expression is thus monoallelic, with one parental allele being expressed, the other silenced. Imprinting implies the existence of a reversible imprinting signal, which is erased in the gonads to be reset according to the sex of the individual. Mutations in imprinted genes are not inherited in a regular Mendelian fashion. The number of identified imprinted genes is now around 35. Three congenital human disorders are known to be caused by errors in the expression pattern of imprinted genes: Prader-Willi syndrome, Angelman syndrome and Beckwith-Wiedemann syndrome. A number of cancers are also caused by errors in imprinted genes.
Reprints: Karen Brøndum-Nielsen, John F. Kennedy Instituttet, Gl. Landevej 7, DK-2600 Glostrup. E-mail: kbn@kennedy.dk
Bioanalytiker Annie Sand og bioanalytiker Iben Petersen takkes for excellent udførelse af DNA-analyser. Fotograf Jette Rasmussen og Preben Holst takkes for hjælp med illustrationer. Statens Sundhedsvidenskabelige Forskningråds bevilling til »Molecular and Cellular Mechanisms in regulation of Growth and Regeneration« (bev. nr. 9600821), partner nr. 12, har muliggjort MLP's ph.d.-studium.
Litteratur
1. Lalande M. Parental imprinting and human disease. Annu Rev Genet 1997; 30: 173-95.
2. Cattanach BM, Jones J. Genetic imprinting in the mouse: implications for gene regulation. J Inherit Metab Dis 1994; 17: 403-20.
3. Barlow DP, Stöger R, Herrmann BG, Saito K, Schweifer N. The mouse insulin-like growth factor type-2 receptor is imprinted and closely linked to the Tme locus. Nature 1991; 349: 84-7.
4. DeChiara TM, Robertson EJ, Efstratiadis A. Parental imprinting of the mouse insulin-like growth factor II gene. Cell 1991; 64: 849-59.
5. Morison IM, Reeve AE. A catalogue of imprinted genes and parent-of-origin effects in humans and animals. Hum Mol Genet 1998; 7: 1599-609.
6. Hurst LD, McVean GT. Growth effects of uniparental disomies and the conflict theory of genomic imprinting. Trends Genet 1997; 13: 436-43.
7. Reik W, Walter J. Imprinting mechanisms in mammals. Curr Opin Genet Dev 1998; 8: 154-64.
8. Birger Y, Shemer R, Perk J, Razin A. The imprinting box of the mouse Igf2r gene. Nature 1999; 397: 84-8.
9. Schweizer J, Zynger D, Francke U. In vivo nuclease hypersensitivity studies reveal multiple sites of parental origin-dependent differential chromatin conformation in the 150 kb SNRPN transcription unit. Hum Mol Genet 1999; 8: 555-66.
10. Struhl K. Histone acetylation and transcriptional regulatory mechanisms. Genes Dev 1998; 12: 599-606.
11. Bestor TH. Gene silencing. Methylation meets acetylation. Nature 1998; 393: 311-2.
12. Nicholls RD, Saitoh S, Horsthemke B. Imprinting in Prader-Willi and Angelman syndromes. Trends Genet 1998; 14: 194-200.
13. Schulze AH, Petersen MB, Blichfeldt SS, Kastrup KW, Brøndum-Nielsen K. Prader-Willi syndrom klinisk billede og genetik. Ugeskr Læger 1995; 157: 1513-9.
14. Østergaard JR, Juhl AH. Eeg og tidlig diagnostik af Angelmans syndrom. Ugeskr Laeger 1997; 159: 1273-6.
15. Kishino T, Lalande M, Wagstaff J. UBE3A/E6-AP mutations cause Angelman syndrome. Nat Genet 1997; 15: 70-3.
16. Glenn CC, Saitoh S, Jong MT, Filbrandt MM, Surti U, Driscoll DJ et al. Gene structure, DNA methylation, and imprinted expression of the human SNRPN gene. Am J Hum Genet 1996; 58: 335-46.
17. Zeschnigk M, Lich C, Buiting K, Doerfler W, Horsthemke B. A single-tube PCR test for the diagnosis of Angelman and Prader-Willi syndrome based on allelic methylation differences at the SNRPN locus. Eur J Hum Genet 1997; 5: 94-8.
18. Beckwith JB. Macroglossia, omphalocele, adrenal cytomegaly, gigantism, and hyperplastic visceromegaly. Birth Defects Orig Artic Ser 1969; 5: 188-96.
19. Li M, Squire JA, Weksberg R. Molecular genetics of Wiedemann-Beckwith syndrome. Am J Med Genet 1998; 79: 253-9.
20. Lam WW, Hatada I, Ohishi S, Mukai T, Joyce JA, Cole TR et al. Analysis of germline CDKN1C (p57KIP2) mutations in familial and sporadic Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS) provides a novel genotype-phenotype correlation. J Med Genet 1999; 36: 518-23.
21. Lee MP, DeBaun MR, Mitsuya K, Galonek HL, Brandenburg S, Oshimura M et al. Loss of imprinting of a paternally expressed transcript, with antisense orientation to KVLQT1, occurs frequently in Beckwith-Wiedemann syndrome and is independent of insulin-like growth factor II imprinting. Proc Natl Acad Sci U S A 1999; 96: 5203-8.
22. Jones PA, Laird PW. Cancer epigenetics comes of age. Nat Genet 1999; 21: 163-7.
23. Hark AT, Schoenherr CL, Katz DJ, Ingram RS, Levorse JM, Tilghman SM. CTCF mediates methylation-sesitive enhancer-blocking activity at the H19/Igf2 locus. Nature 2000; 405: 486-9.
Denne artikel er baseret på flere end de i litteraturlisten nævnte 23 referencer. Oplysninger om den øvrige litteratur kan fås hos forfatterne.
Antaget den 25. maj 2000.
John F. Kennedy Instituttet, Glostrup.
|
|
|
|
UGESKRIFT FOR LÆGER
Ugeskriftet betinger sig ret til at opbevare og publicere artikler (tekst og illustrationer) også i elektronisk form, fx via cd-rom og Internettet.
Eftertryk eller anden mangfoldiggørelse af Ugeskriftets tekst og illustrationer er kun tilladt med skriftlig tilladelse fra forfatter og redaktion og anførelse af Ugeskrift for Læger som kilde.
Gengivelse af informationer eller citater fra Ugeskriftet må tidligst offentliggøres på datoen (mandage) for det pågældende nummers udgivelse og med angivelse af Ugeskrift for Læger som kilde. |
|
|
|
|
|
