لگو سایت تریتاژن

سندرم کروموزوم X شکننده (Fragile X syndrome)

سندرم کروموزوم X شکننده (Fragile X syndrome)

بیماری ژنتیکی سندرم X شکننده (Fragile X syndrome) که با نام سندرم مارتین-بل (Martin-Bell syndrome) نیز شناخته می شود، برای اولین بار در سال 1943 توسط مارتین و بل به عنوان نوعی ناتوانی ذهنی (intellectual disability) یا ID با الگوی توارث وابسته به X توصیف شد. شایع ترین علت ارثی ناتوانی ذهنی خفیف تا شدید و همچنین اصلی ترین علت تک ژنی اختلال طیف اوتیسم (ASD) است. حدود نیمی از موارد مبتلا به این سندرم ناتوانی ذهنی مرتبط با X را بروز می دهند و شایع ترین علت اختلال ذهنی پس از تریزومی 21 می باشد.

افراد مبتلا از طیفی از مشکلات رفتاری، شناختی، عصبی و جسمی رنج می برند. فنوتیپ ‏های این اختلال شامل نقص توجه و بیش فعالی (ADHD)، اوتیسم (ASD)، بی تفاوتی و اختلال در خواب می باشد. این بیماران در معرض خطر بیشتری نسبت به اضطراب اجتماعی، گوشه گیری، ناهنجاری در ارتباط، پاسخ های غیر معمول به محرک های حسی، خود آزاری، بیش فعالی و پرخاشگری قرار دارند.

 

 

علائم سندرم X شکننده

اغلب نوزادان مبتلا به سندرم X شکننده در زمان تولد هیچ نوع علائم بالینی را بروز نمی دهند و اغلب ویژگی های فیزیکی (مانند قد، وزن و دور سر) در محدوده طبیعی قرار دارند. در اوایل دوران کودکی، ویژگی های جسمی و رشد فرد مبتلا مانند تاخیر در رشد، صافی کف پا، کشیدگی صورت برجستگی گوش ها آشکار می گردد. یکی از مشکلات در زمینه تشخیص سندرم X شکننده، تاخیر در بروز علائم بالینی تا اواخر دوران کودکی است که باعث شده خانواده ها متوجه نشانه های غیر طبیعی در کودک خود نگردند و مراجعه به پزشک با تاخیر باشد.

ماکروارکیدیسم (بزرگی بیضه ها) در دوران بلوغ از دیگر ویژگی های مردان مبتلا به سندرم X شکننده می باشد. تخمین زده شده است که حدود 30 تا 60 درصد از افراد مبتلا به سندرم X شکننده مبتلا به بیماری اوتیسم می باشند. در مردان اگر جهش به صورت کامل رخ داده باشد، نفوذ کامل را نشان داده و احتمالا علائم بیماری را نیز بروز خواهند داد. در حالی که در زنان با وجود داشتن جهش کامل، نفوذ حدود 50% خواهد بود و شدت علائم بالینی بین خفیف تا شدید می باشد. به طور کلی، برخی نشانه ها و تظاهرات بالینی در افراد مبتلا به سندرم X شکننده متداول می باشد که برخی از آنها عبارتند از:

  • برجسته بودن پیشانی
  • گوش های برجسته با غضروف نرم
  • شلوغی دندان ها (dental crowding)
  • کام با یک قوس بلند
  • انحراف چشم یا استرابیسم (Strabismus)
  • کاهش تون عضلانی یا هیپوتونی (Hypotonia)
  • تشنج (Seizures)
  • پس پلانوس یا صافی کف پا (pes planus)
  • وجود شکاف های بلند در کف دست ها
  • اختلالات گفتاری
  • فتق اینگوینال (Inguinal hernia) یا برجستگی در نواحی شکمی و بالای کشاله ران

 

نرخ شیوع سندرم X شکننده

نرخ بروز این بیماری در مردان حدود 1 مورد در هر 4000 تولد و در زنان 1 مورد در هر 8000 تولد می باشد. تخمین زده شده که بیش 1 مورد از 130 تا 250 خانم، ناقل این بیماری هستند اما تعداد مردان ناقل حدود 1 نفر در هر 250 تا 800 نفر می باشد. به طور کلی، تعداد افراد ناقل در جمعیت های مختلف متفاوت می باشد.

 

 

نام های دیگر سندرم X شکننده

  • X-linked mental retardation and macroorchidism
  • Marker X syndrome
  • FRAXA syndrome
  • Fra(X) syndrome
  • Martin-Bell syndrome
  • FXS

 

 

علت بروز سندرم X شکننده و الگوی توارث آن

علت اصلی بروز سندروم X شکننده، جهش در ژن fragile X mental retardation gene 1 (FMR1) با موقعیت کروموزومی Xq27.3 می باشد. در 99% موارد جهش مرتبط با این بیماری بسط و افزایش تعداد تکرار های سه نوکلئوتیدی CGG (جهش های دینامیک) در ناحیه 5’UTR در ژن FMR1 است که منجر به متیلاسیون و خاموشی ژن و متعاقبا فقدان محصول پروتئینی FMRP می گردد. FMRP عملکردهای مختلفی دارد که بسیاری از آنها برای رشد و عملکرد عصبی حیاتی هستند. ناحیه حاوی تکرار های سه نوکلئوتیدی CGG در FMR1 بسیار پلی مورف بوده و به 4 گروه آللی مختلف طبقه بندی می گردد که عبارتند از:

  • آلل های طبیعی که دارای 6 الی 44 تکرار هستند اما رایج ترین آلل های نرمال در جمعیت اغلب دارای 29 و 30 تکرار در ژن FMR1 خود می باشند.
  • آلل های حد واسط با 45 الی 54 تکرار
  • در صورتی که تعداد تکرارهای CGG بین 55 تا 200 عدد باشد، کلاس دیگری از آلل ها به نام آلل های پیش موتاسیون ( permutated alleles) یا به اختصار PM تعریف می گردد. این دسته از آلل های PM در معرض خطر بالایی برای تبدیل به FM از طریق گسترش بروز خطا در میوز مادری هستند. آلل های PM معمولا دچار افزایش بیان شده و منجر به اختلالات وابسته ای نظیر fragile X-associated tremor and ataxia syndrome (FXTAS) و fragile X-associated primary ovarian insufficiency (FXPOI) می شوند. برعکس، آلل های FM به طور معمول متیله شده و خاموش می شوند که این امر منجر به فقدان پروتئین FMRP می گردد.
  • در حالت جهش کامل (full mutation) یا به اختصار FM، تعداد تکرار ها بیش از 200 عدد است که با متیلاسیون سیتوزین در توالی های تکراری CGG و CpG Island در ناحیه بالادست پروموتر همراه می باشد. این تغییرات اپی ژنتیکی اغلب با مدیفیکاسیون هیستون ها که ناسازگار با رونویسی هستند، رخ داده و در نتیجه مانع ترجمه پروتئین FMRP خواهند شد.

ساختار ژن FMR1

ژن FMR1 دارای 17 عدد اگزون است و یک ناحیه 38 kb را پوشش می دهد. m.RNA تولید شده توسط این ژن حدود 4.4 kb طول دارد و 12 ایزوفرم مختلف از پروتئین FMRP را به وسیله پیرایش متناوب (Alternative splicing) تولید می کند. وزن ملکولی پروتئین ها بین 70 تا 80 کیلودالتون می باشد. ساختار کلی ژن FMR1 شامل3′ to  5′ upstream methylated region  ، ناحیه پروموتری، تکرارهای CGG و ناحیه کدکننده است. در حالت نرمال مرز ناحیه متیله حدود 650 تا 800 نوکلئوتید در ناحیه بالادست توالی CGG قرار دارد که در آلل های سندرم X شکننده این مرز دیگر قابل مشاهده نیست.

منطقه مرزی متیلاسیون حاوی جایگاه های اتصال برای پروتئین‌ های هسته ‌ای مختلف، از جمله CTCF (CCCTC-Binding Factor)، یک تنظیم‌کننده رونویسی احتمالی برای این مکان است. این اتصال احتمالاً از گسترش متیلاسیون به سمت ناحیه پروموتری ژن FMR1 جلوگیری می کند. پروتئین CTCF اخیراً به عنوان یک تنظیم کننده احتمالی بیان FMR1 در نظر گرفته شده است که احتمالاً رونویسی آن را از طریق تشکیل حلقه کروماتین تعدیل می کند.

پروموتر این ژن دارای حدودا 56 عدد CpG island و سه عدد توالی شبه آغازگر (initiator-liked sequence) یا به اختصار InR می باشد که تقریبا 130 نوکلئوتید بالادست توالی CGG واقع شده است. رونویسی از یکی از این سه ناحیه آغاز شده و اندازه تکرار CGG ممکن است به عنوان تقویت کننده/ تعدیل کننده رونویسی پایین دست (downstream enhancer/modulator transcription) عمل کند. زمانی که تعداد تکرارهای CGG افزایش می یابد، شروع رونویسی از نواحی بالاتر آغاز خواهد شد. تکرار های پلی مورفیک CGG در ناحیه 5′ UTR اگزون 1 قرار گرفته اند. نتایج مطالعات مختلف نشان داده اند که بین هر 9 الی 10 عدد توالی سه نوکلئوتیدی CGG، یک ی دو عدد توالی AGG قرار دارد. وجود این توالی ها باعث پایدار نگه داشتن CGG در حین همانند سازی DNA شده و خطر تبدیل PM به FM را کاهش می دهد.

 

 

جهش های دینامیک گسترش تکرار های سه نوکلئوتیدی جز جهش های از دست دادن عملکردی (loss of function) به شمار می روند. تعداد تکرارهای CGG با گذشت زمان و در نسل های مختلف افزایش می یابد. این امر منجر به بالارفتن تعداد مبتلایان شده و این پدیده پارادوکس شرمن (Sherman paradox) نامیده می شود.

 

 

پروتئین FMRP

FMRP یک پروتئین متصل شونده به RNA است که با داشتن نقش مرکزی در رشد مغز، به ریبوزوم ها متصل می شود. این پروتئین ترجمه RNA های پیام رسان خاص (mRNA ها) را که در تشکیل سیناپس های عصبی دخیل هستند، را نیز تنظیم می کند. بنابراین محصول ژن FMR1 نقش مهمی در بلوغ، انعطاف پذیری و عملکرد سیناپس ها ایفا می کند. در 1% موارد عامل بروز سندرم X شکننده حذف ها، جهش های نقطه ای و سایر جهش ها در FMR1 هستند. از دیگر نقش های پروتئین FMRP در سلول می توان به تنظیم نقل و انتقالات درون سلولی اشاره کرد.

در ساختار FMRP یک NLS (Nuclear localization signal) و یک سیگنال NES (Nuclear Export signal) وجود دارد که جهت خروج از هسته به سیتوپلاسم و بلعکس مورد استفاده قرار می گیرد. بخشی از پروتئین که درون هسته باقی می ماند تنها حدود 4% می باشد. پروتئین FMRP می تواند ساختار همودایمر تشکیل دهد و با چندین پروتئین سیتوپلاسمی و هسته ای که در متابولیسم mRNA دخیلند (مانند RNAi و RNA editing) برهمکنش داشته باشد. FMRP همچنین نقش مهمی در بازسازی اسکلت سلولی از طریق نواحی N-ترمینال و مرکزی خود ایفا می کند. عملکرد و برهمکنش های این پروتئین از طریق تغییرات پس از ترجمه مانند فسفریلاسیون آمینواسیدهای 483 و 521 تعدیل می گردد.

 

 

تشخیص سندرم X شکننده

از زمان کشف ژن FMR1 در سال 1991 تا کنون پیشرفت های زیادی در زمینه تشخیص اختلال FXS صورت گرفته است. تا پیش از کشف این ژن، تشخیص بیماری از طریق کشت سلول و آنالیز های سیتوژنتیکی جهت مشاهده ناحیه شکننده کروموزوم x انجام می شد. از آنجایی که ناحیه شکننده فقط در درصد کمی از سلول‌ ها قابل مشاهده است، با استفاده از این روش اغلب افراد مبتلا به خصوص زنان قابل تشخیص نبودند. به همین دلیل تمرکز محققان این حوزه در صد سال گذشته، یافتن و توسعه روش های دقیق تر، حساس تر و مبتنی بر تکنیک های مولکولی و بر پایه PCR برای تشخیص FXS بوده است.

امروزه تشخیص FXS عمدتا بر پایه اندازه گیری تکرارهای CGG و بررسی حالت متیلاسیون ژن FMR1 با استفاده از تکنیک های مولکولی مبتنی برfluorescent PCR  می باشد. اساس کار این دسته از تکنیک ها استفاده  از پرایمر ها و پروب های نشان دار می باشد. Real-Time PCR و GF-PCR از جمله تکنیک های Fluorescent PCR هستند که امروزه در زمینه تشخیص بیماری ها کاربرد فراوانی دارند.

به طور کلی، روش های استاندارد طلایی تشخیص FXS شامل استفاده از یک روش PCR ترکیبی برای تشخیص میزان تکرارهای  CGG و آنالیز  southern blot برای بررسی آلل های بزرگتر و تعیین حالت متیلاسیون می باشد. روش Southern blot زمانبر و پرهزینه بوده و نسبت به PCR به مقدار زیاد DNA ژنومی نیاز دارد. اما این تکنیک توانایی تشخیص آلل های بزرگ که تشخیص آن ها با PCR  مشکل است را دارد و همچنین از حالت متیلاسیون آلل مورد بررسی اطلاعاتی فراهم می کند.

با استفاده از PCR معمولی، به دلیل مشکل بودن واسرشتگی ساختار دوم DNA در نواحی غنی از CG امکان تشخیص تکرار های CGG وجود ندارد. از این رو، PCR معمولی فقط برای تشخیص آلل های نرمال تا pre mutation قابل استفاده می باشد. برای غلبه به این محدودیت، از روش های PCR ترکیبی یعنی ترکیب آنزیم پلیمراز با محلول هایی مثل DMSO و بتائین توسعه یافته است.

یکی از این روش های ترکیبی Expand Long Template PCR است که توانایی تشخیص تکرارهای CGG از حالت نرمال تا full mutation و آلل های بسیار بزرگ FMR1 را دارد. با این حال با استفاده از این روش ها امکان تشخیص هموزیگوت بودن در زنان وجود ندارد. برای رفع این محدودیت استفاده از روش hybrid PCR primer معرفی شد که بعدها به صورت روش triplet repeat-primed PCR (TR-PCR) توسعه یافت. در روش TR-PCR از سه نوع پرایمر استفاده می شود که جایگاه اتصال دو پرایمر توالی های خارج از تکرارهای CGG است و جایگاه اتصال پرایمر دیگر درون نواحی CGG قرار دارد. واکنش تکثیر همزمان انجام می گردد و نتایج با استفاده از تکنیک کپیلاری الکتروفورز مشاهده خواهند شد. این روش قابلیت تشخیص تعداد تکرارها در آلل های نرمال تا full mutation  را دارد.

اگرچه روش های تشخیص میزان تکرار های CGG مبتنی بر PCR توانایی تکثیر آلل های full mutation را دارند اما نمی توانند عامل اپی ژنتیکی اختلال FXS یعنی حالت متیلاسیون ژن FMR1 را تشخیص دهند. برای این هدف روش های Methylation- specific PCR  طراحی شده است. یکی از این روش ها ایجاد تغییرات بی سولفیت در نوکلئوتید های CGG و تبدیل سیتوزین متیله نشده به یوراسیل می باشد. در این روش سیتوزین های متیله شده نسبت به تغییرات مقاوم هستند. تکثیر و توالی یابی DNA تغییر یافته اطلاعاتی از حالت متیلاسیون به دست می دهد. تخریب ساختار DNA به دلیل تغییرات بی سولفیت از محدودیت های این روش است؛ با این حال این روش در تشخیص FXS و آنالیز متیلاسیون ژن مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی دیگر از این نوع روش ها استفاده از آنزیم های محدود کننده حساس به متیلاسیون و تکثیر و بررسی با استفاده از کپیلاری الکتروفورز است. در افرادی که نشانه های بالینی بیماری را دارند ولی تست های اندازه گیری CGG در آن ها منفی است روش هایی مانند توالی یابی و یا multiplex ligation-dependent probe amplification (MLPA) می تواند کمک کننده باشد. البته این روش ها برای تشخیص FXS در مردان قابل استفاده است و در زنان تعیین درصد کروموزوم X غیر فعال، که در فنوتیپ موثر است، ضروری می باشد.

بر اساس تعداد تکرارهای CGG، بعضی از آلل های متیله نشده ممکن است FMRP تولید کنند که منجر به خفیف شدن نشانه های بیماری می شود. همچنین آللهای FM متیله نشده می توانند نسخههای FMR1 mRNA تولید کنند که می تواند باعث ایجاد سمیت در افراد ناقل شود. بر همین اساس یکی از راه های تشخیصی FXS اندازه گیری کمی میزان رونوشت هایFMR1 و پروتئین های FMRP است. برای این هدف تکنیک Quantitative reverse transcription PCR به طور گسترده استفاده می شود.

در سال ‌های اخیر، توسعه روش های حساس و با وضوح بالا برای بررسی مولکولی آلل‌ های FMR1، ارزیابی میزان متیلاسیون FMR1 را آسان ‌تر از همیشه کرده است. همچنین روش های کمی سازی رونوشت FMR1 و پروتئین FMRP نیز به طور قابل توجهی بهبود یافته است. این موارد مزایای بالینی مفیدی در تشخیص اختلال Fragile X داشته و می تواند به بهینه سازی طبقه بندی بیماران برای آزمایشات بالینی کمک کند.

 

 

 

درمان سندرم X شکننده

در دهه گذشته مطالعات گسترده ای بر توسعه درمان بیماری سندرم X شکننده انجام شده که برخی از آنها می توانند در آینده به عنوان روش درمان این بیماری مطرح شوند اما تا کنون یک روش درمان قطعی برای این بیماری ارائه نشده است. به طور کلی، روش های درمان FXS به دو گروه مختلف طبقه بندی می شوند که عبارتند از:

  • فعال سازی مجدد ژن آسیب دیده
  • جبران کردن کمبود پروتئین FMRP

 

تعدیل کننده های اپی ژنتیک (Epigenetic Modulator)

استراتژی بازگرداندن فعالیت ژن FMR1، که مبتنی بر حضور توالی کد کننده این ژن است، تغییرات اپی ژنتیک برگشت پذیر بالقوه مانند متیلاسیون DNA را هدف قرار می دهد. اولین ترکیبی که روی سلول های مشتق شده از بیماران مبتلا به FXS آزمایش شد، داروی 5-aza-deoxycytidine (یا به اختصار 5-azadC که یک مهار کننده متیل ترانسفراز است) بود که در بازسازی رونویسی و ترجمه ژن FMR1 نقش داشت. نتایج مطالعات مختلف نشان داده است که استفاده از مهارکننده هیستون داستیلاز (TSA، بوتیرات و 4-فنیل بوتیرات)  تاثیر داروی azadC-5 را افزایش می دهد. فعال سازی مجدد نه تنها از طریق دمتیلاسیون DNA بلکه با ایجاد تغییرات در کد اپی ژنتیک هیستون های H3 و H4 نیز قابل انجام می باشد. نتیجه این تغییرات این بود که آلل FM متیله شده شبیه به آلل فعال UFM گردید.

در ابتدا تصور بر این بود که داروی azadC-5 به طور اختصاصی بر ژن FMR1 تاثیر می گذارد اما مشخص شد بر سایر ژن های متیله نیز موثر است و باعث بروز تغییراتی می گردد. علاوه بر این، به دلیل اینکه azadC-5 در القای آپوپتوز دخیل است نمی توان آن را به راحتی در درمان سندرم X شکننده مورد استفاده قرار داد.

استیل ال کارنیتین (Nicetile، یک ترکیب طبیعی بهبود بخش متابولیسم سلولی)، که نشان داده شده است که بیان سیتوژنتیک محل X شکننده را در لنفوسیت های کشت شده از بیمار مهار می کند. نتایج مطالعات بالینی مختلف نشان داد که بیماران در زمینه بیش فعالی (hyperactivity) و رفتارهای انطباقی (adaptive behavior) بهبود قابل توجهی را نشان دادند. با این حال، حالت متیلاسیون FMR1 تغییر نکرد و بیان ژن افزایش نیافت. از دیگر ترکیبات آزمایش شده در درمان بیماری سندرم X شکننده می توان به والپروئیک اشاره کرد. این دارو قبلاً به عنوان یک فعال کننده مجدد ژن های خاموش شناخته میشد که یک فعال کننده ضعیف FM است.

 

سیستم GABAergic

در بیماران مبتلا به سندرم X شکننده، سیستم رسپتور GABA دچار کاهش بیان (downregulation) می گردد که تا حدی به دلیل بی ثباتی mRNA های کد کننده زیر واحدهای گیرنده GABA می باشد. این امر منجر به بروز اختلال در انتقال GABAergic در مناطق مختلفی از مغز مانند amygdala، جسم مخطط (Striatum) و قشر مغز (cerebral cortex) خواهد شد که در نهایت ناهنجاری های رفتاری مرتبط با بیماری FXS مشاهده می شود. برخی داروها مانند Acamprosate سیستم GABAergic را تحت تاثیر قرار می دهند. این دارو قادر است NMDA-R را مسدود کرده و GABAA-R را فعال نماید.

 

هدف قرار دادن اهداف پائین دست FMRP

از دیگر روش های درمان سندرم X شکننده می توان به تنظیم سطح تولید پروتئین هایی که در این بیماری دچار سنتز نامنظم شده اند، اشاره کرد. یکی از این پروتئین ها، آنزیم گلیکوژن سنتاز کیناز 3β (GSK-3β) مرتبط با سیگنال دهی mGluR1 است که در افراد مبتلا به FXS دچار افزایش بیان می گردد. نتایج مطالعات مختلف نشان می دهند که میزان تولید این آنزیم با استفاده از لیتیوم کاهش می یابد.

به طور کلی، توسعه مداوم روش های درمانی جدید و هدفمند به منظور تقویت ارتباطات سیناپسی و بهبود کیفیت بیماران در حال انجام است. از سوی دیگر، استفاده از سلول های بنیادی پرتوان القایی در بحث درمان سندرم X شکننده در مدل های حیوانی یکی از روش های درمانی نوین است که ممکن است در آینده در درمان و بهبود علائم مبتلایان به این نوع اختلال ژنتیکی مورد استفاده قرار گیرد.

 

منابع علمی

https://www.mdpi.com/2073-4425/7/8/49

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5395755

https://www.nature.com/articles/nrdp201765

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4995426

https://www.jci.org/articles/view/63141

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpsyt.2021.722378/full

https://jneurodevdisorders.biomedcentral.com/articles/10.1186/s11689-020-09310-9

https://www.statpearls.com/ArticleLibrary/viewarticle/21954

https://www.mdpi.com/1422-0067/23/4/1935

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3533539

https://www.aafp.org/pubs/afp/issues/2005/0701/p111.html