Badania zespołu Downa
Badania genów związanych z zespołem Downa opierają się na badaniu genów zlokalizowanych na chromosomie 21. Na ogół prowadzi to do nadekspresji genów. Zrozumienie zaangażowanych genów może pomóc ukierunkować leczenie na osoby z zespołem Downa . Szacuje się, że chromosom 21 zawiera od 200 do 250 genów. Ostatnie badania zidentyfikowały region chromosomu, który zawiera główne geny odpowiedzialne za patogenezę zespołu Downa, zlokalizowany proksymalnie do 21q22.3. Poszukiwania głównych genów związanych z cechami zespołu Downa zwykle dotyczą regionu 21q21–21q22.3.
Geny
Niektóre podejrzewane geny zaangażowane w cechy zespołu Downa podano w tabeli 1:
| Gen | Referencja OMIM | Lokalizacja | Rzekoma funkcja |
|---|---|---|---|
| APLIKACJA | 104760 | 21q21 | Białko prekursorowe amyloidu Białko prekursorowe A4. Podejrzewa się, że odgrywa główną rolę w trudnościach poznawczych. Jeden z pierwszych genów badanych na transgenicznych myszach z zespołem Downa. |
| SOD1 | 147450 | 21q22.1 | Dysmutaza ponadtlenkowa . Możliwa rola w chorobie Alzheimera . Przeciwutleniacz, a także możliwy wpływ na układ odpornościowy. |
| DYRK | 600855 | 21q22.1 | o podwójnej specyficzności z regulacją fosforylacji tyrozyny . Może wpływać na rozwój umysłowy poprzez nieprawidłową neurogenezę. |
| IFNAR | 107450 | 21q22.1 | Interferon, alfa, beta i omega, receptor. Odpowiada za ekspresję interferonu , który wpływa na układ odpornościowy. |
| DSCR1 | 602917 | 21q22.1–21q22.2 | Gen regionu krytycznego zespołu Downa 1. Prawdopodobnie część szlaku transdukcji sygnału obejmującego zarówno serce, jak i mózg. |
| COL6A1 | 120220 | 21q22.3 | Kolagen typu I, gen alfa 1. Może mieć wpływ na choroby serca. |
| ETS2 | 164740 | 21q22.3 | Wirus erytroblastozy ptasiej E26 Homolog 2. Naukowcy „wykazali, że nadekspresja ETS2 powoduje apoptozę . U myszy transgenicznych z nadekspresją ETS2 rozwinęła się mniejsza grasica i nieprawidłowości limfocytów, podobne do cech obserwowanych w zespole Downa”. Wykazano również, że myszy transgeniczne ETS2 „rozwijają nieprawidłowości szkieletu nerwowo-czaszkowego, trzewno-czaszkowego i szyjnego”, podobne nieprawidłowości szkieletowe do tych obserwowanych w zespole Downa. |
| CRYA1 | 123580 | 21q22.3 | Krystalina, Alfa-A. Bierze udział w syntezie krystaliny , głównego składnika soczewki oka. Może być przyczyną zaćmy. |
Badania ogólne
Badania Arrona i in. pokazuje, że niektóre fenotypy związane z zespołem Downa mogą być związane z rozregulowaniem czynników transkrypcyjnych (596), aw szczególności NFAT . NFAT jest częściowo kontrolowany przez dwa białka, DSCR1 i DYRK1A; geny te znajdują się na chromosomie 21 (Epstein 582). U osób z zespołem Downa białka te mają 1,5 razy większe stężenie niż normalnie (Arron i wsp. 597). Podwyższone poziomy DSCR1 i DYRK1A utrzymują NFAT przede wszystkim w cytoplazmie , a nie w jądrze , uniemożliwiając NFATc aktywację transkrypcji docelowych genów, a tym samym produkcję niektórych białek (Epstein 583).
To rozregulowanie zostało odkryte przez testowanie na myszach transgenicznych, które miały zduplikowane segmenty ich chromosomów w celu symulacji trisomii ludzkiego chromosomu 21 (Arron i wsp. 597). Test obejmujący siłę chwytu wykazał, że genetycznie zmodyfikowane myszy miały znacznie słabszy chwyt, podobnie jak charakterystycznie słabe napięcie mięśni osobnika z zespołem Downa (Arron i wsp. 596). Myszy ściskały sondę łapą i wykazywały słabszy chwyt o 0,2 niutona (Arron i wsp. 596). Zespół Downa charakteryzuje się również zwiększoną socjalizacją. Gdy zmodyfikowane i niezmodyfikowane myszy obserwowano pod kątem interakcji społecznych, zmodyfikowane myszy wykazywały aż o 25% więcej interakcji w porównaniu z myszami niezmodyfikowanymi (Arron i wsp. 596).
Geny, które mogą być odpowiedzialne za powiązane fenotypy, mogą znajdować się bliżej 21q22.3. Testy przeprowadzone przez Olsona i innych na transgenicznych myszach pokazują, że zduplikowane geny, które przypuszczalnie powodują fenotypy, nie wystarczają do wywołania dokładnych cech. Podczas gdy myszy miały zduplikowane sekcje wielu genów, aby zbliżyć się do potrojenia ludzkiego chromosomu 21, wykazywały one jedynie niewielkie nieprawidłowości twarzoczaszki (688-90). Myszy transgeniczne porównano z myszami, które nie miały zduplikowanych genów, mierząc odległości w różnych punktach ich struktury szkieletowej i porównując je z normalnymi myszami (Olson i wsp. 687 ). Nie zaobserwowano dokładnych cech zespołu Downa, więc więcej genów zaangażowanych w fenotypy zespołu Downa musi być zlokalizowanych gdzie indziej.
Reeves i in. , używając 250 klonów chromosomu 21 i specyficznych markerów genowych, byli w stanie zmapować gen w zmutowanych bakteriach. Testy obejmowały 99,7% pokrycia genu z dokładnością 99,9995% dzięki wielokrotnej redundancji w technikach mapowania. W badaniu zidentyfikowano 225 genów (311–13).
Poszukiwania głównych genów, które mogą być zaangażowane w objawy zespołu Downa, zwykle dotyczą regionu 21q21–21q22.3. Jednak badania Reevesa i in. pokazują, że 41% genów na chromosomie 21 nie ma celu funkcjonalnego, a tylko 54% genów funkcjonalnych ma znaną sekwencję białka. Funkcjonalność genów została określona przez komputer przy użyciu egzonów (312). Sekwencję egzonu uzyskano za pomocą tych samych procedur mapowania chromosomu-21.
Badania doprowadziły do zrozumienia, że dwa geny zlokalizowane na chromosomie 21, które kodują białka kontrolujące regulatory genów, DSCR1 i DYRK1A, mogą być odpowiedzialne za niektóre fenotypy związane z zespołem Downa. DSCR1 i DYRK1A nie można od razu obwiniać za objawy; istnieje wiele genów, które nie mają znanego celu. Potrzebne byłoby znacznie więcej badań, aby opracować odpowiednie lub etycznie akceptowalne opcje leczenia.
Niedawne wykorzystanie myszy transgenicznych do badania określonych genów w krytycznym regionie zespołu Downa przyniosło pewne wyniki. APP jest białkiem prekursorowym amyloidu beta A4. Podejrzewa się, że odgrywa główną rolę w trudnościach poznawczych. Innym genem, ETS2, jest wirus ptasiej erytroblastozy E26 Oncogene Homolog 2. Naukowcy „wykazali, że nadekspresja ETS2 powoduje apoptozę . Transgeniczne myszy z nadekspresją ETS2 rozwinęły mniejsze nieprawidłowości grasicy i limfocytów, podobne do cech obserwowanych w zespole Downa”.
Konkretne geny
Beta amyloidu (APP)
Jednym z genów chromosomu 21, który może predysponować osoby z zespołem Downa do rozwoju patologii Alzheimera, jest gen kodujący prekursor białka amyloidu . Splątki neurofibrylarne i blaszki amyloidowe są powszechnie spotykane zarówno u osób z zespołem Downa, jak iu osób z chorobą Alzheimera. Warstwa II kory śródwęchowej i subiculum, obie krytyczne dla konsolidacji pamięci , są jednymi z pierwszych dotkniętych uszkodzeniem. Następuje stopniowy spadek liczby komórek nerwowych w korze mózgowej . Kilka lat temu z Johns Hopkins stworzyli genetycznie zmodyfikowaną mysz o nazwie Ts65Dn (mysz z trisomią segmentową 16) jako doskonały model do badania zespołu Downa. Mysz Ts65Dn ma geny na chromosomach 16, które są bardzo podobne do genów ludzkiego chromosomu 21. Niedawno naukowcy wykorzystali tę transgeniczną mysz do powiązania APP z problemami poznawczymi wśród myszy.
Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD1)
Niektóre (ale nie wszystkie) badania wykazały, że aktywność enzymu dysmutazy ponadtlenkowej jest podwyższona w zespole Downa. SOD przekształca rodniki tlenowe w nadtlenek wodoru i wodę . Rodniki tlenowe wytwarzane w komórkach mogą uszkadzać struktury komórkowe, stąd tak ważna rola SOD. Jednak hipoteza mówi, że gdy aktywność SOD wzrośnie nieproporcjonalnie do enzymów odpowiedzialnych za usuwanie nadtlenku wodoru (np. peroksydazy glutationowej ), komórki ulegną uszkodzeniu nadtlenkiem. Niektórzy naukowcy uważają, że leczenie neuronów z zespołem Downa za pomocą zmiataczy wolnych rodników może znacznie zapobiec degeneracji neuronów. Uszkodzenia oksydacyjne neuronów powodują szybkie mózgu , podobne do tego w chorobie Alzheimera .
Stres oksydacyjny
Produkt utleniania DNA 8-OHdG jest uznanym markerem oksydacyjnego uszkodzenia DNA wynikającego ze stresu oksydacyjnego i nadmiernej produkcji reaktywnych form tlenu . Poziomy 8-OHdG w DNA osób z DS mierzone w ślinie okazały się istotnie wyższe niż w grupach kontrolnych. Stwierdzono również, że poziomy 8-OHdG były wyższe w moczu , leukocytach i fibroblastach osób z DS w porównaniu z grupą kontrolną. Zarówno płodowe , jak i dorosłe fibroblasty DS są wadliwe w usuwaniu 8-OHdG w porównaniu z komórkami dobranymi wiekowo od zdrowych dawców kontrolnych. Odkrycia te sugerują, że oksydacyjne uszkodzenie DNA może leżeć u podstaw niektórych klinicznych i przedwczesnych cech DS.
Geny mikroRNA
Ludzki chromosom 21 zawiera pięć genów mikroRNA : miR-99a , let-7c , miR-125b-2, miR-155 i miR-802.
Epigenetyczne badania efektów przyspieszonego starzenia
Trisomia 21 pociąga za sobą zwiększone ryzyko wielu chorób przewlekłych, które są zwykle związane ze starszym wiekiem, takich jak zwiększone ryzyko choroby Alzheimera. Kliniczne objawy przyspieszonego starzenia sugerują, że trisomia 21 zwiększa biologiczny wiek tkanek, ale dowody molekularne na poparcie tej hipotezy są nieliczne. Według biomarkera wieku tkanek, zwanego zegarem epigenetycznym , trisomia 21 znacznie zwiększa wiek krwi i tkanki mózgowej (średnio o 6,6 roku).