Widok Mutacje dynamiczne.

K

osmos

PROBLEMY NAUK BIOLOGICZNYCH

Ce l in a Ja n io n

Instytut Biochemii i Biofizyki PAN u l Pawińskiego 5A, 02-106 Warszawa

MUTACJE DYNAMICZNE Mutacje dynamiczne stanowią nowy typ

mutacji genetycznych wykrywanych w popula­ cjach ludzkich i coraz więcej schorzeń jest utoż­ samianych z tym typem mutacji. Wczesna defi­ nicja mutacji jako nagłe pojawienie się odmien­ nej cechy, która dziedziczy się zgodnie z prawa­ mi Mendla, nie dotyczy mutacji dynamicznych. Zmiany powodujące mutacje dynamiczne nara­ stają w ciągu kilku pokoleń, objawy kliczne i zapis w pełni zmutowanego genu mogą być przekazywane tylko przez jedno z rodziców, spo­ sób dziedziczenia nie podlega prawom Mendla. W chromosomalnym DNA organizmów ludz­ kich występują sekwencje złożone z 1-go do 6-ciu a czasami więcej nukleotydów, o różnej liczbie powtarzających się kopii. Mutacje dyna­

miczne powstają wskutek powielania się w ge­ nowym DNA, w czasie życia kilku pokoleń, po­ wtarzających się ciągów trzech nukleotydów o sekwencjach CGG/CCG lub CAG/CTG.

Liczba powtórzeń wzrasta do pewnej warto­ ści bez wywołania konsekwencji biologicznych, natomiast po jej przekroczeniu, w czasie jednej generacji, może nastąpić gwałtowny wzrost licz­ by kopii i częstości przekazywania potomstwu cech genetycznych danego schorzenia. Taki sposób dziedziczenia nazywa się paradoksem Sherman, a zwiększanie się częstości przekazy­ wania schorzenia i zaostrzanie się objawów kli­ nicznych w następnych pokoleniach — antycy­ pacją (Fu i współaut. 1991, Su t h e r l a n d i Ri­ c h a r d s 1995).

M UTACJE ZW IĄZAN E Z AM PLIFIK AC JĄ SEKW ENCJI CGG/CCG W M IEJSCACH GENU KOPIOW ANEGO NA NIE U LEGĄJACY TRAN SLACJI REJON 5 ’-m RNA

S Y N D R O M K R U C H E G O C H R O M O S O M U X

Pierwszy przypadek mutacji dynamicznej został wykryty w roku 1991 w wyniku zsekwen- cjonowania fragmentu DNA, z którym łączono występowanie zespołu kruchego chromosomu X, FRAXA (fragile X syndrome (Ob e r l e i współ­ aut. 1991, Yu i współaut. 1991).

Obecność zespołu kruchego chromosomu można uwidocznić przez izolację chromosomów metafazowych z komórek limfocytów hodowa­ nych w określonym podłożu (np. przy braku folianów lub w podłożu ubogim w prekursory DNA dezoksycytydynę i tymidynę), co indukuje to zjawisko (Su t h e r l a n d 1977). W przypadku wystąpienia syndromu FRAXA jest widoczne w mikroskopie charakterystyczne oderwanie grudki chromatyny pozostającej w kontakcie z chromosomem, a w innych przypadkach zani­

kanie wybarwiania się chromosomów w miejscu ulegającym kruszeniu.

Już wcześniej stwierdzono, że syndromowi FRAXA (mutację zlokalizowano na długim ra­ mieniu q chromosomu X w loci Xq27.22-23) towarzyszy jedna z form upośledzenia umysło­ wego. Sekwencjonowanie DNA w rejonie FRAXA pozwoliło na zmapowanie w miejscu Xq27.3 genu FMR-1 (od fragile X mental retardation) bogatego w sekwencje CGG, który był genetycz­ nie niestały. Niestałość genetyczna dotyczyła różnic w liczbie powtórzeń trójnukleotydu CGG. Różne liczby kopii CGG obserwowano nie tylko między allelami genów u różnych osobników, ale i w obrębie tkanek tego samego organizmu. Następnie stwierdzono, że zjawisko kruszenia się chromosomu X, któremu towarzyszy feno­ typ upośledzenia umysłowego, jest wynikiem mutacji dynamicznej, powielania sekwencji CGG w genie FMR-1 oraz metylacji reszt C do

5-metylo-C w sekwencjach CG, co w konse­ kwencji powoduje supresje ekspresji tego genu (Su t h e r l a n d i Ri c h a r d s 1995, Ba t e s i Le h r a h 1994).

Odcinek DNA stanowiący gen jest zawsze dłuższy od jego części ulegającej transkrybcji (przepisaniu na mRNA), a z kolei transkrybowa- ny mRNA jest dłuższy od jego części ulegającej translacji (przepisaniu na sekwencję danego białka). Translacji nie ulegają rejony nukleoty- dów znajdujące się od końca 5’ i 3’ mRNA oraz introny znajdujące się wewnątrz pierwotnego transkiyptu mRNA. Ciąg powtarzających się sekwencji CGG w genie FMR-1, których ekspan­ sja powoduje objawy kliniczne, występuje w pobliżu miejsca promotorowego w nie ulegają­ cym translacji odcinku przylegającym do końca 5’ mRNA (ryc. 1). W genach FMR1 u ludzi zdro­ wych, ciąg nukleotydów CGG występuje w

po-Białko kodowane przez gen FMR1 ma wła­ ściwości wiązania się z RNA (Si o m i i współaut. 1993). Gen FMR1 szczególnie silnie ulega eks­ presji w komórkach neuronów mózgu, jąder, macicy i w innych zdrowych tkankach z nor­ malnym lub niosącym premutacje allelem ge­ nu. Białko FMR1 nie występuje u osobników chorych. W badaniach immunochemicznych białko FMR1 wykazuje lokalizację cytopla- zmatyczną (Ba t e s i Le h r a c h 1994, De v y s i współaut. 1993). Funkcja tego białka nie jest znana.

Rejon sekwencji powtarzających się CGG występuje w pobliżu miejsca promotorowego genu FMR1, bogatego w sekwencje GC. Sekwen­ cje bogate w nukleotydy GC występują w pobli­ żu miejsc promotorowych większości genów lu­ dzkich i tworzą tak zwane wysepki CpG, w których reszty C rzadko są metylowane do reszt

wtórzeniach od 6 do 50-krotnych. Niestałość genetyczną, która prowadzi do dalszej ekspan­ sji kopii CGG, obserwuje się już przy 19-tu powtórzeniach, natomiast u chorych liczba po­ wtórzeń osiąga liczbę od 200 do 2000 (Ku n s t i

Wa r r e n 1994, Su t h e r l a n d i Ri c h a r d s 1994). Ciągi GGC w pozycji około (CGG)io i (CGG)20 zawierają zwykle dwie pojedyncze kopie AGG w normalnych genach FMR1 a jedną lub wcale w genach zmutowanych, co sugeruje, że AGG wpływa na utrzymywanie stałej liczby kopii CGG (Ei c h l e r i współaut. 1995). Obraz klini­ czny mimo wzrostu liczby kopii CGG może nie ujawniać się przez kilka generacji i nagle w ciągu jednej generacji następuje silna ekspan­ sja ciągów powtarzających się i zanik ekspresji genu, którego objawem fenotypowym jest upo­ śledzenie w rozwoju umysłowym.

Przekazywanie objawów klinicznych odby­ wa się wyłącznie poprzez organizm matki. Oj­ ciec może być przenosicielem choroby, może przekazywać spowielone ponad 230-krotnie, sekwencje GGC, ale ani on sam ani jego córki nie wykazują objawów klinicznych (Ku n s t i

Wa r r e n 1994).

Ryc. 1. H ipotetyczny gen i jeg o pierw otny pro­ dukt transkrypcji — prekursorow y mRNA. Pierwotny transkrypt zawiera: a — 5’ i 3’ rejony mRNA nie ulegające translacji; b — eksony i c — introny. Przed wytworzeniem funkcjonalnego mRNA introny ulegają wycięciu, eksony połączeniu a końcowe rejo­ ny mRNA modyfikacji.

5-meC. Wyjątkiem (choć nie jedynym) jest silna metylacja wysepek CpG w genach występują­ cych na jednym z dwóch chromosomów X. Me­ tylacja CpG powoduje inaktywacje genów. We wszystkich tkankach somatycznych ssaków płci żeńskiej jeden z dwóch chromosomów X ulega inaktywacji. Tak więc liczba informacji genetycznej zdolnej do ekspresji w chromoso­ mach X, w somatycznych tkankach matki (X,inX) i tkankach ojca (XY) jest jednakowa (Cr a ig i Bi c k m o r e 1994). Okazało się, że pełne­ mu rozwojowi mutacji dynamicznych w genie

FMR1, z którymi jest związane opóźnienie umy­

słowe i syndrom kruchego chrornosmu X, towa­ rzyszy metylacja C w wysepkach CpG (i w cią­ gach GGC) i zanik ekspresji genu FMR1 (Ob e r l e i współaut. 1991, Ku n s t i Wa r r e n 1994).

Mutacje w rejonie FRAXA występują u męż­ czyzn z częstością 1/1500 urodzeń, u kobiet

1 /2500 i stanowią drugą pod względem często­ ści (po zespole Downa) przyczynę upośledzeń w rozwoju umysłowym występujących w popula­ cjach ludzkich (Ob e r l e i współaut. 1991).

W rejonie q27-28 chromosomu X są znane jeszcze 2 geny, w których mutacje dynamiczne sekwencji GCC (ich dokładna pozycja w genach

nie jest jeszcze znana) powodują obraz kruche­ go zespołu chromosomu X. Są to geny (w nawia­ sie podana jest liczba kopii GCC przy mutacjach dynamicznych): FRAXE (200-1000) umiejsco­ wiony około 600 par zasad poza locus FRAXA i

FRAXF (300-500), występujący w locus Xq28

(Pa r r i s h i współaut. 1994). Tylko mutacjom dynamicznym w genie FRAXE towarzyszy, obok zespołu kruchego chromosomu, występowanie

opóźnienia w rozwoju umysłowym; przebieg kli­ niczny opóźnienia jest znacznie łagodniejszy niż w przypadku FRAXA. Mutacja dynamiczna FRAXF, poza zjawiskiem kruszenia się chromo­ somu, efektu fenotypowego nie wywołuje.

W genach FRAXE u osobników zdrowych występuje 6-25 kopii GCC, do 200 kopii stano­ wi stan premutacyjny, a pełna mutacja zacho­ dzi powyżej 200 powtórzeń.

M IEJSC A KRUCHE W CHROM OSOM ACH SOM ATYCZNYCH (AUTOSOM ACH)

Miejsca kruche w chromosomach występują na skutek mutacji w różnych genach i chromo­ somach (obecnie znanych jest ponad 100 takich miejsc) i nie są one powiązane ani z chromoso­ mem X, ani z objawami klinicznymi. W przypad­ ku chromosomu 16 został zsekwencjonowany fragment DNA w rejonie FRA16A. Stwierdzono, że i w tym przypadku syndrom kruchego chro­ mosomu był wywołany przez zwielokrotnienie liczby kopii CCG. Podobnie jak w genie FMR-1 ciągi CCG były zlokalizowane w pobliżu miejsc

bogatych w sekwencje CG i sekwencje te były zmetylowane, gdy występował zespół kruchego chromosomu (Na n c a r r o w i współaut. 1994). W allelach genów FRA16A nie wykazujących efe­ ktu kruszenia występowało 20 kopii CCG; w chromosomach — w których indukowane jest kruszenie się chromosomu — 1000-2000 kopii. Mutacji dynamicznej FRA16A, poza kruszeniem się chromosomu wywołanym in vitro, nie towa­ rzyszą żadne zmiany fenotypowe.

M UTACJE ZW IĄZANE Z AM PLIFIK AC JĄ SEKW ENCJI CTG W CZĘŚCI GENU KOPIOW ANEGO NA NIE U LEG AJĄCY TRANSLACJI REJON 3 ’-m RNA

Dotychczas jest znany tylko jeden taki przy­ padek i dotyczy genu dystrofii miotonicznej. Dystrofia miotoniczna występuje z częstością 1/8000 urodzin, kliniczny obraz jest dość zróżnicowany. Dotyczy głównie chorób mięśnio­ wych, przykurczu mięśni, progresywnego osła­ bienia mięśni, może być też połączona z arytmią serca, nienormalną odpowiedzią na glukozę, kataraktą, a u mężczyzn powodować przed­ wczesne łysienie i atrofię jąder (Ba t e s i Le h r a c h

1994). Gen MD zlokalizowano na chromosomie 19, w loci 19ql3. 3 (Ma h a d e v a n i współaut. 1992). Mutacja jest spowodowana powieleniem w genie ciągów CTG znajdujących się w nie

ulegającym translacji rejonie 3’-mRNA. Nor­ malne allele genu mają 5-35 powtórzeń, niesta­ łe powyżej 35, a allele osobników choiych 100- 2000 (Br o o k i współaut. 1992). Białko kodowa­ ne przez ten gen ma właściwości kinazy białko­ wej zależnej od cAMP. Mutacja powoduje zmniejszanie się ilości transkrybowanego mRNA (Fu i współaut. 1992, 1993). Syndrom kliniczny może przybierać różne formy pod względem ostrości schorzenia. Im wiek osoby z ujawniającą się chorobą jest wcześniejszy, tym atak choroby ostrzejszy. Schorzenie jest auto- somalne, dominujące i przekazywane przez or­ ganizm matki.

M U TACJE D YN AM IC ZNE W REJONACH GENÓW PRZEPISYW ANYCH NA CIĄGI POLIGLUTAM INY W KODOW ANYCH BIAŁKACH

Poważną grupę schorzeń, których przyczy­ ną są mutacje dynamiczne, stanowią schorze­ nia neurodegeneracyjne i neurologiczne, powo­ dujące zanik mięśni, niedorozwój ruchowo-mo- toryczny a także opóźnienia w rozwoju umysło­ wym i inne objawy kliniczne. Należą do nich: choroba Huntingtona, rdzeniowo-opuszkowy zanik mięśni (spinal and bulbar muscular atrophy, SBMA) zwany też chorobą Kenneaiego, ataksja rdzeniowo-móżdżkowa typ 1 (SCA1), dentatorubral-pallidoluisian atrofia (DRPLA) jej

odmiana Haw River Syndrom oraz choroba Ma- chado-Joseph. Wspólną cechą obejmującą tę grupę mutacji jest to, że są one spowodowane powielaniem sekwencji CAG w części genu ule­ gającej translacji w rejonie 5’-mRNA. Ponieważ CAG koduje glutaminę, w kodowanym białku pojawiają się ciągi glutaminy. Schorzenia te ujawniają się w różnym okresie życia. Istnieje ścisła zależność między liczbą powielanych ko­ pii CAG a wiekiem osoby, w którym się schorze­ nie ujawnia a ostrością jego przebiegu. Z

wyjąt-kiem choroby Kennediego, która jest związana autosomalnych i są cechami dominującymi, z chromosomem X i jest cechą recesywną, po- Wszystkie przekazywane są przez organizm oj- zostałe mutacje znajdują się na chromosomach ca.

CH OROBA H U NTING TO NA

Choroba ta jest znana też jako pląsawica Huntingtona. Gen, którego dynamiczne muta­ cje są przyczyną choroby Huntingtona jest zlo­ kalizowany na krótkim ramieniu chromosomu 4 w miejscu pl6. 3. Na podstawie trzech publi­ kacji, które obejmują łącznie analizę 905 genów ludzi zdrowych i 1225 chorych można stwier­ dzić, że w normalnych allelach sekwencja CAG występuje w liczbie 9-34 powtórzeń; w stanie promutacyjnym 30-38, i 37-121 w genach cho­ rych (Du y a oi współaut. 1993, Sn e l li współaut. 1993, An d r e w i wspłaut. 1993). Ekspansja cią­ gów CAG jest połączona z zawansowanym wie­ kiem ojca (Go l d b e r g i współaut. 1993).

Choroba Hungtingtona powoduje zaburze­ nia neurodegeratywne, pląsawicę, demencję i rozpad osobowości. W początkowym okresie po­ jawia się ona pod postacią zwykle drobnych, nie

kontrolowanych ruchów, które stopniowo i nie­ ubłagalnie rozwijają się w postać pląsawicy, zwaną też pod nazwą tańca świętego Wita. Cho­ roba ujawnia się w wieku średnim, choć zdarza­ ły się przypadki ujawnienia jej w wieku powyżej

lat 70-ciu, jak i w wieku lat 10-ciu. Przy liczbie kopii (CAG)47 rozwój choroby u ojca nastąpił w wieku lat trzydziestu, u syna liczba kopii wzros­ ła do (CAG)7i, a rozwój choroby nastąpił w wieku lat dziesięciu (Ru b in s t e in i współaut.

1994). Jest to zgodne z zaobserwowaną zależ­ nością; im rozmiar mutacji dynamicznych jest większy, tym wcześniej obserwuje się początek choroby.

Rola białka HD nie jest znana, jest ono jednak niezbędne do utrzymania funkcji ko­ mórkowych (house keeping gene). Białko zmu­ towane ulega ekspresji w mózgu, zwłaszcza w neuronach, występuje też i w innych tkankach

(St r o n g i współaut. 1993).

Występowanie choroby Huntingtona ma charakter etniczny. Częściej pojawia się we wschodniej Anglii (1 przypadek/10 000), niż w Japonii (1 przypadek/1 000 000) (Ru b in s t e in i współaut. 1994). Przypuszcza się, że białko HD jest czynnikiem transkiypcyjnym i bierze udział w regulacji ekpresji genów (Su z u k i 1994).

CH OROBA KENNEDIEGO (SBMA)

Schorzenie to powoduje rdzeniowo-opusz­ kowy zanik mięśni, jego występowanie jest związane z mutacją dynamiczną zwiększającą liczbę kopii CAG w pierwszym eksonie genu AR, umiejscowionym na chrosomie X w locusXql2- -21 (La Sp a d ai współaut. 1991). Gen AR koduje białko receptorowe męskiego hormonu andro- genu, wynikiem mutacji jest występowanie zmienionego białka. Receptory androgenu są rozmieszczone w rdzeniu pacierzowym i w opu­ szkach neuronów motorycznych. Zwiększenie liczby kopii reszt glutaminy w białku AR prowa­ dzi do zmian funkcji regulacyjnych

transkiybo-wanego białka, braku stymulacji neuronow mo­ torycznych przez androgen i do degeneracji ko­ mórek (Mh a t r e i współaut. 1993).

Choroba Kenediego powoduje drżenie i skurcze mięśni, po czym następuje słabnięcie i zanik mięśni, a także nadmierny rozwój piersi i zaburzenia spermatogenezy. Mutacja występu­ je z częstością około 1 przypadek /50 000 męż­ czyzn. Liczba powtórzeń CAG w genie AR wy­ nosi 11-35 u osób zdrowych, a pełna mutacja rozwija się przy 40-62 powtórzeniach (Su t h e r­

l a n d i Ric h a r d s 1993). Im ciąg CAG jest dłuż­ szy, tym wcześniej następuje rozwój schorzenia.

A TA K S JA RDZENIOW O-M ÓŻDŻKOW A — TYP 1

Powoduje neurodegenerację móżdżku, stru­ ny rdzeniowej i komórek mózgowych. Białko kodowane przez SCA1 nie jest znane, wiadomo jednak że mRNA jest w tkankach transkrybo- wane (Or ri współaut. 1993). Miejsce lokalizacji genu SCA1 6p22-23 znajduje się na długim ramieniu chromosomu 6.

Choroba ujawnia się w wieku od 4-70 lat, progresja trwa 10-20 lat. SCA typ 1 wykazuje najbardziej widoczne powiązania między liczbą kopii CAG a wiekiem rozwoju choroby. W nor­ malnych genach SCA1 (zdrowi osobnicy) wystę­ puje 19-36 ciągów CAG, powyżej 35 występuje niestałość alleliczna, a 43-81 kopii obserwowa­

no u osobników chorych (C h u n g i współaut. 1993). Schorzenie występuje rzadko. W ciągach CAG w genach SCA1 u ludzi zdrowych wystę­ puje przerwa monotonii. Pozycje 13-tąi 15-tąw kolejnej sekwencji CAG zastępuje CAT (O rr i współaut. 1993, C h u n g i współaut. 1993).

Zlokalizowano jeszcze cztery typy SCA, oz­ naczone kolejnymi cyframi od SCA2 do SCA5

(S u t h e r la n d i R ic h a r d s 1995). Kliniczne roz­

różnienie między tymi typami nie jest klarowne. Geny zmutowane występują na różnych chro­ mosomach, nie o wszystkich wiadomo, jaki typ mutacji powoduje ataksję rdzeniowo-móżdżko- wą. Być może SCA2 i SCA3 mapujące się odpo­ wiednio w loci 12q23-24 oraz 14q24. 3-32. 1, powstają na skutek mutacji dynamicznych, a schorzenia te są też znane pod inną nazwą.

PAD AC ZKA M IO KLO NALNA Z PLĄSAW ICĄ A TE TO TYC ZN Ą (DRPLA)

Ten typ padaczki jest spotykany głównie w rodzinach japońskich. Schorzenie powoduje degenerację neuronów w systemie centralnego układu nerwowego, epilepsje i demencję. Klini­ czny obraz jest często trudny do rozróżnienia od choroby Huntingtona. Gen odpowiedzialny za to schorzenie został zlokalizowany na krótkim ramieniu chromosomu 12, w miejscu 12p. Pro­ dukt i funkcja genu nie jest znana. Wiadomo jest, że gen ulega ekspresji w mózgu. Przypusz­

cza się, że powtórzenia CAG znajdują się w części genu ulegającym translacji, w rejonie 5’-mRNA. W genie normalnych występuje 7-25 kopii CAG, u pacjentów 49-75. Niższy wiek ujawnienia choroby i ostrość przebiegu są ściśle skorelowane z liczbą kopii CAG. Najmniejszą liczbę kopii (CAG) 54 stwierdzono u pewnej ja ­ ponki. Choroba ujawniła się w wieku 57 lat jako nieznaczne upośledzenie chodu i była najłagod­ niejszym przejawem mutacji dynamicznej (Na-

g a fu c h i i współaut. 1994, K o id e i współaut. 1994).

W Stanach Zjednoczonych, w rodzinie ame- rykańsko-afrykańskiej zamieszkałej w Haw Ri­ ver wykryto amerykańską odmianę DRPL, Haw River Syndrom (MIM 140340). Miejsce występo­ wania genu znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 12, loci 12p-pl2. Objawy klinicz­ ne choroby są podobne, ale nie identyczne do ataksji DRPLA (MIM 125370) występujących w rodzinach j apońskich (B u r k ę i współaut. 1994). Syndrom Haw River został przebadany w obrę­ bie jednej rodziny, w pięciu generacjach w 22 osobowej grupie pacjentów. Stwierdzono, że ciąg CAG w genach normalnych występuje w liczbie 3-13 kopii, w genach pacjentów — 63-68 kopii.

Podobne objawy do DRPLA wykryto w rodzi­ nie francuskiej. Przebadano 6 generacji. Allel zmienionych genów zmapowano jednak na chromosomie 14, w loci 14q24. 3-32. 1, w miejscu występowania genu powodującego cho­ robę Machado-Joseph i SCA3 ( C a n c e l i współ­ aut. 1994).

CH OROBA M ACHADO-JOSEPH

Schorzenie zostało wykryte pierwszy raz w w rodzinie portugalskiej zamieszkałej na Azo­ rach, obecnie jest uważane za występujące po­ wszechnie. Zmapowane zostało na chromoso­ mie 14, w loci 14q24.3-32. 1 (K a w a g u c h i i współaut. 1994); w tym samym loci zmapowano gen SCA3. Powoduje ono zaburzenia neuro- degeneracyjne, móżdżkowo-rdzeniowe, zanik móżdżka, porażenie nerwów obwodowych, pa­

raliż mięśni ocznych. W normalnym genie se­ kwencje CAG występują w liczbie od 13-41 powtórzeń, u chorych od 62-80. Stwierdzono, że istnieje znaczna odwrotna korelacja między wiekem osoby z ujawnioną chorobą a długością powtórzeń CAG (G iu n ti i współaut. 1995). Przy­ puszcza się, że sekwencje CAG ulegają transla­ cji na ciągi glutaminy w kodowanym białku. Rola białka nie jest znana.

M ECHANIZM POW STAW ANIA M UTACJI D YN AM ICZNYCH

Mechanizm powstawania mutacji dynami­ cznych nie jest dostatecznie poznany. Można przypuszczać, że powielanie sekwencji powta­ rzających następuje w czasie replikacji poprzez poślizgnięcie się nici aktualnie replikowanej i ponowną replikację nici matrycowej ( S t r i s i n g e r

i współaut. 1966, K u n k e l 1990). Dlaczego taki

błąd nie uległ naprawie i dlaczego przy pewnej liczbie kopii trójek nukleotydowych następuje znaczne przyspieszenie w amplifikacji spowie- lanego odcinka nie jest do końca wyjaśnione. Istnieje przypuszczenie, że pewną rolę może mieć powstawanie nukleosomowej struktury DNA. Nukleosom bowiem łatwo wytwarza się,

gdy powtórzenia osiągają 250 nukleotydów (Wang i współaut. 1994). Tworzenie nukleoso- mów może być jednak skutkiem, ale nie przy­ czyną pojawienia się dużej liczby kopii powta­ rzających się odcinków. Przypuszcza się, że roz­ przestrzenianie się sekwencji powtarzających może być wynikiem wewnętrznej właściwości sekwencji bogatych w G (w tym sekwencji CGG i CAG), łatwości do tworzenia szpilkowej stru­ ktury tetrahelikalnej i hamowania syntezy DNA (Fr y i Lo e b 1994, Ga c y i współaut. 1995, Us d i n i Wo o d f o r d 1995, Sm i t h i współaut. 1995). Takie struktury mogłyby ułatwiać powtórną re- plikację już raz zreplikowanej nici DNA.

Nie wiadomo też dlaczego w przekazywaniu niektórych mutacji dynamicznych (syndromu FRAXA, dystrofia miotoniczna) udział ma wyłą­ cznie matka a ojciec jest tylko nosicielem, pod­ czas gdy w innych przypadkach sytuacja jest odwrotna. W przypadku syndromu kruchego chromosomu genu FMR1 przyczyny można by­ łoby upatrywać w tym, że inaktywacja chromo­

somu X zachodzi tylko w tkankach somatycz­ nych u kobiet, a nie w tkankach somatycznych mężczyzn. Nie ma jednak żadnych przesłanek dla wytłumaczenia, dlaczego niektóre schorze­ nia są przekazywane przez ojca. Brak jest rów­ nież danych, czy w rodzinach dotkniętych mu­ tacjami dynamicznymi są uszkodzone funkcje naprawy przeciwdziałające mutacjom dynami­ cznym. Takie funkcje mógłby spełniać system naprawy niedopasowanych zasad, który może też usuwać niesparowane trójnukleotydowe pętle, jakie mogą się znajdować wskutek błędu powtórnego kopiowania poza dwuniciową, re­ plikowaną strukturą DNA (Um a r i współaut.

1994).

Lista schorzeń uwarunkowanych mutacja­ mi dynamicznymi z pewnością nie jest pełna (Ji a n g i współaut. 1995). Przypuszcza się, że mutacje dynamiczne mogą być przyczyną ta­ kich chorób psychicznych, jak schizofrenia i psychozy maniakalne (O ’Do n o v a n i współaut.

1995). DYNAM IC M UTATIONS S u m m a r y LITERATU RA An d r e w S . E., Go l b e r gY. P., Kr e m e r B., Te l e n iu s H ., Th e il- m a n nJ., Ad a m S ., St e r rE., S g u m E R i F., LinB., Ka l c h m a n M. A., Gr a h a m R. K . ,Ha y d e n M. R., 1993. Evidence fo r

a mechanism predisposing intergenerational CAG re­ peat instability in spinocerebellar ataxia type 1. Nature

Genetics 4, 398-403.

Ba t e s G., Le h r a h H. 1994. Trinucleotide repeat expansions

and human genetic disease. BioEssays 16, 277-284.

Br o o k J. D., McCu r r a c h M. E., Ha r l e y H., Bu c l e r A. J., Ch u r c h D., Ab u r a t a n i H., Hu n t e r K., St a n t o n V. P., Th ir io nJ-R, Hu d s o nP., So h nR., Ze m e im a n B ., Sn e l lR. G., Ru n d l e S. A., Cr o w S., Da v ie s J., Sh e l b o u r n e P., Bu x t o nJ., Jo n e s C., Ju v o n e nV., Jo h n s o n K., Ha p e rP. S ., Sh a wD. J., Ho u s m a nD. E ., 1992. Molecular basis

o f myotonic dystrophy: expansion o f a trinucleotide (CTG) repeat at the 3 ’ end o f a transcript encoding a protein kinase fam ily member. Cell 68, 799-808.

Bu r k e J. R., Win g f ie l d M. S., Le w isK. E., Ro s e sA. D., Le e

J. E., Hu l e t t e C., Pe r ic a k- Va n c e M. A., Va n c e J. M.,

1994. The Haw River syndrome: Dentatorubropallidolui-

sian atrophy (DRPLA) in an African-American family.

Nature Genetics 7, 521-524.

Ca n c e lG., Du r rA., St e v a n in G., Ch n e iw e is sH., Du ic k a e r t s

D., Se r d a r uM ., DeTo f f o lB ., Ag idI., Br ic eA. 1994. Is

DRPLA also linked to 14q? Nature Genetics 6, 8.

Ch u n gM-Y., Ra n u mL. P. W ., Du v ic kL. A ., Se r v a d ioA ., Zo g h b i

H. Y. Or rD., 1993. Evidence fo r a mechanism predis­

posing to intergenerational CAG repeat instability in spinocerebellar ataxia type 1. Nature Genetics 5, 244-

258.

Cr a igJ. M ., Bic k m o r eW. A., 1994. The distribution o f CpG

islands in mammalian chromosomes. Nature Genetics

7, 376-381.

De v y s D ., Lu t z Y ., Ro u y e r N., Be l l o c q J-P., Ma n d e l J-L.,

1993. The FMR-1 protein is cytoplasmic, most abundant in neurons and appears normal in carriers o f fragile X

premutation. Nature Genetics 4, 335-340.

Du y a o M ., Am b r o s e C ., My e r sR., No v e l l e t t oA., Pe r s ic h e t t i

F ., Fr o n t a l i M ., Fo l s t e in S ., Ross C ., Fr a n z M ., Ab b o t t

M ., Gr a yJ., Co n n e a l l yP., Yo u n gA., Pe n n e yJ., Ho l l in g-

w o r t h Z ., Sh o u l s o nI., La z z a r in iA., Fa l e kA., Ko r o s h e t z

W., Sa x D., Bir d E., Vo n s a t t e lJ., Bo n il l aE., Al v irJ.,

Co n d eJ. B., Ch aJ-H., Du r e L., Go m e z F., Ra m o s M ., Sa a n c h e s- Ra m o sJ., Sn o d g r a s s S ., d eYo u n g M ., We x l e r

N ., Mo s c o w it z C ., Pe n c h a s z a d e h G ., Ma cFa r l a n e H ., An d e r s o n M ., Je n k in sB., Sr in id h iJ., Ba r n e sB., Gu s e l a

J., Ma cDo n a l d M ., 1993.Trinucleotide repeat length

instability and age o f onset in Huntington’s disease.

Nature Genetics 4, 387-392.

Eic h l e rE. E., Ku n s tC . B., Lu g e n b e e lK . A., Ry d e rO. A .v o n., Wa r r e nS.T., Ne l s o nD. L., 1995. Evolution o f the cryptic

FMR1 CGG repeat. Nature Genetics 11, 301-308.

Fr y M ., Lo e b L . A., 1994. The fragile X syndrome d(CGG)n

nucleotide repeats from a stable tetrahelical structure.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 4950-4954.

Fu J. D., Fr ie d m a nD., Ric h a r d s S., Pe a r m a n J. K., Gi b b sR.

A., Piz z u t iA., As h i z a w aT., Pe r r y m a n M . B., Sc a r l a t oG.,

Fe n w ic kR . G. Jr, Ca s k e y C . T., 1993. Decrease express­

ion o f myotonin-protein kinase messenger RNA and protein in adult fo rm o f myotonic dystrophy. Science

260, 235-238. Dynamic mutations arise by a massive expansion of

trinucleotide repeats in genes coding for proteins which lead to a number of hereditary diseases in humans. Their nature,

mechanism of formation and clinical consequences are briefly reviewed.

Fu Y-H., Ku h lD. P. A., Piz z u t iA., Pi e r r e t iM., Su t c l if f e J.

5 ., Ric h a r d s S., Ve r k e r kA. J. M. H., Ho l d e n J. J. A.,

Fe r r w ic kR. G., Wa r r e nJr. S. T., Oo s t r aB. A., Ne l s o n

D. L ., Ca s k e y C. T., 1991. Variation oj' the CGG repeat

at the fragile X site in genetic instability: Resolution o f the Sherman paradox. Cell 67, 1047-1058.

Fu Y-H., Piz z u t iA., Fe n w ic kR. G. J r ., Kin g J ., Ra j n a r a y a nS.,

Du n n e P. W ., Du b e l J ., Na s s e r G. A., As h iz a w a T ., De

Jo n g P., Wie r in g a B., Ko r n e l u k R., Pe r r u m a n M. B.,

Ep s t e in H. F. Ca s k e y C. T., 1992. A n unstable triple

repeat in gene related to myotonic muscular dystrophy.

Science 255, 1256-1258.

Ga c y A . M ., Go e l l n e r G ., Ju r a n ic M ., Ma c u r a S ., McMu r r a y

C. T., 1995. Trinucleotide repeats that expand in human

disease fo rm hairpin structures in vitro. Cell 19, 533-

540.

Giu n t iP., Sw e e n e yM. G., Ha r d in g A. E., 1995. Detection o f

the Machado-Joseph disease/spinocerebellar ataxia three trinucleotide repeat expansion in families with autosomal dominant motor disorders, including the Drew fam ily o f Walworth. Brain, 118, 1077-10857.

Go l d b e r g Y . P., Kr e m e r B ., An d r e w S. E ., Th e il m a n n J ., Gr a h a m R. K ., Sq u it ie r i F., Te l e n iu s H ., Ad a m S ., Sa j o o

A ., St a a r E ., He ib e r g A ., Wo l f f G ., Ha y d e n M . R., 1993.

Molecular analysis o f new mutations fo r Huntington’s disease: intermediate alleles and sex origin effects.

Nature Genetics 5, 174-179.

Jia n gJ-X., De p r e zL. R. H., Zw a r t h o f fE. C., Re ig m a nP. H.

J., 1995. Characterization offour novel CAG repeat-con­

taining cDNAs. Genome 30, 91-93.

Ka w a g u c h iY., Ok a m o t oT., Ta n iv a k iM., Aiz a w aM., In o u eM.,

Ka t a y a m aS., Ka w a k a m iH., Na k a m u r a S., Ni s h im u r a M.,

Ak ig u c h iI., Kim u r aJ., Na r u m iy aS., Ka k i z u k aA., 1994.

CAG expanision in a novel gene fo r Machado-Joseph disease at chromosome 14q32. 1. Nature Genetics 8,

221-228.

Ko id e R ., Ik e u c h i T ., On o d e r a O ., Ta n a k a H ., Ig a r a s h i S ., En d o K., Ta k a h a s h i K., Ko n d o R., Is h ik a w aA., Ha y a s h i

T ., Sa it o M ., To m o d aA., Mi i k eT ., Na it o H ., Ik u t aF., Ts u i

5., 1994. Unstable expansion o f CAG repeat in hered­

itary dentatorubral-pallidoluisian atrophy (DRPLA). Na­

ture Genetics 6, 9-3.

Ku n k e lT., 1990. Misaligment-mediated DNA synthesis er­

rors. Biochemistry 29, 8003-8011.

Ku n s tC. B., Wa r r e nS. T., 1994. Cryptic and polar variation

o f the fragile X repead could result in predisposing normal alleles. Cell IT , 853-861.

La Sp a d aA. R., Wil s o n E. M., Lu b a h n D. B., Ha r d in gA. E.,

Fis h b e c k K . H ., 1 9 9 1. Androgen receptor gene mutations

in X-linked spinal and bulbar muscular atrophy. Nature

352, 77-79.

M a h a d e v a n M ., T s i l f i d i s C., S a b o u r in L., S h u t l e r G., A m em iya

Ch., J a n s e n G., N e v i l l e C., N a r a n g M., B a r c e l o J.,

O ’H o y K., L e b l o n d S., E a r l e - M a c D o n a l d J., D e J o n g P. J. W i e r i n g a B ., K o r n e l u k R . G., 1992. Myotonic dys­

trophy mutation: an unstable CTG repeat in the 3 ’ untranslated region o f the gene. Science 255, 1253-

1255.

Mh a t r eA. N., Tr if ir o M. A., Ka u f m a n M., Ka z e m i- Es f a r ia n i

P., Fig l e w ic zD., Ro u l e a u G., Pin s k yL., 1993. Reduced

transcriptional regulatory competence o f the androgen receptor inX-linked spinal and bulbar muscular atrophy.

Nature Genetics 5, 185-88. Na g a f u c h i S ., Ya n a g is a w a H ., Sa t o K . Sh ir a y a m a T ., Oh s a k i E ., Bu n d o M., Ta k e d a T ., Ta d o k o r o K ., Ko n d o I., Mu- r a y a m a N ., Ta n a k Y ., Kik u s h im aH., Um in o K ., Ku r o s a w a K., Fu r u k a w aT ., Nih e iK., In o u e T ., Sa n oA., Ko m u r eO., Ta k a h a s h i M., Yo s h iz a w a T ., Kn a z a w a I., Ya m a d a M.,

1994. Dentatorubral pllidoluisian atrophy expansion o f

an unstable CAG trinucleotide on chromosome 12p.

Nature Genetics 6, 14-8.

Na n c a r r o wJ. K., Kr e m e r E., Ho l m a n K., Ey r e H., Do g g e t t

N. A ., Le Pa s l ie r D., Ca l l e n D. F., Su t h e r l a n d G. R.,

Ric h a r d s R. I., 1994. Implication o f FRA16A structure

fo r the mechanism o f chromosomal fragile site genesis.

Science, 264, 1938-941.

O b e r l e I., R o u s s e a u F., H e i t z D., K r e t z C., D e v y s D., Ha- n a u e r A., B o u e J., B e r e t h e a s M. F., M a n d e l J. L., 1991.

Instability o f a 55-base pair segment and abnormal methylation in fragile X syndrome. Science 252, 1092-

102.

O ’Do n o v a n M. C., Gu y C., Cr a d d o c k N., Mu r p h y K. C.,

Ca r d n o A. G., Jo n e s L. A., Ow e n M. J., McGu f f in P.,

1995. Expanded CAG repeats in schizophrenia and

bipolar disorder. Nature Genetics 10, 380-81.

Or r H. T ., Ch u n g M-Y., Ba n f i S., Kw ia t k o w s k i T . J. Jr.,

Se r v a d io A ., Be a u d e t A . L., McCa l l A . E., Du v ic kL. A ., Ra n u m L. P. W., Zo g h b i H. Y., 1993. Expansion o f an

unstable trinucleotide (CAG) repeat that is expanded in spinocerebellar ataxia type 1. Nature Genetics 4, 221-

26.

Pa r r is h J. E., Oo s t r aB. A., Ve r k e r kA. J. M. H., Ric h a r d s

C. S., Re y n o l d sJ., Sp ik e s A . S., Sh a f f e r L. G., Ne l s o n

D. L., 1994. Isolation o f GCC repeat showing expansion

FRAXF, a fragile site distal to FRAXA and FRAXE.

Nature Geneticss 8, 229-35.

Ru b in s t e inD. C., Am o s W., Le g oJ., Go o d b u r nS., Ra m e s a r

R. S., Ol dJ., Bo n t r o p R., McMa h o n R., Ba r t o n D. E.,

Fe r g u s o n- Sm it h M. A., 1994. Mutational bias provides

a model fo r the evolution o f Huntington’s disease and predicts a general increase in disease prevalence.Na-

ture Genetics 7, 525-30.

Sio m i H., Sio m iM. C., Nu s s b a u m R. L., Dr e if u s s G., 1993.

The protein product o f the fragile X gene, FMR1, has characteristics o f an RNA binding protein. Cell 74, 291-

98.

Sm it h K. G., Jie J. J., Fox G. E „ Ga o X., 1995. DNA CTG

triplet repeats involved in dynamic mutations o f neuro- logically related gene sequences fo rm stable duplexes.

Nucleic Acids Res. 23, 4303-311.

Sn e l lR. G., McMil l a nJ. C., Ch e a d l eJ. P., Fe n t o nI., La z a r o u

L. P., Da v ie sP., Ma cDo n a l dM. E., Gu s e l aJ. F., Ha r p e r

P. S., Sh a wD. J., 1993. Relationship between trinucle­

otide repeat expansion and phenotypic variation in Huntington’s disease. Nature Genetics 4, 393-97.

St r e is in g e rG., Ok a d aY., Em r ic h J., Ne w t o nJ., Ts u g it a A ., Te r z a g h i E., In n o u y e M., 1966. Frame shift mutations

and the genetics code. Cold Spring Harbor Symp. Qant.

Biol. 31, 77-4.

St r o n g T . V ., Ta g l eD. A ., Va l d e s J . M., El m e r L. W., Bo e h m

K., Sw a r o o pM., Ka a t z K. W., Co l l in s F. S., Al b in R. L .,

1993. Widespread expression o f the human rat Hunting­

ton’s disease gene and nonneural tissues. Nature Gene­

tics 5, 259-65.

Su t h e r l a n d G. R., 1977. Fragile sites on human chromo­

somes: Demonstration o f their dependence on the type o f tissue culture medium. Science 197, 265-66.

Su t h e r l a n d G. R., Ric h a r d sR. I., 1993. Dynamic mutations

on the move. J. Med. Gene., 30, 978-71.

Su t h e r l a n dG. R., Ric h a r d sR. I., 1994. Dynamic mutations.

American Scientist, 82, 157-63

Su t h e r l a n dG. R., Ric h a r d sR. I., 1995. Simple tandemDNA

and human genetic disease. Proc. Natl. Acad. Sci. USA

92, 3636-641.

Su z u k iM., 1994. A possible new zipper structure and DNA-

binding o f the Huntington’s disease protein. Proc. Japan

Acad. Ser. B 70, 195-99.

Um a r A ., Bo y e r C., Ku n k e l T . A ., 1994. DNA loop repair by

human cell extracts. Science 266, 814-16.

Us d in K., Wo o d f o r d K. J., 1995. CCG repeats associated

with DNA instability and chromosome fragility form structures that block DNA synthesis in vitro. Nucleic

Wa n gY-H., Am ir h a e r iS., Ka n g S., We l l s R. D., Gr if f it hJ.

D., 1994. Preferential nucleosome assembly at DNA

triplet repeats fro m the myotonic dystrophy qene.

Science 265, 669-71.

Yu S., Pr it c h a r d M., Kr e m e r E., 1991. Fragile X genotype

characterized by an unstable region o f DNA. Science