Фактор связывания GATA 1 или GATA-1 (также называемый эритроидным фактором транскрипции ) является основателем семейства факторов транскрипции GATA . Этот белок широко экспрессируется у всех видов позвоночных. У людей и мышей он кодируется генами GATA1 и Gata1 соответственно. Эти гены расположены на Х-хромосоме у обоих видов. [5] [6]
GATA1 регулирует экспрессию (т. е. образование продуктов генов) ансамбля генов, которые опосредуют развитие эритроцитов и тромбоцитов. Его важнейшие роли в формировании эритроцитов включают содействие созреванию клеток-предшественников, например, эритробластов , в эритроциты и стимуляцию этих клеток к построению их цитоскелета и биосинтезу их компонентов, переносящих кислород, а именно, гемоглобина и гема . GATA1 играет аналогичную важную роль в созревании тромбоцитов из мегакариобластов , промегакариоцитов и мегакариоцитов ; последние клетки затем сбрасывают в кровь заключенные в мембрану фрагменты своей цитоплазмы, т. е. тромбоциты. [5] [7]
Вследствие жизненно важной роли, которую GATA1 играет в правильном созревании эритроцитов и тромбоцитов, инактивирующие мутации в гене GATA1 (т. е. мутации, которые приводят к отсутствию, снижению уровня или менее активному GATA1) вызывают анемические и/или кровотечения, связанные с Х-хромосомой, из-за снижения образования и функциональности эритроцитов и/или тромбоцитов, соответственно, или, при определенных обстоятельствах, патологической пролиферации мегакариобластов. Эти заболевания включают транзиторное миелопролиферативное расстройство, возникающее при синдроме Дауна, острый мегакариобластный лейкоз, возникающий при синдроме Дауна , анемию Даймонда-Блэкфана и различные комбинированные синдромы анемии и тромбоцитопении , включая расстройство типа синдрома серых тромбоцитов . [8] [9] [10]
Снижение уровня GATA1 из-за снижения трансляции мРНК GATA1 в продукт ее транскрипционного фактора связано с содействием прогрессированию миелофиброза , то есть злокачественного заболевания, которое включает замещение клеток костного мозга фиброзной тканью и экстрамедуллярный гемопоэз , то есть распространение клеток, образующих клетки крови, за пределы костного мозга . [11] [12]
Ген GATA1 человека расположен на коротком (т. е. «p») плече Х-хромосомы в позиции 11.23. Он имеет длину 7,74 килобаз , состоит из 6 экзонов и кодирует полноразмерный белок GATA1 из 414 аминокислот , а также более короткий, GATA1-S. В GATA1-S отсутствуют первые 83 аминокислоты GATA1, поэтому он состоит только из 331 аминокислоты. [13] [14] [15] GATA1 кодирует два структурных мотива цинковых пальцев , C-ZnF и N-ZnF, которые присутствуют как в белках GATA1, так и в белках GATA1-S. Эти мотивы имеют решающее значение для регулирующих гены действий обоих факторов транскрипции. N-ZnF является частым местом мутаций, вызывающих заболевания. Из-за отсутствия первых 83 аминокислот и, следовательно, одного из двух доменов активации GATA1, GATA1-S обладает значительно меньшей активностью в регуляции генов, чем GATA1. [8] [15]
Исследования на мышах с нокаутом Gata1 , т. е. мышах, у которых отсутствует ген Gata1 , показывают, что этот ген необходим для развития и поддержания гематологических клеток крови и/или тканей, в частности эритроцитов и тромбоцитов , а также эозинофилов , базофилов , тучных клеток и дендритных клеток . Нокаутированные мыши умирают на 11,5 день своего эмбрионального развития из-за тяжелой анемии, связанной с отсутствием клеток линии эритроцитов, чрезмерным количеством деформированных клеток-предшественников тромбоцитов и отсутствием тромбоцитов . Эти дефекты отражают важную роль Gata-1 в стимуляции развития, самообновления и/или созревания эритроцитов и клеток-предшественников тромбоцитов . Исследования с использованием мышей, у которых во взрослом возрасте был ликвидирован ген Gata1 , показывают, что: 1) Gata1 необходим для стимуляции эритропоэза (т.е. увеличения образования эритроцитов) в ответ на стресс и 2) у взрослых мышей с дефицитом Gata1 неизменно развивается форма миелофиброза . [16] [17]
В обоих GATA1 и GATA1-S C-ZnF (т. е. цинковый палец C-конца ) связывается с участками ДНК-специфических последовательностей нуклеиновых кислот , а именно (T/A(GATA)A/G), на участках регуляции экспрессии его целевых генов и тем самым либо стимулирует, либо подавляет экспрессию этих целевых генов. Их N-ZnF (т. е. цинковые пальцы N-конца ) взаимодействует с основным ядерным белком, регулирующим транскрипционный фактор, FOG1 . FOG1 мощно стимулирует или подавляет действия, которые два фактора транскрипции оказывают на большинство своих целевых генов. Подобно нокауту Gata1 , нокаутирование гена мыши для FOG1, Zfpm1 , вызывает полную остановку развития эритроцитов и эмбриональную летальность к 11,5 дню. Основываясь, прежде всего, на исследованиях на мышах, предполагается, что комплекс GATA1-FOG1 стимулирует эритропоэз у человека путем привлечения и связывания по крайней мере с двумя комплексами, регулирующими экспрессию генов, комплексом Mi-2/NuRD ( ремоделер хроматина ) и CTBP1 ( деацетилаза гистонов ), а также тремя белками, регулирующими экспрессию генов, SET8 (ингибитор метилтрансферазы гистонов GATA1 ), BRG1 ( активатор транскрипции ) и Mediator ( коактиватор транскрипции ). Другие взаимодействия включают взаимодействия с: BRD3 (ремоделирует ДНК- нуклеосомы ), [18] [19] [20] BRD4 (связывает ацетилированные остатки лизина в ДНК-ассоциированном гистоне для регулирования доступности генов), [18] FLI1 (транскрипционный фактор, который блокирует эритроидную дифференцировку), [21] [22] HDAC1 ( гистондеацетилаза ), [23] LMO2 (регулятор развития эритроцитов), [24] ZBTB16 (транскрипционный фактор, регулирующий прогрессию клеточного цикла ), [25] TAL1 (транскрипционный фактор), [26] FOG2 (регулятор транскрипционного фактора), [27] и GATA2 (вытеснение GATA2 GATA1, т. е. «переключение GATA», в определенных участках регуляции генов имеет решающее значение для развития красной крови у мышей и, предположительно, у людей). [17] [28] [29] Взаимодействия GATA1-FOG1 и GATA2-FOG1 имеют решающее значение для образования тромбоцитов у мышей и могут иметь решающее значение для этого у людей. [17]
Другие типы мутаций GATA2 вызывают сверхэкспрессию фактора транскрипции GATA2. Эта сверхэкспрессия связана с развитием несемейного ОМЛ. По-видимому, уровень экспрессии гена GATA2 должен быть тонко сбалансирован между дефицитом и избытком, чтобы избежать опасного для жизни заболевания. [30]
GATA1 был впервые описан как фактор транскрипции, который активирует ген гемоглобина B в предшественниках эритроцитов кур. [31] Последующие исследования на мышах и изолированных человеческих клетках показали, что GATA1 стимулирует экспрессию генов, которые способствуют созреванию клеток-предшественников (например, эритробластов ) в эритроциты, одновременно подавляя гены, которые заставляют эти предшественники пролиферировать и, таким образом, самообновляться . [32] [33] GATA1 стимулирует это созревание, например, индуцируя экспрессию генов в эритроидных клетках, которые способствуют формированию их цитоскелета и которые производят ферменты, необходимые для биосинтеза гемоглобинов и гема , переносящих кислород компонентов эритроцитов. Мутации, инактивирующие GATA1, могут, таким образом, приводить к неспособности производить достаточное количество и/или полностью функциональные эритроциты. [5] Также на основе исследований мышей и изолированных человеческих клеток, GATA1, по-видимому, играет аналогичную важную роль в созревании тромбоцитов из их клеток-предшественников. Это созревание включает стимуляцию мегакариобластов для созревания в конечном итоге до мегакариоцитов , клетки которых сбрасывают в кровь заключенные в мембрану фрагменты своей цитоплазмы, т.е. тромбоциты. Мутации, инактивирующие GATA1, могут, таким образом, приводить к снижению уровня и/или дисфункциональности тромбоцитов в крови. [5] [7]
Сниженный уровень GATA1 из-за дефектной трансляции мРНК GATA1 в мегакариоцитах человека связан с миелофиброзом , т. е. заменой клеток костного мозга фиброзной тканью. Основываясь в первую очередь на исследованиях мышей и изолированных человеческих клеток, этот миелофиброз, как полагают, является результатом накопления клеток-предшественников тромбоцитов в костном мозге и высвобождения ими избыточного количества цитокинов, которые стимулируют стромальные клетки костного мозга становиться фибробластами и остеобластами, секретирующими волокна . Основываясь на исследованиях мышей, также полагают, что низкие уровни GATA1 способствуют развитию увеличения селезенки и экстрамедуллярного кроветворения при миелофиброзе у человека. Эти эффекты, по-видимому, являются прямым результатом чрезмерной пролиферации аномальных клеток-предшественников тромбоцитов. [11] [12] [34] [35]
Клинические признаки, связанные с инактивирующими мутациями GATA1 или другими причинами снижения уровня GATA1, сильно различаются не только по типам проявляемого заболевания, но и по тяжести заболевания. Это изменение зависит как минимум от четырех факторов. Во-первых , инактивирующие мутации в GATA1 вызывают сцепленные с Х-хромосомой рецессивные заболевания . Мужчины, имеющие только один ген GATA1 , страдают от заболеваний, вызванных этими мутациями, в то время как женщины, имеющие два гена GATA1, не испытывают никаких или испытывают крайне слабые проявления этих заболеваний, если только у них нет инактивирующих мутаций в обоих генах или их мутация не является доминантно-негативной , т. е. ингибирует функцию хорошего гена. Во-вторых , степень, в которой мутация снижает клеточные уровни полностью функционального GATA1, коррелирует с тяжестью заболевания. В-третьих , инактивирующие мутации GATA1 могут вызывать различные проявления заболевания. Например, мутации в N-ZnF GATA1, которые мешают его взаимодействию с FOG1, приводят к снижению уровней эритроцитов и тромбоцитов, тогда как мутации в N-ZnF, которые снижают его связывающую способность с целевыми генами, вызывают снижение количества эритроцитов и симптомы талассемии и порфирии . В-четвертых , генетический фон индивидуумов может влиять на тип и тяжесть симптомов. Например, инактивирующие мутации GATA1 у индивидуумов с дополнительной хромосомой 21 синдрома Дауна вызывают пролиферацию мегакариобластов, которые проникают и, следовательно, напрямую повреждают печень, сердце, костный мозг, поджелудочную железу и кожу, а также вторично опасные для жизни повреждения легких и почек. У этих же людей могут развиться вторичные мутации в других генах, что приводит к острому мегакариобластному лейкозу . [15] [36]
Мутации гена GATA1 связаны с развитием различных генетических нарушений , которые могут быть семейными (т. е. унаследованными) или вновь приобретенными. Вследствие своего расположения на Х-хромосоме мутации GATA1 обычно оказывают гораздо большее физиологическое и клиническое воздействие на мужчин, имеющих только одну Х-хромосому вместе с ее геном GATA1 , чем на женщин, имеющих две из этих хромосом и генов: мутации GATA1 приводят к Х-сцепленным заболеваниям, встречающимся преимущественно у мужчин. [15] Мутации в домене активации GATA1 (GATA1-S лишен этого домена) связаны с транзиторным миелопролиферативным расстройством и острым мегакариобластным лейкозом синдрома Дауна, в то время как мутации в мотиве N-ZnF GATA1 и GATA1-S связаны с заболеваниями, похожими на врожденную дизэритропоэтическую анемию, врожденную тромбоцитопению и некоторые особенности, которые встречаются при талассемии , синдроме серых тромбоцитов , врожденной эритропоэтической порфирии и миелофиброзе . [8]
Приобретенные инактивирующие мутации в домене активации GATA1 являются очевидной причиной транзиторного миелопролиферативного расстройства, которое возникает у людей с синдромом Дауна. Эти мутации представляют собой сдвиги рамки считывания в экзоне 2, которые приводят к невозможности синтеза белка GATA1, непрерывному образованию GATA1-S и, следовательно, значительному снижению способности регулировать гены, нацеленные на GATA1. Наличие этих мутаций ограничено клетками, несущими кариотип трисомии 21 (т. е. дополнительную хромосому 21 ) синдрома Дауна: инактивирующие мутации GATA1 и трисомия 21 необходимы и достаточны для развития расстройства. [36] Транзиторное миелопролиферативное расстройство состоит из относительно легкой, но патологической пролиферации клеток-предшественников тромбоцитов, в первую очередь мегакариобластов , которые часто демонстрируют аномальную морфологию, напоминающую незрелые миелобласты (т. е. унипотентные стволовые клетки, которые дифференцируются в гранулоциты и являются злокачественной пролиферирующей клеткой при остром миелоидном лейкозе ). Анализы фенотипа показывают, что эти бласты принадлежат к серии мегакариобластов. Аномальные результаты включают частое присутствие избыточного количества бластных клеток , снижение уровня тромбоцитов и эритроцитов, повышение уровня циркулирующих лейкоцитов и инфильтрацию клеток-предшественников тромбоцитов в костный мозг, печень, сердце, поджелудочную железу и кожу. [36] Считается, что расстройство развивается внутриутробно и обнаруживается при рождении примерно у 10% людей с синдромом Дауна. Он полностью проходит в течение ~3 месяцев, но в последующие 1–3 года прогрессирует до острого мегакариобластного лейкоза у 20–30% этих людей: транзиторное миелопролиферативное расстройство является клональным ( аномальные клетки, полученные из клеток одного родителя), предлейкозным состоянием и классифицируется как миелодиспластический синдром . [7] [8] [16] [36]
Острый мегакариобластный лейкоз — подтип острого миелоидного лейкоза, который крайне редко встречается у взрослых и, хотя все еще редко, чаще встречается у детей. Детское заболевание подразделяется на две основные подгруппы в зависимости от его возникновения у лиц с синдромом Дауна или без него . Заболевание при синдроме Дауна встречается у 20–30 % лиц, у которых ранее было транзиторное миелопролиферативное расстройство. Их мутации GATA1 представляют собой сдвиги рамки считывания в экзоне 2, которые приводят к неспособности производить белок GATA1, непрерывному образованию GATA1-S и, таким образом, значительно сниженной способности регулировать гены, нацеленные на GATA1. Транзиторное миелопролиферативное расстройство обнаруживается при рождении или вскоре после него и, как правило, проходит в течение следующих месяцев, но в течение 1–3 лет за ним следует острый мегакариобластный лейкоз. [7] В течение этого интервала в 1-3 года у людей накапливаются множественные соматические мутации в клетках, несущих инактивирующие мутации GATA1 плюс трисомию 21. Считается, что эти мутации являются результатом неконтролируемой пролиферации бластных клеток, вызванной мутацией GATAT1 в присутствии дополнительной хромосомы 21, и ответственны за прогрессирование транзиторного расстройства до лейкемии. Мутации происходят в одном или, чаще, в нескольких генах, включая: TP53 , RUNX1 , FLT3 , ERG , DYRK1A , CHAF1B , HLCS , CTCF , STAG2 , RAD21 , SMC3 , SMC1A , NIPBL , SUZ12 , PRC2 , JAK1 , JAK2 , JAK3 , MPL , KRAS , NRAS , SH2B3 и MIR125B2 , который является геном микроРНК MiR125B2 . [7] [37]
Анемия Даймонда-Блэкфана — это семейное (т. е. наследственное) (45% случаев) или приобретенное (55% случаев) генетическое заболевание, которое проявляется в младенчестве или, реже, в более позднем детстве как апластическая анемия и циркуляция аномально увеличенных эритроцитов . Другие типы клеток крови и тромбоцитов циркулируют на нормальном уровне и кажутся нормальными по структуре. Около половины пораженных людей имеют различные врожденные дефекты . [10] Заболевание считается единообразным генетическим заболеванием, хотя гены, вызывающие его, не были идентифицированы примерно в 30% случаев. Практически во всех остальных случаях аутосомно-рецессивные инактивирующие мутации происходят в любом из 20 из 80 генов, кодирующих рибосомальные белки . Около 90% последних мутаций происходят в 6 генах рибосомальных белков, а именно: RPS19 , RPL5 , RPS26 , RPL11 , RPL35A и RPS24 . [8] [10] Однако несколько случаев семейной анемии Даймонда–Блэкфана были связаны с мутациями гена GATA1 при очевидном отсутствии мутации в генах рибосомных белков. Эти мутации GATA1 происходят в сайте сплайсинга экзона 2 или стартовом кодоне GATA1, вызывают продукцию GATA1-S при отсутствии фактора транскрипции GATA1 и, следовательно, являются ген-инактивирующими по своей природе. Предполагается, что эти мутации GATA1 являются причиной анемии Даймонда–Блэкфана. [8] [15] [16]
Определенные мутации GATA1 -инактивации связаны с семейными или, реже, спорадическими Х-сцепленными расстройствами, которые состоят из анемии и тромбоцитопении из-за нарушения созревания предшественников эритроцитов и тромбоцитов, а также других гематологических отклонений. Эти мутации GATA1 идентифицируются начальной буквой, идентифицирующей нормальную аминокислоту, за которой следует число, указывающее положение этой аминокислоты в GATA1, за которым следует конечная буква, идентифицирующая аминокислоту, заменяющую нормальную. Аминокислоты идентифицируются как V = валин ; M = метионин ; G = глицин ; S = серин , D = аспарагиновая кислота ; Y = тирозин , R = аргинин ; W = триптофан , Q = глутамин ). Эти мутации и некоторые ключевые отклонения, которые они вызывают, следующие: [8] [16] [38] [39]
Синдром серых тромбоцитов — редкое врожденное нарушение свертываемости крови, вызванное уменьшением или отсутствием альфа-гранул в тромбоцитах. Альфа-гранулы содержат различные факторы, которые способствуют свертыванию крови и другим функциям. При их отсутствии тромбоциты дефектны. Синдром обычно считается результатом исключительно мутаций в гене NBEAL2 , расположенном на человеческой хромосоме 3 в позиции p21. В этих случаях синдром наследуется по аутосомно-рецессивному типу, вызывает легкую или умеренную тенденцию к кровотечению и может сопровождаться дефектом секреции содержимого гранул в нейтрофилах . Существуют и другие причины врожденного нарушения свертываемости крови, связанного с дефицитом альфа-гранул тромбоцитов, а именно, аутосомно-рецессивное заболевание синдрома Arc, вызванное мутациями либо в VPS33B (на человеческой хромосоме 15 в q26), либо в VIPAS39 (на хромосоме 14 в q34); аутосомно -доминантное заболевание синдрома, связанного с GFI1B, вызванное мутациями в GFI1B (расположенном на человеческой хромосоме 9 в q34); и заболевание, вызванное мутациями R216W и R216Q в GATA1. Заболевание, связанное с мутацией GATA1, напоминает заболевание, вызванное мутациями NBEAL2 , тем, что оно связано с циркуляцией уменьшенного количества (т. е. тромбоцитопения ) аномально увеличенных (т. е. макротромбоцитов) тромбоцитов с дефицитом альфа-гранул. Он отличается от заболевания, вызванного NBEAL2, тем, что он связан с Х-хромосомой, сопровождается умеренно тяжелой тенденцией к кровотечениям и связан с аномалиями в эритроцитах (например, анемия, расстройство, подобное талассемии , из-за несбалансированной продукции гемоглобина и/или расстройство, подобное порфирии ). [41] [38] Недавнее исследование показало, что GATA1 является сильным усилителем экспрессии NBEAL2 и что инактивирующие мутации R216W и R216Q в GATA1 могут вызывать развитие тромбоцитов с дефицитом альфа-гранул, не стимулируя экспрессию белка NBDAL2. [42] Учитывая эти различия, расстройство, связанное с мутацией GATA1 , по-видимому, лучше классифицировать как клинически и патологически отличное от синдрома серых тромбоцитов. [41]
Миелофиброз — редкое гематологическое злокачественное заболевание, характеризующееся прогрессирующим фиброзом костного мозга, экстрамедуллярным кроветворением (т. е. образованием клеток крови вне их обычного места в костном мозге), переменным снижением уровней циркулирующих клеток крови, повышением уровней циркулирующих предшественников последних, аномалиями созревания клеток-предшественников тромбоцитов и скоплением грубо деформированных мегакариоцитов в костном мозге. В конечном итоге заболевание может прогрессировать до лейкемии . Недавние исследования показывают, что мегакариоциты, но не другие типы клеток в редких случаях миелофиброза, имеют значительно сниженные уровни GATA1 в результате рибосомального дефицита в трансляции мРНК GATA1 в фактор транскрипции GATA1. Исследования показывают, что эти сниженные уровни GATA1 способствуют прогрессированию миелофиброза, приводя к нарушению созревания клеток-предшественников тромбоцитов, способствуя экстрамедуллярному кроветворению и, возможно, способствуя его лейкозной трансформации. [12] [34] [35]