Количественные и структурные особенности генов SMN1 и SMN2 у пациентов со спинальной мышечной атрофией 5q

Введение. Спинальная мышечная атрофия (СМА) представляет собой аутосомно-рецессивное нервно-мышечное заболевание, характеризующееся потерей двигательных нейронов. Причиной нейродегенерации является преимущественно гомозиготная делеция гена SMN1, приводящая к снижению синтеза белка SMN. Клиническая картина заболевания гетерогенна и варьирует в зависимости от возраста начала и от способности выполнять двигательные функции. Было идентифицировано несколько генетических и молекулярных модификаторов, предположительно влияющих на тяжесть течения СМА. Одним из наиболее доказанных факторов является количество копий гена SMN2.

Цель исследования – описание количественных и структурных особенностей генов SMN1 и SMN2 у пациентов со СМА 5q.

Материалы и методы. В исследование были включены образцы ДНК пациентов, обследованных на количество копий генов SMN1 и SMN2 в Научно-методическом центре по молекулярной медицине Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова за период с 2021 по 2022 г. Количество копий генов определялось с помощью метода мультиплексной амплификации лигированных зондов с использованием набора SALSA MLPA P021 SMA (MRC Holland). Для оценки тяжести клинических проявлений СМА оценивался непрямой параметр агрессивности – возраст обращения пациента в лабораторию. Статистический анализ проводился с использованием программы для статистической обработки данных GraphPad Prism9.

Результаты. При исследовании связи между количеством копий гена SMN2 и возрастом установления молекулярного диагноза была обнаружена статистически значимая прямая корреляция (r = 0,3960, p <0,0001). Оценка достоверности различий между отдельными группами пациентов дала статистически значимый результат: <0,0001 при сравнении групп пациентов с 2 и 3 копиями гена; <0,0001 – с 2 и 4 копиями; 0,0370 – с 3 и 4 копиями. В исследованной группе образцов у 9 % была обнаружена гибридная структура SMN1/SMN2. Поэтому проводилась оценка достоверности различий между возрастом установления молекулярного диагноза у пациентов с гомозиготной делецией SMN1 и возрастом установления молекулярного диагноза у пациентов с гибридным геном SMN1/SMN2 между группами с одинаковым количеством копий гена SMN2. Был выявлен статистически значимый результат (p = 0,0070) между пациентами с делецией SMN1 + 2 копии SMN2 и пациентами с гибридным геном SMN1/SMN2 + 2 копии SMN2.

Выводы. Число копий гена SMN2 коррелирует с возрастом установления молекулярного диагноза и косвенно является предиктором возраста дебюта СМА. Эффект гибридного гена SMN1/SMN2 на возраст установления молекулярного диагноза СМА был сравним с воздействием обычного гена SMN2.

1. Butchbach M. Genomic variability in the survival motor neuron genes (SMN1 and SMN2): Implications for spinal muscular atrophy phenotype and therapeutics development. Int J Mol Sci 2021;22(15):7896. DOI: 10.3390/ijms22157896.

2. СМА семьи. Доступно по: https://f-sma.ru.

3. Hosseinibarkooie S., Schneider S., Wirth B. Advances in understanding the role of disease-associated proteins in spinal muscular atrophy. Expert Rev Proteomics 2017;14(7):581–92. DOI: 10.1080/14789450.2017.1345631

4. Hosseinibarkooie S., Peters M., Torres-Benito L. et al. The power of human protective modifiers: PLS3 and CORO1C unravel impaired endocytosis in spinal muscular atrophy and rescue SMA phenotype. Am J Hum Genet 2016;99(3):647–65. DOI: 10.1016/j.ajhg.2016.07.014

5. Janzen E., Mendoza-Ferreira N., Hosseinibarkooie S. et al. CHP1 reduction ameliorates spinal muscular atrophy pathology by restoring calcineurin activity and endocytosis. Brain 2018;141(8):2343–61. DOI: 10.1093/brain/awy167

6. Hauke J., Riessland M., Lunke S. et al. Survival motor neuron gene 2 silencing by DNA methylation correlates with spinal muscular atrophy disease severity and can be bypassed by histone deacetylase inhibition. Hum Mol Genet 2009;18(2):304–17. DOI: 10.1093/hmg/ddn357

7. Cao Y., Qu Y., He S. et al. Association between SMN2 methylation and disease severity in Chinese children with spinal muscular atrophy. J Zhejiang Univ Sci B 2016;17(1):76–82. DOI: 10.1631/jzus.B1500072

8. Zheleznyakova G., Voisin S., Kiselev A. et al. Genome-wide analysis shows association of epigenetic changes in regulators of Rab and Rho GTPases with spinal muscular atrophy severity. Eur J Hum Genet 2013;21(9):988–93. DOI: 10.1038/ejhg.2012.293

9. Maretina M., Egorova A., Baranov V., Kiselev A. DYNC1H1 gene methylation correlates with severity of spinal muscular atrophy. Ann Hum Genet 2019;83(2):73–81. DOI: 10.1111/ahg.12288

10. Blatnik A., McGovern V., Burghes A. What genetics has told us and how it can inform future experiments for spinal muscular atrophy, a perspective. Int J Mol Sci 2021;22(16):8494. DOI: 10.3390/ijms22168494

11. Russman B.S. Encyclopedia of the Neurological Sciences. Academic Press, 2003. Pp. 368–372. DOI: 10.1016/B0-12-226870-9/00948-5

12. Savad S., Ashrafi M., Samadaian N. et al. A comprehensive overview of SMN and NAIP copy numbers in Iranian SMA patients. Sci Rep 2023;13(1):3202. DOI: 10.1038/s41598-023-30449-7

13. Ahn E., Yum M., Kim E. et al. Genotype-phenotype correlation of SMN1 and NAIP deletions in Korean patients with spinal muscular atrophy. J Clin Neurol 2017;13(1):27–31. DOI: 10.3988/jcn.2017.13.1.27

14. Zhang Y., He J., Zhang Y. et al. The analysis of the association between the copy numbers of survival motor neuron gene 2 and neuronal apoptosis inhibitory protein genes and the clinical phenotypes in 40 patients with spinal muscular atrophy: Observational study. Medicine (Baltimore) 2020;99(3):e18809. DOI: 10.1097/MD.0000000000018809

15. Powis Z., Nashawaty M., Paal A., Liaquat K. P271: Beyond SMN1: Review of genotype-phenotype correlation in individuals with ≥4 SMN2 copy numbers. Genet Med Open 2023;1(1). DOI: 10.1016/j.gimo.2023.100299

16. Singh R., Singh N.N. Mechanism of splicing regulation of spinal muscular atrophy genes. Adv Neurobiol 2018;20:31–61. DOI: 10.1007/978-3-319-89689-2_2

17. Singh N., Ottesen E., Singh R. A survey of transcripts generated by spinal muscular atrophy genes. Biochim Biophys Acta Gene Regul Mech 2020;1863(8):194562. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2020.194562

18. Pagliarini V., Pelosi L., Bustamante M. et al. SAM68 is a physiological regulator of SMN2 splicing in spinal muscular atrophy. J Cell Biol 2015;211(1):77–90. DOI: 10.1083/jcb.201502059

19. Chen Y., Yuo C., Yang W. et al. Extracellular pH change modulates the exon 7 splicing in SMN2 mRNA. Mol Cell Neurosci 2008;39(2):268–72. DOI: 10.1016/j.mcn.2008.07.002

20. Jiang T., Qu R., Liu X. et al. HnRNPR strongly represses splicing of a critical exon associated with spinal muscular atrophy through binding to an exonic AU-rich element. J Med Genet 2023;60(11):1105–15. DOI: 10.1136/jmg-2023-109186

21. Singh N., Singh R., Androphy E. Modulating role of RNA structure in alternative splicing of a critical exon in the spinal muscular atrophy genes. Nucleic Acids Res 2007;35(2):371–89. DOI: 10.1093/nar/gkl1050

22. Prior T., Krainer A., Hua Y. et al. A positive modifier of spinal muscular atrophy in the SMN2 gene. Am J Hum Genet 2009;85(3):408–13. DOI: 10.1016/j.ajhg.2009.08.002

23. Wu X., Wang S., Sun J. et al. A-44G transition in SMN2 intron 6 protects patients with spinal muscular atrophy. Hum Mol Genet 2017;26(14):2768–80. DOI: 10.1093/hmg/ddx166

24. Calucho M., Bernal S., Alías L. et al. Correlation between SMA type and SMN2 copy number revisited: An analysis of 625 unrelated Spanish patients and a compilation of 2834 reported cases. Neuromuscul Disord 2018;28(3):208–15. DOI: 10.1016/j.nmd.2018.01.003

25. Забненкова В.В., Дадали Е.Л., Поляков А.В. Проксимальная спинальная мышечная атрофия типов I–IV: особенности молекулярно-генетической диагностики. Нервно-мышечные болезни 2013;(3):27–31.

26. Cuscó I., Barceló M., del Rio E. et al. Characterisation of SMN hybrid genes in Spanish SMA patients: De novo, homozygous and compound heterozygous cases. Hum Genet 2001;108(3):222–9. DOI: 10.1007/s004390000452

27. Kubo Y., Nishio H., Saito K. A new method for SMN1 and hybrid SMN gene analysis in spinal muscular atrophy using long-range PCR followed by sequencing. J Hum Genet 2015;60(5):233–9. DOI: 10.1038/jhg.2015.16

28. Niba E. Nishio H. Wijaya Y. et al. Clinical phenotypes of spinal muscular atrophy patients with hybrid SMN gene. Brain Dev 2021;43(2):294–302. DOI: 10.1016/j.braindev.2020.09.005

29. Qu Y., Bai J., Cao Y. et al. Mutation spectrum of the survival of motor neuron 1 and functional analysis of variants in Chinese spinal muscular atrophy. J Mol Diagn 2016;18(5):741–52. DOI: 10.1016/j.jmoldx.2016.05.004.

30. Hahnen E., Schönling J., Rudnik-Schöneborn S. et al. Hybrid survival motor neuron genes in patients with autosomal recessive spinal muscular atrophy: New insights into molecular mechanisms responsible for the disease. Am J Hum Genet 1996;59(5):1057–65.

31. Wadman R., Jansen M., Stam M. et al. Intragenic and structural variation in the SMN locus and clinical variability in spinal muscular atrophy. Brain Commun 2020;2(2):fcaa075. DOI: 10.1093/braincomms/fcaa075

32. Диль А.В., Назаров В.Д., Сидоренко Д.В. и др. Исследование особенностей генетических изменений гена SMN1 при спинальной мышечной атрофии 5q. Нервно-мышечные болезни 2022;12(3):36–44. DOI: 10.17650/2222-8721-2022-12-3-36-44

33. Витковская И.П., Зеленова О.В., Стерликов С.А. и др. Первое проспективное многоцентровое не интервенционное исследование распространенности спинальной мышечной атрофии в Российской Федерации. Современные проблемы здравоохранения и медицинской статистики 2022;(3):393–409. DOI: 10.24412/2312-2935-2022-3-393-409

34. Vill K., Schwartz O., Blaschek A et al. Newborn screening for spinal muscular atrophy in Germany: Clinical results after 2 years. Orphanet J Rare Dis 2021;16(1):153. DOI: 10.1186/s13023-021-01783-8

35. Yalcintepe S., Karal Y., Demir S et al. The frequency of SMN1, SMN2 copy numbers in 246 Turkish cases analyzed with MLPA method. Glob Med Genet 2023;10(2):117–22. DOI: 10.1055/s-0043-1770055

36. Zheleznyakova G., Kiselev A., Vakharlovsky V. et al. Genetic and expression studies of SMN2 gene in Russian patients with spinal muscular atrophy type II and III. BMC Med Genet 2011;12:96. DOI: 10.1186/1471-2350-12-96

37. DiDonato C.J., Morgan K., Carpten J.D. et al. Association between Ag1-CA alleles and severity of autosomal recessive proximal spinal muscular atrophy. Am J Hum Genet 1994;55(6):1218–29.

38. Stabley D.L., Holbrook J., Scavina M. et al. Detection of SMN1 to SMN2 gene conversion events and partial SMN1 gene deletions using array digital PCR. Neurogenetics 2021;22(1):53–64. DOI: 10.1007/s10048-020-00630-5