Введение

Ген, кодирующий белок у вида Homo sapiens. DSCAM и Dscam – это аббревиатуры для молекулы клеточной адгезии при синдроме Дауна. У человека DSCAM относится к гену, кодирующему одну из нескольких белковых изоформ. Синдром Дауна (СД), вызванный трисомией 21, является наиболее распространенным врожденным дефектом, связанным с интеллектуальными нарушениями. DSCAM играет ключевую роль в развитии СД: он экспрессируется в развивающейся нервной системе, при этом наивысший уровень экспрессии наблюдается в мозге плода. Его избыточная экспрессия в развивающейся центральной нервной системе плода приводит к развитию синдрома Дауна. Гомолог белка Dscam у Drosophila melanogaster имеет 38 016 изоформ, возникающих из четырех вариабельных кластеров экзонов (12, 48, 33 и 2 альтернативных варианта соответственно).

История/открытие

Структура белка DSCAM консервативна, с примерно более чем 20% идентичности аминокислотной последовательности у дейтеростомов и протеростомов. Предполагая наличие предкового гомологичного гена, можно установить, что происхождение гена DSCAM относится к периоду более 600 миллионов лет назад. С тех пор ген DSCAM подвергся дупликации как минимум один раз у позвоночных и насекомых. DSCAM был впервые идентифицирован в ходе попытки охарактеризовать белки, локализованные в области 21q22 человеческой хромосомы, которая известна своей критической ролью в синдроме Дауна. Название «молекула клеточной адгезии при синдроме Дауна» было выбрано по нескольким причинам, включая: 1) местоположение на хромосоме, 2) его уместную (нормальную) экспрессию в развивающейся нервной ткани и 3) его структуру, как Ig-рецептор, родственный другим молекулам клеточной адгезии (CAM).

Ген

Ген DSCAM был идентифицирован в критической области DS. Dscam предположительно является трансмембранным белком и членом суперсемейства иммуноглобулинов (Ig) клеточных адгезионных молекул. Он экспрессируется в развивающейся нервной системе, при этом наивысший уровень экспрессии наблюдается в мозге плода. При сверхэкспрессии этого гена в развивающейся центральной нервной системе плода развивается синдром Дауна. Разнообразные гликопротеины клеточных поверхностей и внеклеточных матриц, условно называемые «молекулами адгезии», играют важную роль в определении клеточных взаимодействий в процессе развития, а также в поддержании и регенерации нервной системы. Другой ген, подобный DSCAM, DSCAML1, локализован на хромосоме в полосе 11q23, в локусе, связанном с синдромом Жиля де ла Туретта и синдромом Якобсена. У членистоногих произошли некоторые интересные изменения в структуре гена DSCAM, где несколько дупликаций экзонов привели к образованию трех крупных тандемных массивов, подвергающихся альтернативному сплайсингу. Этот альтернативный сплайсинг отдельных последовательностей экзонов внутри массива происходит взаимоисключающим и комбинаторным образом, позволяя экспрессию десятков тысяч изоформ Dscam. В геномах членистоногих эти три крупных массива экзонов кодируют N-концевые половины второго и третьего Ig-доменов и полный Ig7-домен. Различные структуры этих изоформ приводят к различиям во взаимодействиях связывания. Кристаллические структуры двух изоформ D. melanogaster (только с первыми четырьмя Ig-доменами), D9.9 и D1.34, демонстрируют значительные различия в их связывающих эпитопах, интерфейсе димеризации и конформациях. Большая часть различий сосредоточена в петле Ig3-домена. Сравнение гомологии между генами и их продуктами имеет основополагающее значение для понимания филогенетических взаимосвязей в ходе эволюции. Помимо тысяч изоформ, которые могут быть получены из одного DSCAM одного вида, DSCAM также демонстрирует широкий спектр гомологии между видами. Ниже приведены гены, мРНК-транскрипты и белки, идентифицированные как гомологи адгезионной молекулы при синдроме Дауна. + ГомологиВидыГенмРНКБелок H. sapiens DSCAM NM_001389.3 NP_001380.2 P. troglodytes DSCAM XM_001171538.1 XP_001171538.1 M. mulatta DSCAM XM_002803124.1 XP_002803170.1 C. lupus DSCAM XM_544893.3 XP_544893.3 B. taurus DSCAM XM_002685111.2 XP_002685157.1 M. musculus Dscam NM_031174.4 NP_112451.1 R. norvegicus Dscam NM_133587.1 NP_598271.1 G. gallus DSCAM XM_416734.3 XP_416734.3 D. rerio dscam NM_001030224.1 NP_001025395.1 D. melanogaster CG42330 NM_001043131.2 NP_001036596.2 A. gambiae AGAP007092 XM_308666.4 XP_308666.4

Функции

Как и многие нейронные рецепторы, белки Dscam выполняют несколько функций, проявляя как отталкивающее, так и притягивающее действие, в зависимости от типа лиганда, с которым они взаимодействуют.

Иммунитет

У беспозвоночных отсутствует иммунная система, основанная на антителах. Вместо этого беспозвоночные полагаются на врожденный иммунитет для элиминации инфекционных агентов. Обнаружение и реагирование на широкий спектр инфекционных возбудителей обеспечивается рецепторами распознавания паттернов (PRR), кодируемыми зародышевой линией, которые идентифицируют различные паттерны, связанные с молекулярными маркерами, для запуска иммунного ответа. Роль Dscam в иммунном ответе мухи была продемонстрирована в эксперименте по подавлению экспрессии DSCAM с помощью РНК-интерференции, в ходе которого было установлено, что он связан с клетками, участвующими в иммунной системе мухи. Dscam играет роль в фагоцитозе у насекомых. Модель сплайсинга гена, сопровождающая фагоцитарную активность, специфична для типа инфекционного патогена. У комаров инактивация Dscam (AgDscam) Anopheles gambiae лишает их способности бороться с плазмодиями. Специфичность механизма распознавания Dscam позволяет комарам этого вида различать инфекцию, вызванную бактериями и Plasmodium, а также между Plasmodium berghei и Plasmodium falciparum.

Регулирование синаптогенеза

Самоизбегание – это механизм, при котором нейронные процессы отталкиваются друг от друга во время арборизации и ветвления аксонов, чтобы избежать фасцикуляции и сгущения. Самоизбегание необходимо для предотвращения обширного перекрытия в паттерне арборизации и облегчения охвата нейронными процессами различных областей нервной системы в процессе развития. DSCAM признан вовлеченным в этот процесс как у позвоночных, так и у беспозвоночных во время нейрогенеза. Анализы клеточной агрегации показывают, что молекулы клеточной адгезии, такие как DSCAM, принадлежащие к суперсемейству иммуноглобулинов, связываются гомофильно и специфически. Эти молекулы также, по-видимому, играют роль в хемоаттракции и отталкивании. Dscam1 дрозофилы может быть одной из молекул, участвующих в противодействии хемоаттракции, зависимой от нетрина, между нейронными процессами на стадии развития нервной системы. Изоформ-специфические свойства связывания Dscam во время гомофильного отталкивания лежат в основе самоизбегания, являющегося важнейшим механизмом развития для равномерного распределения аксональных и дендритных процессов при формировании синаптических полей. Кроме того, DSCAM предположительно играет роль в "мозаичности" (tiling) во время нейрогенеза дрозофилы. Мозаичность – это механизм, при котором процессы клеток с одинаковой функцией работают вместе, создавая нервные пучки в определенной территории и формируя паттерн неперекрывающихся дендритных или аксональных полей. Dscam1 и Dscam2, по-видимому, участвуют в ветвлении аксонов и мозаичности у дрозофилы. Мозаичность возникает, когда гомофильное отталкивание, опосредованное Dscam2, предотвращает перекрытие процессов клеток одного класса, при этом наблюдаются специфичные для типа клеток, взаимоисключающие паттерны экспрессии. Благодаря комбинаторному использованию альтернативных экзонов, гомофильная специфичность связывания Dscam дрозофилы усиливается до десятков тысяч потенциальных гомодимеров. Биохимические анализы (анализы связывания клетка-к-клетке и бусина-к-клетке) показали, что изоформ-специфическая гомодимеризация происходит с замечательной специфичностью связывания. Это демонстрирует, что разнообразие Dscam может приводить к образованию более 18 000 различных гомодимеров. DSCAML1 картируется на 11-ю хромосому в область, делеция которой связана с синдромом делеции 11q, что приводит к нейрокогнитивным дефектам и ряду других дефектов, схожих с наблюдаемыми при синдроме Дауна, включая психомоторную задержку, страбизм, эпикантус, телекантус, верхнюю губу в форме карпа, низко посаженные деформированные уши и пороки сердца. Уровень экспрессии DSCAM повышен более чем на 20% в мозге при синдроме Дауна. Учитывая его роль как потенциального нейронного морфогена и его экспрессию в коре головного и мозжечка с самых ранних стадий их развития, вполне логично предположить, что этот уровень сверхэкспрессии DSCAM может способствовать пре- и постнатальным дефектам при синдроме Дауна, в частности, гипоплазии головного и мозжечка и аномалиям дендритного дерева. Кроме того, роль сверхэкспрессии DSCAM в возникновении дефектов корковой ламинации, наблюдаемых при синдроме Дауна, подтверждается тем фактом, что нарушения в других генах, экспрессируемых клетками Кахаля-Рециуса, таких как Reelin и LIS1, вызывают серьезные дефекты миграции нейробластов и корковой ламинации. Исследование врожденных пороков сердца (ВПС) изучало полигенное действие DSCAM в сочетании с другими генами. В нормальных физиологических условиях DSCAM и COL6A2 совместно опосредуют адгезию клетки к матриксу у дрозофилы. Однако сверхэкспрессия DSCAM и COL6A2 в сердце дрозофилы и мыши привела к высокой смертности, а также к нескольким серьезным порокам сердца, включая дефекты межпредсердной перегородки и гипертрофию сердца. Взаимодействие между DSCAM и COL6A2 и их комбинированные эффекты также наблюдались в линии кардиомиоцитов H9c2 с увеличением частоты сердечной гипертрофии. Хотя другие комбинации генов были проверены для оценки полигенного эффекта на сердечные заболевания, пара DSCAM–COL6A2 оказалась причиной наиболее серьезного неблагоприятного эффекта у дрозофилы. Перенос этих результатов на случаи пороков сердца у пациентов с синдромом Дауна требует дальнейшего изучения из-за видоспецифических различий в уровне экспрессии генов. Тем не менее, вывод о том, что DSCAM оказывает синергетическое воздействие на прогрессирование сердечных заболеваний при нарушенном уровне экспрессии, позволяет проводить дальнейшие исследования его роли в других серьезных заболеваниях.