Эпигенетика аутизма - Epigenetics of autism

Расстройство аутистического спектра (РАС) включает аутизм , расстройство Аспергера , детское дезинтегративное расстройство и всеобъемлющее расстройство развития, не указанные иначе . Хотя точная причина РАС остается загадкой, похоже, она имеет генетическое происхождение. Большинство данных поддерживают полигенную , Эпистатическую модель, а это означает , что заболевание вызвано два или более генами , и что эти гены взаимодействуют сложным образом. Было идентифицировано несколько генов, от двух до пятнадцати, которые потенциально могут способствовать восприимчивости к болезням. Однако точное определение причины РАС еще предстоит обнаружить, и, вероятно, не существует единой генетической причины какого-либо конкретного набора расстройств, что заставляет многих исследователей полагать, что эпигенетические механизмы, такие как геномный импринтинг или эпимутация, могут играть важную роль. Главная роль.

Эпигенетические механизмы могут способствовать фенотипу болезни . Эпигенетические модификации включают метилирование цитозина ДНК и посттрансляционные модификации гистонов . Эти механизмы способствуют регулированию экспрессии генов без изменения последовательности ДНК и могут зависеть от воздействия факторов окружающей среды и могут передаваться по наследству от родителей. Синдром Ретта и синдром ломкой Х-хромосомы (FXS) представляют собой расстройства с одним геном, связанные с РАС с перекрывающимися симптомами, которые включают недостаточное неврологическое развитие, нарушение языка и общения, трудности в социальных взаимодействиях и стереотипные жесты рук. Нередко у пациента диагностируют как РАС, так и синдром Ретта и / или FXS. Эпигенетические регуляторные механизмы играют центральную роль в патогенезе этих двух заболеваний. Синдром Ретта вызван мутацией в гене, который кодирует метил-CpG-связывающий белок ( MECP2 ), один из ключевых эпигенетических регуляторов экспрессии гена. MeCP2 связывает метилированные остатки цитозина в ДНК и взаимодействует с комплексами, которые ремоделируют хроматин в репрессивные структуры. С другой стороны, FXS вызывается мутациями, которые являются как генетическими, так и эпигенетическими. Экспансия CGG-повтора в 5'-нетранслируемой области генов FMR1 приводит к подверженности эпигенетическому молчанию, что приводит к потере экспрессии генов.

Геномный импринтинг также может способствовать развитию РАС. Геномный импринтинг - еще один пример эпигенетической регуляции экспрессии генов. В этом случае эпигенетическая модификация (и) заставляет потомство экспрессировать материнскую копию гена или отцовскую копию гена, но не то и другое вместе. Импринтированный ген заглушается посредством эпигенетических механизмов. Гены-кандидаты и аллели предрасположенности к аутизму идентифицируются с использованием комбинации методов, включая полногеномный и целенаправленный анализ совместного использования аллелей в родственных парах, с использованием ассоциативных исследований и тестирования неравновесия передачи (TDT) функциональных и / или позиционных генов-кандидатов и обследования новых и повторяющихся цитогенетических аберраций. Результаты многочисленных исследований выявили несколько участков генома, которые, как известно, подвержены импринтингу, генам-кандидатам и взаимодействиям ген-среда. В частности, хромосомы 15q и 7q, по-видимому, являются эпигенетическими горячими точками, способствующими РАС. Кроме того, гены на Х-хромосоме могут играть важную роль, как при синдроме Ретта.

Хромосома 15

У людей хромосома 15q11-13 является местом нахождения ряда мутаций, которые были связаны с расстройствами аутистического спектра (РАС).

15q11-13 дупликация

Дупликации 15q11-13 встречаются примерно у 5% пациентов с РАС и примерно у 1% пациентов с диагнозом классический аутизм. 15q11-13 у человека содержит кластер генетически импринтированных генов, важных для нормального развития нервной системы . (Таблица 1) Подобно другим генетически импринтированным генам, родитель происхождения определяет фенотипы, связанные с дупликациями 15q11-13. «Эффекты родительского происхождения» приводят к тому, что экспрессия генов происходит только с одной из двух копий аллелей, которые люди получают от своих родителей. (Например, MKRN3 демонстрирует эффект родительского происхождения и отпечатывается отцов. Это означает, что будет экспрессироваться только аллель MKRN3, полученный с отцовской стороны.) Гены, дефицитные по отцовским или материнским аллелям 15q11-13, приводят к Прадеру-Вилли. или синдромы Ангельмана , соответственно, и дупликации в материнской копии приводят к особому состоянию, которое часто включает аутизм. Сверхэкспрессия материнских импринтированных генов, по прогнозам, вызывает аутизм, который фокусирует внимание на материнских генах, экспрессируемых на 15q11-13, хотя все еще возможно, что изменения в экспрессии как импринтированных, так и билаллерно экспрессируемых генов вносят свой вклад в эти расстройства. Обычно дуплицированная область хромосомы 15 также включает в себя импринтированные отцовские гены, которые можно рассматривать как кандидатов на РАС. (См. Таблицу 1)

Таблица 1

Ген Отпечатаны? Отпечатанная родительская копия (Pat / Mat) Функциональная значимость для аутизма или расстройств аутистического спектра
MKRN3 да Пэт Находится в интроне-экзоне ZNF127AS, который транскрибируется с антисмысловой цепи . Кодирование белка цинкового пальца RING .
ZNF127AS да Пэт Антисмысловой транскрипт гена MKRN3
МАГЕЛЬ2 да Пэт Выражается в головном мозге (особенно в гипоталамусе ). Важен при синдроме Прадера-Вилли.
NDN да Пэт Коды для супрессора нервного роста, который способствует разрастанию нейритов и ГАМКергической дифференцировке нейронов . Важен при синдроме Прадера-Вилли.
SNRPN - SNURF да Пэт Кодирует небольшой ядрышковый РНК-связывающий белок N, а также группу мяРНК .
UBE3A да Мат Кодирует убиквитин- протеинлигазу E6-AP . Ген-кандидат в синдром Ангельмана. Нарушение регуляции связано с РАС. Связь с этим геном была обнаружена при РАС, но не было выявлено мутаций в небольшой группе субъектов.
ATP10A да Мат Производит аминофосфолипидную транслоказу . Экспрессируется в гиппокампе и обонятельной луковице . Был связан с РАС.
ГАБРА5 Противоречивые данные - Кодирует альфа-5-субъединицу рецептора ГАМКА . GABRA5-содержащие рецепторы опосредуют подавление тонуса в нейронах гиппокампа. Нокаут этого гена увеличивает обучаемость и память у мышей.
GABRB3 Нет - Кодирует бета-3-субъединицу рецептора GABAA. Некоторые противоречивые результаты о его связи с РАС. Показал нарушение регуляции при Ретте , аутизме и расстройствах Ангельмана.
GABRG3 Противоречивые данные - Коды для гамма-3-субъединицы рецептора ГАМК. Противоречивые результаты по его ассоциации с РАС, но в основном отрицательные. Нет значительного изменения фенотипа при нокаутах.

Таблица 1 - Изменено из Schanen (2006)

Гены 15q11-13 можно разделить на три основные категории:

  • Гены рецептора ГАМК А :

Члены семейства рецепторов ГАМК, особенно GABRB3, являются привлекательными генами-кандидатами для аутизма из-за их функции в нервной системе. Нулевые по Gabrb3 мыши демонстрируют поведение, соответствующее аутизму, и многочисленные генетические исследования обнаружили существенные доказательства этой связи. Кроме того, сообщалось о значительном снижении содержания GABRB3 в головном мозге пациентов с AS, AUT и RTT. Другие рецепторы ГАМК, расположенные на разных хромосомах, также были связаны с аутизмом (например, GABRA4 и GABRB1 на хромосоме 4р).

  • Гены, импринтированные по материнской линии:

Есть два материнских импринтированных гена в 15q11-13, UBE3A и ATP10A (Таблица 1), и оба лежат ближе к центромерному концу. Оба эти гена являются важными кандидатами на РАС. Значительное снижение численности UBE3A наблюдалось в посмертных образцах головного мозга пациентов с АУ, АС и ЛТ. У пациентов с аутизмом также обнаружены аномалии метилирования CpG-островка UBE3A .

  • Отцовские гены:

Большинство генов в 15q11-13 экспрессируются отцовски. Анализ экспрессии генов, экспрессируемых отцом, импринтированных генов показал, что в некоторых случаях превышение материнской дозы 15q11-13 может вызывать аномальную экспрессию генов, экспрессируемых отцом (даже если отцовский 15q11-13 нормален).

  • Регуляция экспрессии гена в 15q11-13:

Регуляция экспрессии генов в 15q11-13 довольно сложна и включает множество механизмов, таких как метилирование ДНК , некодирующая и антисмысловая РНК .

Импринтированные гены 15q11-13 находятся под контролем общей регуляторной последовательности, контролируемой области импринтинга (ICR). ICR представляет собой дифференциально метилированный островок CpG на 5'-конце SNRPN . Он сильно метилирован по молчащему материнскому аллелю и неметилирован по активному отцовскому аллелю.

Было показано , что MeCP2 , который является геном-кандидатом для синдрома Ретта , влияет на регуляцию экспрессии в 15q11-13. Измененная (пониженная) экспрессия UBE3A и GABRB3 наблюдается у мышей с дефицитом MeCP2 и пациентов с РАС. Этот эффект, по-видимому, происходит без прямого связывания MeCP2 с промоторами UBE3A и GABRB3. (Механизм неизвестен). Однако иммунопреципитация хроматина и бисульфитное секвенирование показали, что MeCP2 связывается с метилированными сайтами CpG внутри GABRB3 и промотором SNRPN / SNURF.

Кроме того, было показано , что гомологичное спаривание 15q11-13 в нейронах, которое нарушается у пациентов с RTT и аутизмом, зависит от MeCP2. В совокупности эти данные предполагают роль MeCP2 в регуляции импринтированных и двуаллельных генов в 15q11-13. Однако очевидно, что это не играет роли в поддержании импринтинга.

Хромосома 7

Подход к сканированию всего генома выявил возможную связь РАС и аутизма с многочисленными хромосомами. Эти исследования сцепления первоначально затрагивали длинное плечо хромосомы 7, а анализ последовательности специфически нацеливал два локуса восприимчивости в области 7q21.3 и 7q32.2. Моделирование сцепления «родитель-источник» идентифицировало кластер импринтированных генов 7q21.3, который включает два гена, экспрессируемых отцом, два гена, экспрессируемых от матери, и один предварительно определенный ген, экспрессируемый от матери, как обобщено в таблице ниже. (Таблица 2)

Таблица 2: Экспрессия отцовского / материнского гена импринтированной области на хромосоме 7q21.3

Ген Отпечатанная родительская копия (Pat / Mat) Функциональная значимость для аутизма или расстройств аутистического спектра
SGCE Пэт Отцовские мутации связаны с синдромом миоклонической дистонии, который связан с обсессивно-компульсивным расстройством и паническими атаками. Мишень связывания MECP2 (мышь).
ПЭГ10 Пэт Перекрывающиеся рамки считывания дают два белка, которые могут ингибировать передачу сигналов от рецептора трансформирующего фактора роста-β (TGF-β) типа I и киназы I, подобной рецептору активина (AlkI). Этой расшифровки в мозгу много. Мишень связывания MECP2 (мышь).
PPP1R9A Мат Комплекс протеинфосфатазы, который связывается с нейрабином при развитии и созревании дендритов . Комплексное разрушение изменяет поверхностную экспрессию рецепторов глутамата в нейронах гиппокампа . Кандидат в ген РАС.
DLX5 Мат Кодирует фактор транскрипции DLX5, который действует как критический медиатор в переднем мозге для дифференцировки ГАМКергических нейронов. Действует в тандеме с соседним геном DLX6 , который регулируется через Rett-ассоциированный ген MECP2 . Кандидат в ген РАС.
CALCR Мат (предварительные данные) G-белок рецептора для кальцитонина , участвующий в метаболизме кальция

Таблица 2 - Изменено из Schanen (2006)

DLX5 и DLX2 напрямую регулируют экспрессию декарбоксилазы глутаминовой кислоты , фермента, продуцирующего нейротрансмиттер ГАМК . Однако убедительные доказательства предрасположенности к аутизму из-за новых вариантов последовательностей этих генов еще предстоит четко идентифицировать. На сегодняшний день эти локусы не могут быть однозначно связаны с аутизмом, хотя их связь с Mecp2 посредством регуляции предполагает, что эпигенетические эффекты следует пересмотреть.

Вторая область на хромосоме 7q32.2 включает другой импринтированный домен с одним материнским геном и четырьмя отцовскими генами. (Таблица 3)

Таблица 3 - Кластер импринтированных генов на хромосоме 7q32.2

Ген Отпечатанная родительская копия (Pat / Mat) Функциональная значимость для аутизма или расстройств аутистического спектра
CPA4 Мат Транскрипт активируется ингибиторами гистондеацетилазы . Не очевидный кандидат в ген аутизма.
MEST Пэт Нарушение регуляции экспрессии изменяет рост клеток, и самки гомозиготных мышей с нокаутом имеют отпечаток материнского поведения.
МЕСТИТ1 Пэт Антисмысловой интронный транскрипт экспрессируется в яичках.
COPG2 Пэт Было показано, что субъединица γ2 напрямую связана с дофаминовыми рецепторами.
COPG2IT1 Пэт Интронный транскрипт COPG2

Таблица 3 - Изменено из Schanen (2006)

Х-хромосома

Существует определенная гендерная предвзятость в распределении РАС. Среди населения РАС примерно в четыре раза больше мужчин, страдающих этим заболеванием. Даже когда исключены пациенты с мутациями в генах, сцепленных с X ( MECP2 и FMR1 ), гендерная предвзятость сохраняется. Однако, если смотреть только на пациентов с наиболее тяжелыми когнитивными нарушениями, гендерная предвзятость не столь велика. Хотя наиболее очевидным выводом является то, что основной эффект Х-сцепленного гена участвует в развитии РАС, этот механизм, по-видимому, гораздо более сложный и, возможно, эпигенетический по происхождению.

Основываясь на результатах исследования женщин с синдромом Тернера , была предложена гипотеза, включающая эпигенетические механизмы, чтобы помочь описать гендерную предвзятость РАС. Пациенты с синдромом Тернера имеют только одну Х-хромосому, которая может иметь материнское или отцовское происхождение. Когда 80 женщин с моносомией X были протестированы на социальное познание, пациенты с отцовской X-хромосомой показали лучшие результаты, чем пациенты с материнской X-хромосомой. У мужчин есть только одна Х-хромосома, полученная от их матери. Если ген в отцовской Х-хромосоме дает улучшенные социальные навыки, у мужчин этот ген отсутствует. Это может объяснить, почему у мужчин чаще диагностируют РАС.

В предложенной модели ген-кандидат замалчивается на материнской копии Х-хромосомы. Таким образом, мужчины не экспрессируют этот ген и более подвержены последующим нарушениям социальных и коммуникативных навыков. С другой стороны, женщины более устойчивы к РАС. Недавно был обнаружен кластер импринтированных генов на X-хромосоме мыши; отцовский аллель был выражен, в то время как женская копия была отпечатана и заглушена. Дальнейшие исследования направлены на выяснение того, вносят ли эти гены непосредственный вклад в поведение и импринтируются ли гены-аналоги у людей.

Связь с синдромом Ретта

Было показано, что эпигенетические изменения состояний метилирования генов, таких как MECP2 и EGR2 , играют роль в аутизме и расстройствах аутистического спектра. Было показано, что аномалии MECP2 приводят к широкому диапазону фенотипической изменчивости и молекулярных сложностей. Эти различия привели к исследованию клинической и молекулярной конвергенции между синдромом Ретта и аутизмом.

Нарушения сна и речи , судороги и время развития часто встречаются как при аутизме, так и при синдроме Ретта (RTT). Из-за этих фенотипических сходств были проведены исследования конкретных генетических сходств между этими двумя распространенными нарушениями развития. MECP2 был идентифицирован как преобладающий ген, участвующий в RTT. Также было показано, что регуляция экспрессии гена MECP2 участвует в аутизме. Образцы мозга с синдромом Ретта и образцы мозга аутизма показывают незрелость дендритных шипов и уменьшение размера тела клетки из-за ошибок в парной регуляции между MECP2 и EGR2. Однако из-за того, что при аутизме участвует множество генов, ген MECP2 был идентифицирован только как фактор уязвимости при аутизме. Самая современная модель, иллюстрирующая MECP2, известна как модель активатора транскрипции.

Другая потенциальная молекулярная конвергенция включает ген-2 ранней реакции роста (EGR2). EGR2 - единственный ген в семействе EGR, который ограничен центральной нервной системой и участвует в развитии мозга и синаптической пластичности . Было показано, что экспрессия EGR2 снижается в коре головного мозга людей с аутизмом и RTT. Также было показано, что экспрессия MECP2 снижается у людей с RTT и аутизмом. Было показано, что MECP2 и EGR2 регулируют друг друга во время созревания нейронов . Была предложена роль нарушения регуляции зависимого от активности пути EGR2 / MECP2 при RTT и аутизме. Дальнейшие молекулярные связи изучаются; однако исследование MECP2 и EGR2 предоставило общую связь между RTT, аутизмом и сходством фенотипического выражения.

Рекомендации

дальнейшее чтение