Генетика и молекулярная биология колбочковых дистрофий

Описание

Колбочковые дистрофии и дисфункции являются генетически гетерогенной группой заболеваний. Наследственная природа макулярных дистрофий и типы их наследования установлены на основе результатов медико-генеалогических исследований по наличию нескольких больных в одной родословной еще до развития молекулярной генетики. Прогресс в генетических исследованиях позволил установить локализацию генов, ответственных за развитие этих заболеваний и в ряде случаев выявить их пусковые патофизиологические механизмы, формирующиеся при изменении структуры белков, кодируемых мутантными генами. Данные, полученные в генетических исследованиях, изменили некоторые существующие представления о патогенезе и типах наследования дистрофических заболеваний сетчатки.

Каким представляется в настоящее время механизм развития дистрофического повреждения сетчатки? Наследуемые дефекты включают нарушения структуры наружных сегментов фоторецепторов, мутации белков на любом из этапов зрительного цикла, изменения факторов транскрипции. По данным литературы, основные пусковые патогенетические механизмы колбочковых дистрофий вызваны мутацией трех генов: ABCR (1р21 —13), CRX (19ql3.3) и GUCY2D (17р13—р12).

Как осуществляется зрительный цикл фототрансдукции в норме? Квант света поглощается молекулой родопсина (Р), которая локализована в фоторецепторной мембране диска наружного сегмента. После перестройки родопсина под действием света он приобретает способность взаимодействовать со следующим белком каскада ГГФ связывающим (ГТФ — гуанозин- трифосфат) белком трансдуцином, находящимся в фоторецепторе.

Активированный трансдуцин активирует следующий белок — фермент фосфодиэстеразу (ФДЭ), который разрушает внутриклеточный передатчик — циклический гуанозинмоно-фосфат (цГМФ). Снижение концентрации свободного цГМФ в цитоплазме зрительной клетки приводит к блокированию ионных каналов в плазматической мембране. Ионы натрия и кальция перестают входить внутрь клетки — наступает гиперполяризация.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Гиперполяризационный электрический потенциал — физиологический фоторецепторный сигнал — передается в первом синапсе следующим биполярам и горизонтальным клеткам. В процессе восстановления темнового состояния фоторецептора происходит активация фермента гуанилатциклазы (ГЦ), который участвует в синтезе цГМФ из ГТФ. Повышение концентрации цГМФ в наружном сегменте фоторецептора приводит к связыванию плазматической мембраны с белком, и ионный канал переходит в открытое состояние. Вследствие этого ионы натрия и кальция вновь начинают входить в клетку по градиенту концентрации — происходит деполяризация мембраны зрительной клетки.

В зрительном цикле происходит фотопревращение родопсина, конечной фазой которого является освобождение ретиналя из белка. Ключевую роль в транспорте ретиналя из мембраны играет специальный белок — АТФ- связывающий кассетный переносчик ретиналя (ABCR). Через фоторецепторную мембрану ABCR в комплексе с фосфатвдилэтаноламином, одним из основных фосфолипидов фоторецепторной мембраны, переносит полностью свободный транс-ретиналь в цитоплазму наружного сегмента. В цитоплазме полностью свободный транс-ретиналь с помощью фермента дегидрогеназы превращается в полностью свободный транс-ретинол (витамин А), который переносится из фоторецепторной клетки в субретинальное межклеточное пространство, где он связывается со следующим белком зрительного цикла — межрецепторным ретино-связываюшим белком (1RBP), с помощью которого переносится в клетку пигментного эпителия.

Мутация гена, кодирующего синтез белка ABCR, сопровождается скоплением липофусциновых гранул в пигментном эпителии. Дефект белка ABCR обусловливает накопление ретиналя в фоторецепторной мембране диска и его химическое взаимодействие с одним из трех фосфолипидов — фосфатидилэтаноламином. Взаимодействие полностью свободного транс- ретиналя с одной и последовательно со второй молекулой приводит к образованию токсичного бис-ретинальфос-фатидилэтаноламина (А2ЕРЕ), который является предшественником еще более токсичного соединения — бис-ретинильденфосфатидилэтаноламина (pyridinium bisretinoid — А2Е) — основного флуорофора липофусциновых гранул. Он повреждает наружную митохондриальную мембрану и запускает апоптоз клеток, а также выступает в качестве фотосенсибилизатора свободнорадикального повреждения клетки. Избыточное накопление липофусциновых гранул и А2Е в пигментном эпителии определяет дистрофические изменения сетчатки.

Ген ABCR локализован на коротком плече 1-й хромосомы в локусе 21 —13. Этот ген представляет собой ретиносиецифичный гликопротеин, встроенный в мембраны дисков наружных сегментов палочковых фоторецепторов и осуществляющий АТФ-зависимый транспорт субстратов через мембраны дисков. Он относится К суперсемейству белков ABC, осуществляющих гидролиз АТФ и посредством этого АТФ- зависимый трансмембрапный перенос субстратов. Эти белки обнаружены у большинства живых организмов — от бактерий до человека, у которых общее число белков ABC около 1100. У человека обнаружено 47 белков этого суперсемейства, которые относятся к 7 подтипам. Мутации 14 генов, кодирующих белки этого суперсемейства, обнаружены при 13 генетически обусловленных заболеваниях: муковисцидозе, адренолейкодистрофии, синдроме Дубина — Джонсона и др. Нарушения структуры белков этого суперсемейства являются причиной резистентности некоторых опухолей к химиотерапии.

Мутация гена ABCR, описанного одним из первых в генетике заболеваний сетчатки, является причиной возникновения дистрофии Штаргардта - STGD1, аутосомно-рецессивный тип наследования которой был установлен задолго до появления моля кулярно-генетических методов диагностики.
Некоторые формы дистрофии сетчатки вызваны мутацией гена периферина/родопсина (peripherin/RDS-iCH) в локусе 6р21.1 INakazawa M., Ген, ответственный за развитие кол- бочковой дистрофии с аутосомно-доминантным типом наследования, выявлен на участках 17р12—р 13 и 6q25- q26, ген колбочковой дистрофии, сцепленной с Х-хромосо- мой, — на участке Хр21.1—р 11.3, другие гены локализованы на участках 19ql3.3—ql3.4, 17р12-р13, 17qll и 18q21.

Ген ABCR (ABCA4), локализованный в участке 1р21—р13, первоначально считали ответственным только за возникновение формы дистрофии Штаргардта с аутосомно-рецессивным типом наследования и желто-пятнистого глазного дна. Однако мутации этого гена обнаружены также при аутосомнорецессивной форме колбочково-палочковой дистрофии (CORD3), аутосомно-рецессивной форме пигментного ретинита (RP19) и сухой форме макулярной дегенерации, связанной с возрастом (ARMD2), т.е. мутации гена ABCR могут обусловить различные фенотипические проявления дегенерации сетчатки с характерными для каждого из них клиническими и функциональными симптомами. Поданным A.Maugeri (2002), 1 из 54 человек в Европе и 1 из 121 в США является носителем патологического гена ABCR.

Мутация гена мембранной гуанилатциклазы 2D (GUCY2D), расположенного в локусе 17р13.1, обнаружена при колбочконо-палочковом дистрофии (CORD6) и амаврозе Лебера I типа. Мембранная гуанилатциклаза встроена в мембрану фоторецепторов и состоит из нескольких субъединиц. Функция ее заключается в контроле уровня внутриклеточного содержания цГМФ. Структурные и функциональные изменения гуанилатциклазы приводят к увеличению содержания' цГМФ в клетке и гибели фоторецепторов.

Мутация гена СRX в локусе 19ql3.3 обнаружена при колбочково-палочковой дистрофии (CORD2), аутосомно-доминантном пигментном ретините и амаврозе Лебера

Функция белка CRX заключается в контроле развития и правильного созревания фоторецепторных клеток. Повышенная экспрессия белка CRX приводит к увеличению популяции палочек и уменьшению количества амакриновых интернейронов и других промежуточных клеток. В фоторецепторах с экспрессией негативной формы CRX не формируются нормальные наружные сегменты и терминалы. Предполагают, что CRX является специфичным для фоторецепторов фактором транскрипции и играет основную роль в дифференцировке фоторецепторных клеток.

Мутация гена — активатора гуанилатциклазы 1А (GUCA1А), локализующегося в локусе 6р21.1, была выявлена у 7 больных с аутосомно-доминантной формой колбочковой дистрофии, связанных единым генеалогическим древом. Мутация заключалась в появлении у индивидуумов с колбочковой дистрофией мис- сенс-кодона а 319-й паре нуклеотидов (А => G) во 2-м экзоне GUCA1A. Эта замена приводит к экспрессии цистеина вместо тирозина в белке (Y99C). Мутация гена Y99C вызывает дегенерацию преимущественно колбочек.

Мутация гена GUCA1A в локусе 6р21.1 оказывает выраженное влияние на структуру белка GCAP1, который относится к семейству Са²⁺-связывающих белков с EF-ветвями, так же как и кальмодулин, рековерин и кальций-неврин В. Различие в структуре этих белков сводится к принципиально разному строению EF3-ветви. У всех этих белков в положении 99 находятся ароматические аминокислоты, тирозин или фенилаланин, необходимые для формирования гидрофобного кармана. Незначительное изменение (замена тирозина на цистеин) приводит к разрыву гидрофобного кармана в EF3- ветви и как следствие к невозможности связывать Са²⁺ как минимум EF3-ветви. Это приводит к состоянию постоянной активности и функциональной несостоятельности белка GCAP1.

Делеции в гене GCAP1 вызывает повышение или понижение конпентрации цГМФ. Мутация гена Ret-GC1 обусловливает низкую концентрацию цГМФ, которая фенотипически проявляется слепотой от рождения (врожденный амавроз Лебера). Высокие концентрации цГМФ, обусловленные мутациями гена PDE3, приводят к гибели фото рецепторов у многих видов экспериментальных животных. Какой именно механизм лежит в основе изменения соотношения молекул белка G САРІ, неясно. GCAP1 — белок, имеющий большее значение для колбочек, чем для палочек, что подтверждается его более высокой экспрессией в колбочках.




Статья из книги: Зрительные функции и их коррекция у детей | С.Э. Аветисов, Т.П. Кащенко, А.М. Шамшинова.