Роман Смирнов
Дети солнца
История открытия и взгляд современной науки на механизмы мутации и причины развития синдрома Дауна

21 марта мир отмечает Международный день человека с синдромом Дауна. Дата была выбрана неслучайно, в ней зашифрована суть заболевания: синдром Дауна представляет собой геномную патологию, связанную с наличием трёх копий 21-й хромосомы вместо двух в норме.

Роман Смирнов постарался выяснить, в чем причина появления самой распространенной генетической мутации у человека.

Своё название синдром получил по имени Джона Дауна, врача, впервые описавшего черты, свойственные пациентам с таким заболеванием. На изучение этого синдрома его вдохновили размышления Джона Конолли, автора фундаментального труда «Лечение душевнобольных без механических мер стеснения», о связи формы и размера черепа с интеллектом и эмоциями человека. Для этого учёный разделил своих пациентов на пять групп, среди которых он выделил так называемую «монголоидную» группу. У пациентов этой группы наблюдались «плоское лицо», брахицефалия, антимонголоидный разрез глаз, эпикантус (складка кожи у внутреннего угла глаза) и плоский затылок. В 1866 году он публикует работу «Наблюдения по этнической классификации умственно отсталых людей», где описывает выявленные у «монголоидов» внешние признаки. Кроме того, Даун не останавливается на внешних проявлениях заболевания и изучает его патофизиологию. Он отмечает высокую частоту пороков сердца и патологий эндокринной системы. С точки зрения психиатрии Даун замечает, что у «монголоидов» сохранена способность к обучению, а регулярные упражнения на дикцию существенно улучшают их социализацию благодаря развитию речи. Уже тогда врач замечает врождённый характер патологии, но связывает его с туберкулёзом у родителей. Сам синдром получает название «монгольского идиотизма». Исследования врождённых патологий Дауном на этом не закончились. Он впервые описывает стигмы (характерные признаки) синдромов Прадера-Вилли и Бабинского-Фрёлиха. Полностью эти синдромы будут сформулированы во второй половине XX века.

В конце XIX века развитость теории расизма повлияла не только на связывание Дауном выявленного им синдрома с расой, но и на формирование в США евгенической программы, предполагавшей стерилизацию лиц с врождёнными уродствами и инвалидностью. Так, в 33 из 48 штатах Америки стерилизации подвергались лица с синдромом Дауна и приравненными к нему степенями инвалидности. Позже нацисты переняли евгеническую программу и изменили её под собственные нужды. Программа получила название «Акция Тиргартенштрассе-4», или коротко «программа Т-4». Судебные проблемы, научные достижения и протесты со стороны общества привели к отменам таких программ в течение десятилетия после окончания Второй Мировой Войны.

До середины XX века причины синдрома Дауна оставались неизвестными, но была установлена взаимосвязь между вероятностью рождения ребенка с этой болезнью и возрастом матери, равно как и отсутствие связи с расой. Существовала теория о том, что синдром вызван сочетанием генетических и наследственных факторов, или, например, травмами во время родов.

karyograma

Кариотип (набор хромосом) человека

Подтвердить или опровергнуть эти теории вызвался французский врач-педиатр (а по совместительству — генетик и специалист по ядерной безопасности) Жером Лежён. В начале своей карьеры он занимался генетикой под руководством профессора Реймона Тюрпена. В 1956 году Лежён поехал на конференцию в Копенгаген, где шведский учёный Альберт Леван представлял ана-телофазный метод анализа хромосомных аберраций на примере репчатого лука. Вдохновлённый докладом Левана, Лежён решил исследовать количество хромосом у своих пациентов с синдромом Дауна. Так началось сотрудничество Лежёна с доктором Мартой Готье, которая научила его технике культивации фибробластов (клеток соединительной ткани), перенятой ею у американских специалистов. Изучая культуру клеток, выращенную с фрагмента кожи, взятой у пациента с «монгольским идиотизмом», Жером обнаружил в клетках не 46, а 47 хромосом. Анализ кариотипа фибробластов показал наличие 21-й хромосомы в количестве трёх, при норме в две. Впоследствии сама геномная аномалия была названа «трисомией по 21-й хромосоме». Его открытие произвело переворот в научной среде и открыло новые горизонты для цитогенетики — науке о геноме клеток и влиянии его изменений на характеристики клеток и организма в целом.

Лежёном, помимо открытия геномной природы синдрома Дауна, был открыт синдром кошачьего крика, в основе которого лежит потеря короткого плеча 5-й хромосомы. Позже синдром получил имя Жерома Лежёна. В 1961 году журнал Lancet опубликовал обращение восемнадцати генетиков, требуя переименовать синдром «монголизма» по причине отсутствия связи с этнической принадлежностью, и в 1965 году ВОЗ официально присвоило заболеванию имя Джона Дауна.

Причина возникновения болезни таким образом была установлена — 47 хромосом вместо 46. Но как в организме человека, в котором все, а особенно процесс размножения, находится под неусыпным контролем многочисленных систем, клетка незаметно умудряется кардинально изменить свой геном?

При делении клетки каждая дочерняя должна получить тот же набор хромосом и генов, что и материнская. Исключение составляют половые клетки, каждая из которых на определенном этапе своего деления превращается в “ополовиненную” — с хромосомами, не имеющими пар, для того, чтобы при слиянии таких клеток образовать полноценную. Такой тип деления называется мейозом.

Анализ половых клеток показал, что почти 90 % всех трисомий происходит из-за яйцеклеток. Ответ на вопрос, почему возникает синдром Дауна, кроется именно в процессе созревания яйцеклеток.

У человека он отличается этапностью. Ооцит во время внутриутробного периода входит в первое деление мейоза вплоть до этапа кроссинговера. В это время между гомологичными, парными хромосомами происходит обмен участками, что является основой биологического разнообразия: благодаря кроссинговеру каждая половая клетка несет уникальный набор генов, и дети одной супружеской пары не похожи друг на друга как две капли воды (если они не близнецы, конечно). Сам кроссинговер выглядит как очень тесное переплетение двух хромосом. На этом моменте процесс деления останавливается и замораживается до возраста полового созревания. Все время примерно до 13 — 14 лет в яйцеклетке две хромосомы находятся в переплетенном состоянии. Когда это время проходит, яйцеклетки заканчивают процесс деления, а затем, в случае оплодотворения, и второй этап мейоза.

Ситуации, когда в результате в одну из яйцеклеток попадает две хромосомы одной пары, а в другую ни одной, на самом деле не редкость. Это случается со всеми хромосомами, и около 10% всех беременностей случается как раз с такими яйцеклетками. Трисомии по любой паре неполовых хромосом приводят к произвольному прерыванию беременности — по разным данным, около 50% прерываний случаются из-за этого сбоя в яйцеклетке. Трисомия же по 21-й паре хромосом по неизвестной причине не приводит к прерыванию.

***

Современная медицина находит все больше доказательств того, что система, отвечающая за контроль созревания ооцитов, на самом деле далека от совершенства. Самое главное — она подвержена возрастным нарушениям.

22

Схема кроссинговера

Успешное деление клетки зависит от физического соединения между хромосомами в момент кроссинговера, и правильного разрыва этого соединения тогда, когда хромосомы должны расходится в разные клетки. Белок, удерживающий хромосомы, называется когезин. Он синтезируется в ооците во время внутриутробного созревания, и после этого его запасы в клетке не восполняются. Таким образом, для клетки жизненно важным является сохранить когезин для обеспечения нормального расхождения хромосом во время деления.

Из-за критической роли процесса расхождения хромосом во время деления, у клетки существует специальный механизм контроля за правильностью его исполнения. Условно его можно назвать механизмом пропускных точек веретена деления (чекпойнт-система).

Веретено деления — еще один элемент клетки, формирующийся только во время ее деления. По своей сути это микротрубочки, которые, прикрепляясь к местам соединения хромосом, обеспечивают сначала правильное расположение хромосомных пар, а затем их расхождение к разным полюсам клеток.

Для того, чтобы все прошло нормально, все нити веретена деления должны прикрепиться ко всем парам хромосом. Если по какой-то причине этого не происходит, чекпойнт-система не пропускает клетку дальше в процессе деления.

Но при синдроме Дауна система не срабатывает.

down-syndrome

Чтобы понять причины этого сбоя, ученые обратились к мышам. Одна группа животных в результате мутаций не образовывала кроссинговерных пар хромосом в мейозе. Все клетки таких мышей останавливались и не проходили мейотического деления, не образовывали зрелых яйцеклеток, и, следовательно, не давали потомства.

Другая группа мышей была специально модифицирована: ее когезин был дефектным. Несмотря на ожидаемую адекватную реакцию чекпоинт-системы, ооциты этих мышей лишь немного “задумывались”, а затем продолжали деление. Дефект в строении когезина заключался в отсутствии ключевого участка белка REC8.

Таким образом, наличие повреждений когезина приводит к нарушению не только механизма удержания хромосом (а их надо удерживать в течении 13 — 14 лет), но и к сбою собственной системы контроля за дефектами в процессе деления. Возникает возможность выхода из деления клеток с анеуплоидным (отличным от стандартного на число хромосом, не кратное гаплоидному набору) кариотипом, и, как следствие, развития синдрома Дауна при трисомии 21 пары после оплодотворения. Чем старше возраст яйцеклетки, т.е. матери, тем больше риск появления в ней анеуплоидии, а следовательно, и синдрома Дауна у ребенка.

***

Классическая картина болезни была описана еще самим Дауном в XIX веке, при этом она может достаточно сильно различаться у разных пациентов. Как и цвет глаз или строение мышц, типичная внешность пациента определяется его специфическим набором генов.

21 хромосома содержит примерно 310 генов, которые называются дозозависимыми, т.е. их активность напрямую зависит от количества самих генов в хромосомном наборе клетки. Поиском этих генов и их локализации в хромосоме занимались генетики всего мира.

Изначально предполагалось, что в хромосоме существует некий участок, получивший название критичного, в котором и содержатся эти гены. Это предположение основывалось на наблюдениях за больными с т.н. частичной трисомией 21 хромосомы, у которых в некоторых случаях развивалась внешность дауна, несмотря на отсутствие полной трисомии. В дальнейшем от такой теории отказались — выяснилось, что таких критичных участков в хромосоме слишком много.

Первое, что приходит на ум при упоминании болезни — это ухудшение умственных способностей, снижение памяти и интеллекта. Это является главным, с чем синдром Дауна ассоциируется у обывателя.

Интеллектуальные нарушения у даунов связаны с избыточной тормозящей активностью нейронов в головном мозге. За это ответственны отдельные дозозависимые гены в 21 хромосоме и кодируемые ими белки. Например, белок DYRK1A, активный в клетках нервной системы, способен останавливать клеточную пролиферацию, что приводит к слишком ранней дифференциации нейронов. Еще один белок, носящий название молекулы клеточной адгезии синдрома Дауна, нарушает процесс образования межнейронных связей при помощи дендритов (коротких отростков нервных клеток).

Кроме врожденных нарушений в нервной системе, у даунов гораздо раньше развивается болезнь Альцгеймера (про нее мы подробно писали в другой нашей статье). Дело в том, что белок-предшественник бета-амилоида, основного вещества, из которого формируются бляшки в головном мозге при болезни Альцгеймера, кодируется геном, расположенным как раз в 21 хромосоме. Являясь дозозависимым, этот ген увеличивает количество производимого предшественника бета-амилоида в полтора раза. Кроме того, уже упомянутый высокоактивный белок DYRK1A фосфорилирует этот предшественник, превращая его в зрелый бета-амилоид.

Изменения в центральной нервной системе приводят и к нарушениям в мышечной. В результате дегенеративных процессов в мозжечке, отвечающим в норме за координацию движений, у человека нарушаются простые стереотипные движения. Даже обычная ходьба вызывает у даунов затруднения — стереотип ходьбы у них не воспроизводится. Кроме этого, генетическая мутация приводит к нарушению транспорта активных молекул в нейромышечном синапсе, что снижает скорость сокращения мышц в ответ на нервное раздражение. Основным белком, ответственным за эти нарушения, также считается белок-предшественник бета-амилоида.

Однако основной причиной смертности при синдроме Дауна являются все-таки врожденные патологии сердечно-сосудистой системы. Дефект межжелудочковой перегородки в сердце — самый частый, при этом у даунов эта патология встречается в 1000 (!) раз чаще, чем у здоровых людей.

Причина этому — ген COL6A1, расположенный в 21 хромосоме, и кодирующий альфа цепь коллагена, из которого в основном и состоит межжелудочковая перегородка в период внутриутробного развития.

Другая частая патология — лейкемия. По сравнению с обычной популяцией, ее частота выше в 18 раз, а один из типов — острая мегакариобластическая анемия встречается чаще в 500 раз. Основная генетическая патология, приводящая к опухолям системы крови — это мутация гена GATA1, который вообще-то расположен в X — половой хромосоме, с которой у даунов все в порядке. Предположительно, частые поражения клеток крови связаны с другими генами из 21 хромосомы, в целом регулирующими процессы созревания и деления клеток крови. Мутации в GATA 1 у даунов также встречаются.

Несмотря на длинный список нарушений в разных системах и органах, трисомия по 21 паре хромосом неожиданно играет и некоторую положительную роль. Дело в том, что в 21 хромосоме находится большое количество противоопухолевых генов, из-за чего люди с синдромом Дауна, и, следовательно, с тройным набором противоопухолевых белков имеют более низкую заболеваемость различной онкологической патологией в отличии от всей остальной популяции. Другим фактором, ограждающим людей с этим синдромом от опухолей, является сниженная способность к ангиогенезу, т.е. формированию новых сосудов, необходимых для нормальной жизнедеятельности опухоли. В эксперименте на мышах, даже развившиеся опухоли, пересаженные мутантам, росли сильно медленнее, чем у обычных мышей.

Наконец, что именно определяет характерный внешний вид людей с трисомией 21 пары, до сих пор не выяснено. Генетические исследования продолжаются, в будущем они помогут не только точно понимать механизмы развития симптоматики, но и точки приложения генетической терапии.

***

На данный момент благодаря своевременной диагностике и раннему лечению основных нарушений, могущих привести к смертельному исходу, продолжительность жизни у таких пациентов резко увеличивается. Специальные программы подготовки позволяют им получать такое же образование, как и другим людям. С развитием генетической медицины возможно, что когда-нибудь мы забудем про это заболевание.


Если вы нашли опечатку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter


Понравилась статья? Подпишитесь!

Рак возвращается

История женщины, которой трижды в жизни пришлось выдержать сражения с онкологическими заболеваниями

Когда две головы — плохо

Механизмы формирования сиамских близнецов особенности функционирования организмов этих людей