Все началось с одного молодого пациента; 7-летний мальчик, рожденный без вилочковой железы, важного органа иммунной системы, и без функциональных иммунных клеток. У мальчика также были сердечные и скелетные дефекты, дисморфические черепно-лицевые особенности и некоторые признаки аутичного поведения.
"Его врачи считали, что у него много черт, которые обычно наблюдаются у детей с 22q11.Синдром 2-хромосомной делеции," сказал автор-корреспондент этой работы д-р. Шинья Ямамото, доцент кафедры молекулярной генетики и генетики человека Медицинского колледжа Бейлора и исследователь Неврологического научно-исследовательского института Яна и Дэна Дунканов Детской больницы Техаса.
Интересно, что его сестра и мать также имели похожие дефекты, но в более легкой форме. Удивительно, но ни у кого из них не было 22q11.2-хромосомная делеция, связанная с этим синдромом или имеющая изменения в гене TBX1, который расположен внутри этой делеции.
"Это вдохновило исследователей из Университета Дьюка, доктора. Вандана Шаши и доктор. Лорен Пена и генетический консультант Келли Шоч, которые являются частью Сети недиагностированных заболеваний, проведут анализ секвенирования всего генома в этой семье," Ямамото сказал.
Эти тесты выявили наличие редкого миссенс-варианта – p.R20Q – в гене TBX2 у всех трех затронутых членов семьи. Чтобы идентифицировать дополнительных пациентов с редкими вариантами этого гена, команда использовала GeneMatcher, веб-сайт, разработанный Центрами менделевской геномики для связи врачей и исследователей, которые разделяют интерес к одному и тому же гену.
GeneMatcher позволил идентифицировать четвертого пациента, которого осмотрели врачи Детской больницы Кука в Форт-Уэрте, штат Техас. Этот пациент имел многие из тех же клинических особенностей, что и у первоначального пациента, но имел другой миссенс-вариант – p.R305H – в гене TBX2. TBX2 принадлежит к семейству T-боксов генов эволюционно законсервированных факторов транскрипции, которые играют решающую роль в эмбриональном развитии сердца, конечностей, пальцев и областей мозга. Изменения в 12 из 17 членов этого семейства генов были идентифицированы как причины различных синдромов многоорганного развития в прошлом.
Дальнейший анализ, проведенный докторантами д-ром. Нин Лю и доктор. Кси Луо из Медицинского колледжа Бейлора показал, что у пациентов с генетическими вариантами TBX2 снижен уровень белков TBX2. Меньшее количество белка привело к снижению способности белков выполнять свои функции, то есть подавлять экспрессию других генов.
Хотя предыдущие исследования показали, что ген TBX2 играет важную роль в развитии мышей, а хромосомные делеции и дупликации с участием гена TBX2 человека были связаны с сердечными и скелетными дефектами человека, прямой связи между патогенными мутациями в TBX2 и синдромом Менделя не обнаружено. был описан ранее.
"Живая пробирка"
"Определение функциональных последствий миссенс-мутаций, подобных этим, – мутаций, изменяющих одну аминокислоту в белке, – по-прежнему очень сложно, даже с помощью различных инструментов биоинформатики," сказал Ямамото.
Вот откуда появилась плодовая муха. Чтобы дополнительно оценить биологическое значение мутаций TBX2 в сложных сигнальных путях у интактного животного, исследователи разработали и провели несколько анализов на плодовых мушках в лабораториях Dr. Ямамото, доктор. Майкл Ванглер и доктор. Хьюго Беллен, курирующий скрининговый центр модельных организмов UDN, расположенный в Бейлоре.
"Мы использовали плодовых мушек в качестве «живых пробирок», в которых мы тестировали влияние вариаций гена TBX2 на различные биологические процессы и пути," Ямамото сказал.
Обычно исследователи изучают генетические основы заболевания на моделях мышей или других животных, вводя в модели генные мутации, имитирующие ключевые характеристики изучаемого состояния человека. Однако бывают случаи, когда болезни человека трудно воспроизвести на животных моделях, но в этих случаях лабораторная плодовая муха дает возможность быстро предоставить функциональную информацию о редких и потенциально вызывающих болезни мутациях. Исследователи подошли к загадке гена TBX2, работая как с клетками в лаборатории, так и с плодовыми мушками, проводя морфологические и функциональные анализы, которые, похоже, не связаны с состоянием пациентов. Эти исследования выявили связь между врожденными пороками сердца, аномалиями скелета, иммунными и эндокринными дефектами у пациентов и частичной потерей функции белка TBX2.
"Кровеносная и иммунная системы человека и мух структурно различаются, а у мух нет эндоскелетной системы. Поэтому в этом исследовании вместо использования плодовых мушек для моделирования симптомов, обнаруживаемых у пациентов, мы использовали мух в качестве инструмента быстрой диагностики, чтобы проверить, имеют ли функциональные различия в TBX2, которые мы обнаружили в клетках в лаборатории, биологическое значение у живых животных," сказал Ямамото. "Эквивалент гена TBX2 человека у плодовой мушки, называемый бифидом, важен для правильного развития мухи, особенно для зрительной и нервной систем. Мы использовали развитие и функцию сетчатки глаз взрослых плодовых мушек в качестве считывания активности гена TBX2."
В соответствии с результатами экспериментов на клетках, эксперименты с плодовыми мушками показали, что генетические варианты TBX2 у пациентов умеренно влияют на развитие глаз, функцию сетчатки и продолжительность жизни мух, что однозначно указывает на патогенный потенциал этих вариантов.
"Это исследование дает представление о том, как плодовые мушки можно использовать в качестве инструмента быстрого скрининга для выявления потенциально патогенных генов человека," Ямамото сказал.
Прочтите все подробности об этой работе, а также полный список участников и их членство в журнале Human Molecular Genetics.