Основные моногеннные варианты болезни Паркинсона

Ген а-синуклеина, SNCA. Исторически первым идентифицированным геном, ассоциированным с семейной формой БП, был ген а-синуклеина (SNCA), картированный на хромосоме 4q21. Он был выявлен в семье итало-американского происхождения с аутосомно-доминантной формой БП (Polymeropoulos et al., 1996), в которой в гене SNCA была обнаружена обуславливающая развитие заболевания миссенс- мутация A53T.

в семье из Германии (Kruger et al., 1998) и E46K в испанской семье (Zarranz et al., 2004). Но в целом точковые мутации в гене SNCA являются крайне редкими, и анализ большого числа больных с семейной и спорадической формой БП указывает на то, что они не играют существенной роли в патогенезе БП (Farrer et al., 1998; Pastor et al., 2001). В российской популяции несмотря на интенсивные поиски также не было выявлено точковых мутаций в гене SNCA (Illarioshkin et al., 2000).

Недавно появились данные о том, что важную роль в развитии БП могут играть мутации, связанные с изменением дозы гена SNCA. Выявлены дупликации и трип- ликации геномного региона, содержащего ген SNCA, в семьях с аутосомно-доми- нантной формой заболевания. Размер мультипликаций варьирует от 0,4 до 6,37 Мб, захватывая от 1 до 33 генов (Ibanez et al., 2009; Ross et al., 2008а,Ь). Предполагают, что причиной возникновения подобных мутаций является неравный кроссинговер по LINE-повторам, встречающимся на протяжении мультиплицируемой области. Частота больных с дупликациями и трипликациями гена SNCA в исследованных популяциях при семейной форме БП варьирует от полного отсутствия в популяциях из Германии, Португалии и США до 2,7% в Корее, и в среднем составляет ~1,4%. При спорадической форме БП частота больных с дупликациями и трипликациями гена SNCA варьирует также от полного их отсутствия в японской, португальской и американской популяциях и до 1% в Европе и Северной Африке, и в среднем составляет ~0,3% (Lesage, Brice, 2009).

Интересно отметить, что клиническая картина заболевания зависит не от протяженности мультиплицируемой области, а от количества копий гена SNCA (Ibanez et al., 2009; Ross et al., 2008а,Ь). Больные с дупликациями в гетерозиготном состоянии (в целом три копии гена SNCA на ядро) по клиническим проявлениям напоминают спорадических больных БП, т.е. заболевание начинает развиваться в позднем возрасте и медленно прогрессирует. С увеличением числа копий гена SNCA до четырех (при трипликациях в гетерозиготном состоянии и дупликациях в гомозиготном состоянии) заболевание принимает более тяжелую форму, а именно - болезнь начинает развиваться в более раннем возрасте, быстрее прогрессирует, обладает выраженной деменцией и часто сопровождается вегетативной дистонией (Ibanez et al., 2009; Ross et al., 2008а,Ь).

Ген SNCA кодирует белок а-синуклеин, который в нативном состоянии является нескладчатым белком, содержит 140 аминокислотных остатков и состоит из трех функциональных участков: N-концевого участка, содержащего амфипатический а-спиральный домен, гидрофобной центральной области, содержащей домен с не- Р-амилоидным компонентом (NAC-домен), и кислой С-концевой области.

Хорошо известно, что протофибриллы а-синуклеина являются основным компонентом телец Леви при БП.

В настоящее время считается, что а-синуклеин является молекулярным шапе- роном и регулирует белок-белковые и белок-липидные взаимодействия (Yavich et al., 2004), а также он является пресинаптическим белком и играет важную роль в синаптическом везикулярном транспорте (Sudhof, Rizo, 2011).

Ген паркина, PARK2. Ген PARK2 был картирован в 1997 г. на хромосоме 6q25.2- q27 (Kitada et al., 1998). Он состоит из 12 экзонов и кодирует белок паркин, содержащий 465 аминокислотных остатков и обладающий убиквитин-лигазной активностью. Структурно-функциональный анализ гена PARK2 и белка паркина показал, что этот белок является E3 убиквитин-лигазой и входит в RBR-семейство убиквитин-лигаз. Непосредственной функцией паркина является перенос убикви- тина с убиквитин-конъюгирующих ферментов на специфичные субстраты, которыми являются а-синуклеин, синфилин-1, паркин, Sept5 (CDCrel-1), Sept4 (CDCrel-2), PAEL-R, циклин Е, JTV1(p38), синаптотагмин XI, тубулин, р38 субъединица ами- ноацил-тРНК синтетазы и белки с полиглутаминовыми повторами (Shimura et al., 2000). Взаимодействие паркина с субстратами идет за счет RING-IBR-RING доменов белка, кодируемых экзонами 7-11 гена. N-концевая область паркина, кодируемая экзонами 1 и 2, содержит убиквитин-подобный домен (UBL), взаимодействующий с Rpt6 и Rpn10-субъединицами протеасом. С-концевой домен паркина, кодируемый экзоном 12, содержит мотив, взаимодействующий с PDZ-мотивом кальций/кальмодулин-зависимых протеин-киназ. Это взаимодействие обеспечивает синаптический транспорт паркина. Кроме того, в состав паркина входят богатый цистеином паркин-специфический домен UPD, кодируемый экзонами 4-6, а также чувствительный к каспазам 1 и 8 домен (он кодируется экзоном 3).

Как уже говорилось выше, паркин главным образом функционирует как Е3 уби- квитин-лигаза и катализирует убиквитинирование поврежденных белков, которые затем подвергаются протеасомной деградации. Следовательно, недостаточность паркина может приводить к нарушению процессов убиквитинирования и накоплению в клетке белков, являющихся субстратами паркина, а это в свою очередь может вести к смерти нейронов. Кроме того установлено, что паркин играет важную роль в процессах митофагии (Ding, Yin, 2012; Youle, Narendra, 2011).

Имеются также данные о том, что паркин может выступать в качестве комплексного нейропротекторного белка при целом ряде токсичных поражений, являющихся критичными для выживаемости дофаминергических нейронов (Cookson, 2005).

Впервые мутации в гене были описаны в семье из Японии (Kitada et al., 1998). Позднее мутации были обнаружены у представителей разных этнических групп. В настоящее время описано более 100 семей с аутосомно-рецессивным ювенильным паркинсонизмом, в которых причиной развития БП являются различные мутации в гене PARK2. Необходимо отметить, что данная форма БП отличается своеобразной нейропатологической картиной - у больных в большинстве случаев отсутствуют характерные для других форм заболевания тельца и нейриты Леви.

В гене PARK2 в семьях с аутосомно-рецессивной ювенильной формой заболевания на данный момент выявлено более 120 различных мутаций. Среди них основную часть составляют миссенс-мутации (идентифицировано более 50 аминокс- лотных замен) и мутации с изменением копийности отдельных экзонов или групп экзонов (делеции, дупликации и трипликации) (Bertoli-Avella et al., 2005; Hedrich et al., 2002; Illarioshkin et al., 2003; Kann et al., 2002). Высокая частота мутаций с изменением копийности является характерной особенностью спектра мутаций при ювенильной форме БП - их частота составляет от 33 до 66% от всех мутаций в гене PARK2 (Bertoli-Avella et al., 2005; Hedrich et al., 2002; Periquet et al., 2003).

В целом в настоящее время считается, что гомозиготность или компаундная гетерозиготность по мутациям в гене PARK2 являются причиной развития заболевания у почти 50% больных c ювенильным аутосомно-рецессивным паркинсонизмом и 5-10% больных со спорадической формой БП с ранним (до 50 лет) началом развития заболевания. В некоторых семьях с мутациями в гене PARK2 выявлен ау- тосомно-доминантный характер наследования заболевания (Oliveira et al., 2003).

Была высказана гипотеза о том, что даже в гетерозиготном состоянии мутация в гене PARK2 может приводить к развитию болезни по механизму гаплонедостаточ- ности, хотя не исключается также доминантно-негативный эффект, или токсическое изменение функции мутантного белка (West et al., 2002). Роль мутаций в гене пар- кина в развитии БП была косвенно подтверждена при позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), когда было обнаружено пропорциональное снижение захвата флю- ороДОФА в подкорковых ганглиях в зависимости от увеличения числа мутантных аллелей гена паркина, а также выявлено отчетливое снижение этого параметра при бессимптомном носительстве единственной делеции в этом гене (Hilker et al., 2001).

Ген PINK1. Локус PARK6 и ген, кодирующий PINK1 (киназу 1, индуцируемую гомологами фосфатаз и тензином), был картирован в трех семьях с БП европейского происхождения в 2004 г. Ген PINK1 локализован на хромосоме 1р35-р36 (Valente et al., 2001) и на данный момент в нем выявлено более 50 миссенс-замен, а также различные точковые мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания и усеченным вариантам белка (Tan, Skipper, 2007). Установлено, что гомозиготность и ком- паудная гетерозиготность по этим мутациям приводят к развитию различных форм БП с широким фенотипическим спектром — от заболеваний с ранним началом развития и атипичным течением до БП с поздним началом развития с симптоматикой, характерной для спорадических случаев. Важно отметить, что паркинсонизм может развиваться и у гетерозигот по мутациям в гене PINK1. В этом случае наблюдается более позднее возникновение заболевания (Hatano et al., 2004). PINK1 мутации относительно равномерно распределены по всему гену, и их частота варьирует от 1 до 9% в различных этнических популяциях (Tan, Skipper, 2007).

Белок PINK1 состоит из 581 аминокислотного остатка, содержит N-концевой мотив связывания с митохондриями и высококонсервативный серин/треонин-ки- назный домен Ca²+ кальмодулинового типа. Белок широко распространен в различных типах тканей и клеток и детальный анализ его экспрессии позволяет предположить, что он локализован преимущественно в митохондриях. Одним из свойств PINK1 является плохая растворимость и связанная с этим склонность к агрегации, которая, по-видимому, объясняет наличие этого белка в 10% телец Леви при спорадической форме БП (Gandhi et al., 2006).

В настоящее время считается, что PINK1 может функционировать как мито- ходриальная киназа и защищать нейроны от оксидантного стресса (Valente et al., 2004). Кроме того, установлено, что PINK1 играет важную роль в процессах мито- фагии. При этом белок накапливается в поврежденных митохондриях. Накопление белка PINK1 способствует перемещению паркина из цитоплазмы в поврежденную митохондрию. Паркин, будучи Е3 убиквитин-лигазой, убиквитинирует митохондриальные белки, тем самым метя поврежденную митохондрию. Меченая митохондрия изолируется мембраной с образованием аутофагосомы, которая в дальнейшем сливается с лизосомой, где подвергается деградации (Youle, Narendra, 2011). Таким образом, можно предположить, что дефекты в генах PINK и PARK2 могут привести к нарушению нормальных процессов митофагии.

Ген белка DJ-1. В 2001 г. при анализе семьи с аутосомно-рецессивной БП с ранним началом развития из Дании был идентифицирован седьмой локус БП PARK7, картированный на хромосоме 1р36 (Van Duijn et al., 2001). Двумя годами позже в этой же семье и в семье из Италии были обнаружены протяженная делеция размером 14 т.п.н. и миссенс-замена L166P в расположенном в области локуса PARK7 гене, кодирующем белок DJ-1. В гомозиготном состоянии они приводят к развитию медленно прогрессирующей ювенильной БП, которая сопровождается полным отсутствием синтеза белка DJ-1 в результате блокировки синтеза белка или его очень быстрой посттрансляционной деградацией. В настоящее время в гене DJ-1 обнаружены как гомозиготные и гетерозиготные точковые мутации, так и экзон- ные делеции и трипликации. Все описанные мутации приводят к развитию редких форм аутосомно-рецессивной БП с ранним началом развития заболевания. В целом мутации в гене DJ-1 встречаются не более чем у 1-2% больных с ранней формой БП (Bonifati et al., 2003).

DJ-1 - высококонсервативный белок, который состоит из 189 аминокислотных остатков и принадлежит DJ-1/Thi/PfpI белковому суперсемейству. Белок широко распространен в различных тканях млекопитающих, в том числе и в мозге. Установлено, что DJ-1 преимущественно локализован в цитоплазме, однако небольшие его количества связаны с митохондриями (Zhang et al., 2005).

Впервые ген DJ-1 был описан еще до открытия его роли в развитии БП как протоонкоген, принимающий участие в процессах созревания спермы и оплодотворении. Позднее было показано, что он обладает антиоксидантными свойствами и способен защищать клетки от оксидантного стресса, удаляя перекисные соединения путем самоокисления. Кроме того, имеются данные о том, что DJ-1 может быть вовлечен в регуляцию процессов апоптоза, а также вести себя как окислительновосстановительный шаперон, ингибирующий агрегацию а-синуклеина. Имеются сведения о том, что DJ-1 способен связываться с паркином во время оксидантного стресса, что предполагает у этих двух белков наличие общей роли в механизмах нейропротекции (Mandemakers et al., 2007).

Ген дардарина. Локус PARK8 был картирован на хромосоме 12p 11.2 в семье с аутосомно-доминантной БП из Японии в 2002 г. (Funayama et al., 2002). В 2004 г. двумя независимыми исследовательскими группами был идентифицирован ген LRRK2 (киназы 2 с лейцин-богатыми повторами) или дардарина в семьях с аутосомно-доминантной БП с поздним началом развития (Paisan-Ruiz et al., 2004; Zimprich et al., 2004). В настоящее время в гене LRRK2 выявлено большое число миссенс-мутаций и несколько точковых замен, приводящих к нарушению сплайсинга. Все мутации достаточно равномерно распределены по гену, и показано, что они могут вносить существенный вклад в этиологию как семейных, так и спорадических форм БП. В различных популяциях мира суммарная частота мутаций в гене LRRK2 может составлять 1,7-13% при семейных и 0,4-2,7% при спорадических случаях БП (Berg et al., 2005).

Анализ частоты встречаемости различных мутаций в гене LRRK2 показал, что самой часто встречающейся мутацией является мутация G2019S, которая локализуется на 41 экзоне гена LRRK2. Кроме того, установлено, что данная мутация является также самой частой из всех точковых мутаций, описанных при БП. Мутация G2019S найдена у больных из различных популяций, причем как с семейной, так

и со спорадической формами заболевания. Ее частота в популяциях европейского происхождения достигает 4,6% у больных спорадической формой БП и 11,5% у больных семейным паркинсонизмом, у евреев ашкеназов ее частота достигает 13,3% у спорадических больных и 29,7% у больных с семейной формой БП, а у арабов Северной Африки - 40,8% у спорадических больных, 37,0% у больных с семейной формой БП (Lesage et al., 2006; Ozelius et al., 2006). В то же время, эта мутация крайне редко встречается у монголоидов (Tan et al., 2005). В российской популяции эта мутация обнаружена как у больных из семей с аутосомно-доминан- тной формой БП (с частотой 13%), так и у больных спорадической формой БП (частота - 0,5%) (Illarioshkin et al., 2007). Анализ сцепленных с мутацией G2019S гаплотипов говорит о том, что, скорее всего, данная мутация возникала в эволюции человека более одного раза - так, у больных из России - носителей данной мутации, обнаружено два сцепленных с ней гаплотипа (Шадрина и др., 2007). Более детально спектр мутаций в гене LRRK2 будет рассмотрен в следующем разделе.

Интересно также отметить, что одной из причин БП может быть сочетание мутаций в разных генах заболевания. Так, нами у одного из больных с мутацией G2019S выявлена также гетерозиготная делеция по одному из экзонов гена пар- кина. Такая двойная гетерозиготность может влиять как на вероятность развития заболевания, так и определять особенности его клинического течения (Багыева и др., 2007; Иллариошкин и др., 2007).

Спектр клинических проявлений данной мутации сильно варьирует и она не является полностью пенетрантной, о чем говорит ее обнаружение у человека в возрасте старше 80 лет без каких-либо признаков паркинсонизма (Kay et al., 2005).

Ген LRRK2 состоит из 51 экзона и кодирует белок размером 275 кД, содержащий 2527 аминокислотных остатков. Он относится к подсемейству ROCO суперсемейства Ras ГТФаз и характеризуется наличием нескольких функциональных доменов: двух Roc доменов, COR домена, WD40 домена, области лейцин-богатых повторов, тирозин-киназного каталитического домена (Zimprich et al., 2004). Он активно экспрессируется в печени, легких, почках, сердце и различных отделах головного мозга, в том числе и в дофаминергических нейронах черной субстанции. Преимущественно дардарин локализуется в цитоплазме, главным образом в аппарате Гольджи, синаптических везикулах цитоплазматической мембраны и может быть связан с внешней митохондриальной мембраной (Biskup et al., 2006; Hatano et al., 2007). В настоящее время мало что известно об основных биологических характеристиках дардарина, хотя установлено, что белок обладает киназной активностью, которая была доказана в экспериментах на клеточных культурах (West et al., 2005). Кроме того, предполагается, что дарадарин может проявлять и ГТФаз- ную активность, которая характерна для белков семейства ROCO. Имеются также данные о том, что LRRK2 может принимать участие в контроле за обменом синаптических везикул, росте и ветвлении аксонов и функционировании аппарата Гольджи, лизосом и митохондрий (MacLeod et al., 2006; Zhu et al., 2006).

Ген АТР13А2. Недавно было установлено, что помимо процесса убиквитин- зависимой протеасомной деградации белков важную роль в процессах утилизации белков, особенно с длинным периодом полураспада (более 10 часов), играют процессы лизосомальной аутофагии (Pan et al., 2008). Функционирование лизосом осуществляется на разных уровнях, включая экспрессию генов, транспорт и функционирование лизосомальных белков (Schneider, Zhang, 2010). Нарушение этих процессов может привести к процессам нейродегенерации. В настоящее время установлено, что дефекты, по крайней мере в двух генах, кодирующих лизосомаль- ные белки, связаны с развитием БП.

Одним из них является нейрональная лизосомальная мембранная АТФаза P- типа, кодируемая геном ATP13A2 (локус PARK9). Мутации в гене ATP13A2 были обнаружены в двух независимых семьях с синдромом Kufor-Rakeb (Ramirez et al., 2006). Этот синдром является атипичной формой рецессивно наследуемого леводо- па-чувствительного паркинсонизма с очень ранним началом развития (от 11 до 16 лет) заболевания.

У больных наблюдается быстрое прогрессирование заболевания, нарушение пирамидального тракта, деменция, а также атрофия бледного шара (globus pallidus) (Spatola, Wider, 2014). Совсем недавно были выявлены новые мутации в гене ATP13A2 у больных с более типичным паркинсонизмом и ранним началом развития из Бразилии и Италии (Trinh, Farrer, 2013).

Ген ATP13A2 состоит из 29 экзонов и кодирует лизосомальную АТФазу размером 1180 аминокислотных остатков и входящую в состав P₅ суперсемейства АТ- Фаз. Точная физиологическая роль белка остается неизвестной. Однако известно, что другие белки этого суперсемейства являются транспортерами различных субстратов, и в первую очередь неорганических катионов. Ген ATP13A2 преимущественно экспрессируется в тканях мозга, особенно в дофаминергических нейронах черной субстанции. На сегодняшний день накоплено много данных о том, что у больных с мутациями в гене ATP13A2 наблюдается нарушение функционирования лизосом, связанное с нестабильностью мембраны, нарушением кислотности ор- ганеллы и нарушением деградации специфичных для лизосом белков, что в свою очередь приводит к накоплению а-синуклеина и смерти нейронов (Dehay et al., 2013; Ramirez et al., 2006).

Новые гены семейной болезни Паркинсона. Необходимо отметить, что на сегодняшний день далеко не во всех семьях с БП установлены генетические причины развития заболевания, несмотря на скрининг мутаций во всех генах семейной формы БП. В связи с этим актуальным остается поиск новых генов семейной формы БП. За последние несколько лет с использованием современных высокопроизводительных NGS-технологий, таких как полногеномное и полноэкзомное секвениро- вание, было выявлено четыре новых гена: VPS35, E1F4G1, связанные с развитием семенной аутосомно-доминантной формы БП, и DNAJC6, SYNJ1, сцепленные с развитием аутосомно-рецессивной формой БП (Bonifati, 2014). Однако только для одного из этих генов - гена VPS35, на данный момент имеются многочисленные исследования (более пятнадцати), показывающие, что мутации в нем хоть и встречаются редко, но приводят к развитию БП в различных этнических группах (Spatola, Wider, 2014).

Ген VSP35 стал первым геном, который был идентифицирован с помощью полноэкзомного секвенирования. В 2011 г. двумя независимыми исследовательскими группами была обнаружена мутация D620N (1858G>A) в гене VPS35, и была установлена ее строгая косегрегация с заболеванием в двух больших семьях с ауто- сомно-доминантной формой БП из Австрии и Швейцарии (Gagliardi et al., 2014; Trinh, Farrer, 2013). В дальнейшем было показано, что данная мутация является очень редкой причиной развития БП и встречается у 0,1-1% больных с семейной аутосомно-доминантной формой БП. Кроме того, на данный момент в гене VPS35 выявлено еще несколько вариантов P316S, R524W, I560T, H599R, M607V, которые могут быть сцеплены БП, но патогенетическую значимость которых еще предстоит доказать (Deng et al., 2013).

Ген VPS35 расположен на хромосоме 16q11.2, содержит 17 экзонов и относится к группе генов, кодирующих вакуолярные белки сортировки (Edgar, Polak, 2000). Белок VPS35 является субъединицей ретромерного комплекса, играющего важную роль в ретроградном транспорте различных трансмембранных белков из эндосом к аппарату Гольджи или к мембранам (Bonifacino, Hurley, 2008). Имеющиеся на сегодня данные позволяют предполагать, что мутации в гене VPS35 могут блокировать активность ретромерного комплекса, который необходим для обеспечения рециркуляции белков Wnt сигнального пути (Port et al., 2008). Нарушение Wnt сигнального пути в свою очередь может приводить к гибели дофаминергических нейронов среднего мозга и развитию БП (L’Episcopo et al., 2011). Кроме того, предполагается, что нарушение нормального функционирования ретромерного комплекса может приводить к нарушению нормальной рециркуляции транспортера двухвалентного железа DMT1 и накоплению железа в нейронах, что также может приводить к развитию нейродегенеративных процессов (Donovan et al., 2006; Dusek et al., 2012).

Ген GBA: между семейной и спорадической формами болезни Паркинсона. Традиционно считалось, что мутации в гене Р-глюкоцереброзидазы (GBA) приводят к развитию болезни Гоше - аутосомно-рецессивного заболевания, относящегося к группе лизосомальных болезней накопления. Однако начиная с середины 1990-х годов, когда были впервые были описаны характерные признаки паркинсонизма у пациентов с классической болезнью Гоше (Neudorfer et al., 1996), начинается активное изучение роли гена GBA в патогенезе БП. Среди спорадических больных БП выявлено большое число гетерозиготных носителей патогенетически значимых вариантов гена GBA. Высокая частота таких мутаций у больных БП говорит о том, что наличие мутаций в этом гене может значительно повышать риск развития заболевания. На данный момент имеются данные о более чем 100 различных вариантов гена GBA, ассоциированных с риском развития БП. Причем среди них есть как «мягкие» варианты N370S и R496H, приводящие к незначительному снижению активности фермента и повышающие риск развития БП только в два раза, так и «тяжелые» варианты 84GG, IVS2+1, V394L, D409H, L444P, которые приводят к резкому снижению количества Р-глюкоцереброзидазы (Gan-Or et al., 2008). «Тяжелые» варианты повышают риск развития заболевания более чем в 13 раз и фактически являются патогенетически значимыми мутациями с низкой пенетрантностью (Gan- Or et al., 2008). Анализ больных БП из России выявил две гетерозиготные мутации N370S и L444P в гене GBA с общей частотой встречаемости 2,7% и повышающие риск развития заболевания более чем в шесть раз (Emelyanov et al., 2012).

Ген GBA кодирует Р-глюкоцереброзидазу (GBA) - лизосомальный фермент, катализирующий расщепление глюкозилцерамида до церамида и глюкозы. В исследования in vivo и in vitro было показано, что снижение активности данного фермента приводит к нарушению функционирования лизосом, это приводит к накоплению абнормального а-синуклеина и образованию токсичных олигомеров. В свою очередь а-синуклеиновые олигомеры препятствуют нормальному трафику GBA от эндоплазматического ретикулума к лизосоме, что приводит к усилению лизосомной дисфункции. Таким образом, наблюдается обратная положительная связь между лизосомной дисфункций и накоплением абнормального а-синуклеина. Имеющиеся данные позволяют предполагать, что снижение активности GBA может играть важную роль в развитии процессов нейродегенерации (Swan, Saunders-Pullman, 2013).

3.