SYNGAP1-geenin vaihtomutaatioiden taudinaiheuttavuuden määritys bioinformatiikkamenetelmillä

Abstract

Maailman väestöstä noin 3-4 % kärsii hermoston kehityshäiriöistä, jotka johtuvat usein hermopäätteiden toimintaa säätelevien proteiinien geenimutaatioista. Ihmisen SynGAP (synaptinen guanosiinitrifosfataasia aktivoiva proteiini, engl. Synaptic GTPase-Activating Protein) -proteiini säätelee hermosolujen synaptista muovautuvuutta sekä tasapainotilaa. SynGAP on kriittinen käyttäytymisen ja hermoston kehityksen säätelijä. SYNGAP1-geenin pistemutaatiot on yhdistetty useisiin hermoston kehityshäiriöihin kuten kehitysvammaisuuteen, autisminkirjon häiriöihin sekä epileptiseen aivosairauteen, jotka tunnetaan myös SynGAP-NSID (engl. Non-Syndromic Intellectual Disability) -tautina. SynGAP-NSID:tä havaitaan tyypillisesti lapsilla, joiden SynGAP-proteiini ilmentää uusia ja periytymättömiä de novo -mutaatioita. Toiminnallinen SynGAP on trimeerinen proteiinikompleksi, jonka domeeneihin kuuluvat GTPaasia (guanosiinitrifosfataasi) aktivoiva domeeni (engl. GTPase activating protein, GAP), C2-domeeni (toinen proteiinikinaasi C:stä löydetty domeeni) sekä PH-domeeni (fosfolipideihin sitoutuva domeeni, engl. Pleckstrin Homology). SynGAP-proteiini säätelee negatiivisesti GTPaaseja, aktivoimalla niiden katalyyttistä toimintaa GAP-domeeninsa avulla. SynGAP tarvitsee kuitenkin C2-domeenin GAP:n avuksi aktivaation mahdollistamiseksi. C2-domeenit mahdollistavat yleensä proteiinin sitoutumisen solukalvolle, mikä joidenkin proteiinien kohdalla voi edellyttää kalsiumionien yhtäaikaista sitoutumista. PH-domeeni puolestaan osallistuu soluviestintään sekä solutukirangan rakenteen ylläpitoon. SynGAP, joka tunnetaan myös nimellä RASA5 (engl. Ras GTPase-activating protein 5), aktivoi Ras- (engl. rat sarcoma virus) sekä Rap- (engl. receptor-associated protein) GTPaaseja. Näiden pienten GTPaasien aktivoituminen mahdollistaa niihin sitoutuneen guanosiinitrifosfaatin hydrolyysin guanosiinidifosfaatiksi. GTPaasien katalyyttinen aktivaatio vähentää Ras- ja Rap-GTPaasien aktiivisuutta solunsisäisessä signaloinnissa. Synapsissa negatiivinen säätely muokkaa vasteita eri suuntiin Ras- ja Rap-GTPaasien kohdalla. Ras-aktiivisuus lisää AMPA- (alfa-amino-3-hydroksi-5-metyyli-5-isoksatsolipropionihappo) reseptorin siirtymistä solukalvolle, kun puolestaan Rap-aktiivisuus lisää AMPA-reseptorin sisäänottoa soluun. SynGAP sitoutuu etuaivojen hermosolujen postsynaptiseen tiheyteen (engl. postsynaptic density, PSD) lähelle AMPA- ja N-metyyli-D-asparaatti- (NMDA) reseptoreita. AMPA-reseptorien puuttuminen kiihdyttävien hermosolujen synapseista on kriittistä synaptisen muovautuvuuden säätelylle. SynGAP-proteiini kilpailee AMPA-reseptorikompleksin kanssa synapseissa ja vaikuttaa siten AMPA-reseptorien määrään ja synaptiseen muovautuvuuteen. SYNGAP1-geenin vaihtomutaatiot (engl. missense mutations) voivat estää SynGAP-proteiinin normaalin toiminnan, jolloin AMPA-reseptorit pääsevät kerääntymään liiallisesti PSD:hen ja aiheutuu hermostohäiriöitä. Myös NMDA-reseptorit liittyvät kiinteästi synaptiseen muovautuvuuteen ja hermosolujen tasapainon säätelyyn SynGAP-proteiinin välityksellä. SynGAP-proteiiniin liittyvää NSID:tä on diagnosoitu maailmanlaajuisesti vain noin 1400 yksilölle, vaikka sen ilmaantuvuuden on arvioitu olevan todellisuudessa huomattavasti suurempaa. Tauti voi aiheutua joko isoista genomitason muutoksista kuten lukuraamin siirtomutaatioista- ja liian aikaisen lopetuskodonin muodostavista mutaatioista tai vaihtomutaatioista, joissa yksi proteiinin aminohapoista vaihtuu toiseksi. Vaihtomutaatiovariantteja on vaikea diagnosoida, koska muutosten pahanlaatuisuudesta ei ole kattavaa tai yksiselitteistä tietoa. Vaihtomutaatioiden tutkimiseen käytettävät bioinformatiikkamenetelmät perustuvat sekvenssipohjaisiin linjauksien ja proteiinirakenteiden fyysisten vuorovaikutusten arviointiin sekä laajemmin evoluutioteoriaan. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää menetelmien toimivuutta SYNGAP1-geenin vaihtomutaatioiden diagnosoinnissa ja osaltaan nopeuttaa tautia sairastavien lasten tunnistamista. Tutkimuksen pohjalta julkaistaan myös Internet-palvelin, johon SynGAP-proteiinin vaihtomutaatioiden ennusteet jaetaan.