Genome scans and microarrays: converging on genes for schizophrenia?Nigel M Williams, Michael C O'Donovan, Michael J Owenn Genome Biology. 2002 3(4): reviews1011.1-1011.5 http://genomebiology.com/2002/3/4/reviews/1011 | |
|
Hakak Y, Walker JR, Li C, Wong WH, Davis KL, Buxbaum JD, Haroutunian V, Fienberg AA:
Genome-wide expression analysis reveals dysregulation of myelination-related genes in chronic schizophrenia. Mirnics K, Middleton FA, Marquez A, Lewis DA, Levitt P: Molecular characterisation of schizophrenia viewed by microarray analysis of the prefrontal cortex. Mirnics K, Middleton FA, Stanwood GD, Lewis DA, Levitt P:Disease specific changes in regulator of G-protein signaling 4 (RGS4) expression in schizophrenia. Sophie Erhardt, Ana Pocivavsek, Mariaelena Repici, et al. Adaptive and Behavioral Changes in Kynurenine 3-Monooxygenase Knockout Mice: Relevance to Psychotic Disorders. Biological Psychiatry, 2016; DOI: 10.1016/j.biopsych.2016.12.011
Недавно была идентифицирована kynurenic кислота в качестве потенциального ключевого игрока при шизофрении. Люди, страдающие шизофренией, обнаруживают более высокие, чем в норме, уровни кинуреновой кислоты (KYNA) а головном мозге. KYNA, как известно, является метаболитом аминокислоты триптофана; она снижает уровень глютамата, а люди с данным заболеванием обнаруживают тенденцию иметь пониженную передачу сигналов glutamate. Было предположено, что такое снижение активности глютамата, следовательно, и высокие уровни KYNA у пациентов, могут быть связаны с рядом симптомов, наблюдаемых при шизофрении, особенно когнитивными проблемами.
В течение нескольких лет Robert Schwarcz, PhD, a Professor in the Department of Psychiatry at the University of Maryland School of Medicine (UM SOM), впервые идентифицировавший KYNA в головном мозге, изучал роль KYNA при шизофрении и др. нейропсихиатрических болезнях.
В новом исследовании Dr. Schwarcz с сотр. в сотрудничестве с коллегами из Karolinska Institute in Stockholm, Sweden, the University of Leicester in the United Kingdom, and KynuRex, a biotech company in San Francisco предоставили новое подтверждение, что KYNA система может становиться нефункциональной при шизофрении.
Изучали мышей с дефицитом kynurenine 3-monooxygenase (KMO), энзима, критического для детерминации уровней KYNA в головном мозге. В частности, низкий уровень KMO приводил к высоким уровням KYNA. Интересно, что пациенты с шизофренией имели более низкие уровни KMO в головном мозге, чем в норме, это может быть связано с низкими уровнями глютамата.
Мыши с низкими уровнями KMO обнаруживали нарушения в контекстуальной памяти и проводили меньше времени, чем контрольная группа, взаимодействуя с малознакомыми мышами в социальных условиях. Мыши с низким уровнем KMO также обнаруживали пугливое поведение, если запускались в лабиринт и при др. затруднительных условиях. Поскольку такое поведение сходно с таковыми поведенческими признаками у людей с шизофренией, то это подтверждает, что KMO и KYNA могут играть ключевую роль в этой болезни.
Увеличение глютамата, как таковое, имеет серьезные побочные эффекты, включая судороги и гибель нервных клеток. Предполагается. что модифицирование KYNA сможет приспосабливать уровень глютамата более точно. В последние годы было фактически показано, что снижение KYNA улучшает познавательную способность у животных, имевших когнитивный дефицит, сходный с тем, что наблюдается при шизофрении. Поскольку этот механизм является косвенным, то, по-видимому, он не запускает те же самые побочные эффекты, которые вызываются непосредственным увеличением glutamate. Осуществляется поиск соединений, которые могут вызывать такой же результату людей.
|
Системное сканирование генома показывает, что гены с большими эффектами не являются общей причиной шизофрении, однако открыто несколько ключевых хромосомных мест и обнаружено несколько интригующих находок.
Шизофрения является тяжелым и понижающим умственные способности заболеванием, характеризующимся выраженными нарушениями познавательных, эмоциональных и социальных функций. Риск возникновения в течение жизни (the lifetime morbid risk) довольно униформный, чуть меньше 1%, в разных популяциях и разных культурах. Выявлен существенный генетический вклад в шизофрению; наследуемость выше 60%, сиблинги шизофреничных людей в 10 раз более склонны, чем остальные к шизофрении (sibling recurrence risk ratio, λs, приблизительно 10). Однако, количество локусов предрасположенности, снижение риска, обусловливаемое каждым локусом и степень взаимодействия между ними остаются неизвестными. Подсчеты, базирующиеся на recurrence risks у родственников индивидов с шизофренией не согласуются с предположением об одиночном локусеλs = 3 (локус, который увеличивает риск у сиблингов в три раза), скорее всего участвует ряд локусов λ s < 2.
Systematic genome-wide linkage scansСистематическое сканирование генома на гены, связанные с шизофренией, сфокусированы на больших с множеством затронутых индивидов. К сожалению, семьи с четко сегрегирующими аллелями шизофрении с большими эффектами чрезвычайно редки или вообще не существуют. Но некоторые локусы тем не менее обнаруживают некоторое сцепление (Рис. 1). Они затрагивают 22q11-12, 6p24-22, 8p22-21 и 6q. Имеется также ряд др. перспективных областей предполагаемого сцепления. Это 13q14.1-q32, 5q21-q33, 10p15-p11 и 15q14. Еще одна область, которая примечательна своим (maximum heterogeneity LOD score of 6.5), важна тем, что получена из др. источника, это 1q21-q22. Находка 1q21-q22 более чем удовлетворяющей стандартным критериям требования 'достоверности' сцепления. Уже ранние эксперименты указывали на сцепление маркеров с хромосомой 1, дистальнее 1q21-q22 и пока неясно, согласуются ли эти находки с существованием одиночного локуса предрасположенности на 1q. Недавний анализ 16 микросателитных маркеров на участке 107 centiMorgans (cM) в 1q21-22, которые были генотипированы с помощью комбинированной выборки от 779 семей с шизофренией. Не обнаружено сцепления с шизофренией ни в одной из 8 различных независимых выборок, сформированным консорциумом, это указывает на то, что любой ген предрасположенности к шизофрении, присутствующий в этой области, м. на самом деле вносить большой генетический вклад в исследованных семьях, но они скорее всего оказывают лишь небольшой генетический эффект на всеобщую популяцию.
Было предложено использовать небольшие семьи с 2-3 затронутыми родственниками. такие семьи м.б. более пригодны для анализа комплексных свойств, т.к. при их анализе используются информация только от больных членов семей; они д.б. более общими и м.б быть более репрезентативными для проявления в генеральной популяции. Авт. и др. [25] описали очень большой систематический поиск сцепления, используя выборки от 196 затронутых sibling пар. Исследование, как предполагалось, будет иметь силу свыше 0.95 для обнаружения локуса предрасположенности λ s = 3 (максимальный эффективный размер, вычисленный Risch). Однако, ни одно значение не приближалось к статистической достоверности. Оказалось возможным исключить гены предрасположенности с эффектом λ s = 3 и λ s = 2 из 82.8% и 48.7% генома, соотв., но гены с эффективным размером λ s = 1.5 м.б. исключены только из 9.3% генома.
В настоящее время литература по сцеплению подтверждает предсказания исходя из генетических эпидемиологических исследований, что вряд ли существуют общие локусы предрасположенности к шизофрении с эффективным размером λ s > 3. Имеются доказательства участия ряда областей, которые согласуются с существованием некоторых аллелей предрасположенности со средним эффектом (λ s 1.5-3) и возможно также существование не общих локусов с большим эффектом, которые м.б. идентифицированы в специфических больших семьях с большим числом больных членов. Мы ожидали, что настоящее позитивное сцепление трудно будет повторить, если предрасположенность к нарушению связана с комбинированым действием нескольких генов со средним эффектом. И в самом деле, исключая Менделевские субтипы нарушений, единственный успешный пример позиционного клонирования гена предрасположенности к сложному нарушению это недавняя идентификация NOD2 и Calpain 10 в качестве локусов предрасположенности к б-ни Crohn's и диабету типа II соотв.
Трудности в установлении и повторении сцепления для сложных нарушений приводят нас к главной проблеме: какие результаты д.б. получены, чтобы они были достаточно здравы, чтобы узаконить огромные расходы, необходимые для идентификации аллелей болезни? Одним из подходов для решения этого вопроса это изучение очень больших выборок скажем из 600-800 ядерных семей, которых д.б. достаточно для выявления генов предрасположенности со средним эффектом и исследования этого плана д.б. приоритетными.
Selection of candidate genesЕсли генетическая предрасположенность к шизофрении целиком обусловлена операцией многих генов с малыми эффектами, тогда даже исследования сцепления по большой шкале встретятся с трудностями идентификации таких локусов. В качестве альтернативы, исследования ассоциаций генов-кандидатов делают возможным потенциально мощный подход идентификации локусов с малыми эффектами. Ген обычно определяется как кандидат, если он локализован внутри хромосомной области, ранее выявленной с помощью позиционного клонирования, и/или он является функционально объяснимым нейробиологической гипотезой шизофрении. Т.к. имеются средние, но неубедительные доказательства для большинства различных хромосомных областей, то каждая из них стремится к увеличению (обычно более 50 cM) и плохо демаркирована, число же потенциальных генов-кандидатов чрезвычайно велико.
Ситуация с функционально установленными генами-кандидатами столь же трудна. Имеется много нейробиологических теорий шизофрении, превалирует нейрофармакологичесая, которая связана с нейротрансмиссией моноаминов, в частности, dopaminergic и serotonergic систем. Неясно, однако, до како степени любые нейрохимические находки отражают первичную, нежели вторичную патологию, компенсаторные механизмы или средовые влияния. Имеются и альтернативные нейрохимическая и нейрофармакологическая гипотезы. Следовательно, трудно использовать нейрофармакологическую литературу, чтобы определить до какой степени убедительна группа генов-кандидатов, которые скорее всего включают настоящие гены предрасположенности и довольно немного чтобы исчерпывающе проанализировать их, используя современную лаб. технику. Др. гипотезе шизофрении встречает те же трудности: напр., мнение, что шизофрения является нарушением развития нервной системы, которое подтверждается некоторыми нейропатологическими исследованиями. Регуляция развития и созревания головного мозга чрезвычайно сложна и плохо изучена, но она определенно связана с динамическими взаимодействиями больших количеств генетических, средовых и стохастичских факторов. Т.обр., несмотря на некоторые указания, точные биологические механизмы, лежащие в основе предполагаемых neurodevelopmental нарушений остаются в основном спекулятивными, что делает трудным произвести рациональный выбор генов-кандидатов и пути использования neurodevelopmental гипотезы.
Microarray expression analysisMicroarray platforms способны одновременно измерять экспрессию нескольких тысяч генов; это позволяет идентифицировать гены, которые постоянно дисрегулируются в тканях субъекта с определенной болезнью. identify genes that are consistently dysregulated in tissues from subjects with any given disease. Хотя такой м-д обладает огромным потенциалом, его ограничения очевидны, когда он используется для анализа головного мозга человека. Эти ограничения включают изменчивость экспрессии как в результате полиморфизма генов, которые не связаны с болезнью, изменчивость среды, изменчивость как следствие фенотипа (напр.e, self-neglect, drugs или nutrition), изменчивость качества мРНК (как результат, напр., of post mortem задержки или условий у пациента непосредственно пред смертью), вариабельность причин болезни и изменчивость обработки тканей. Тем не менее, эти исследования делают возможным комплементарный подход к изучению сцепления по всему геному, чтобы выяснить новые молекулярные механизмы, которые вносят вклад в данную болезнь и м. открыть альтернативные источники генов-кандидатов.
Проведано два независимых исследования экспрессии массивов мРНК у шизофреников по сравнению с контролем. Оба были сконцентрированы на dorsolateral prefrontal cortex (DLPC), области головного мозга, которая участвует в нарушениях познавательной функции при шизофрении. Hakak et al. [35] анализировали экспрессию около 6,000 генов DPLC у 12 шизофреников. Они использовали также метод hierarchical clustering данных экспрессии чтобы идентифицировать группы генов, которые имеют сходные профили экспрессии и нашли 89 генов, которые дифференциально экспрессируются; они вовлечены в широкий круг биологических функций, включая синаптическую пластичность, развитие нейронов, нейротрансмиссию и сигнальную трансдукцию. Наиболее интересной находкой оказалось подавление транскрипции у шизофреников 6 разных генов (тех, что кодируют белок дифференцировки T-клеток, 2',3'-cyclic nucleotide 3' phosphodiesterase, myelin-associated glycoprotein, transferrin, gelsolin и epidermal growth factor receptor ErbB-3), все они, как известно, строго экспрессируются в олигодендроцитах и участвуют в формировании миэлиновых слоев. Известно, что олигодендроциты повышают скорость проведения импульсов через нейроны, покрывая их миелином и что они поставляют внешние трофические факторы, способствующие созреванию и выживанию аксонов. Подавление активности этих 6 генов при шизофрении позволило авт. предположить, что некоторые из аномалий головного мозга при шизофрении м.б. следствием аномальной миелинизации и/или функции олигодендроцитов.
В исследовании Mirnics et al. [36] изучалась экспрессия 7,800 генов в DLPC у 6 шизофреников и 6 контрольных индивидов. Все изученные пациенты имели нарушения экспрессии ряда генов, связанных с пресинаптической секреторной функцией. Комбинация таких генов с редуцированной экспрессией была разной у каждого из изученных пациентов с шизофренией, это указывает на то, что паттерн экспрессии генов более сложен, чем просто редукция экспрессии генов, связанных с миелинизацией. Кроме того Mirnics et al. [36] идентифицировали снижение экспрессии гена, кодирующего regulator of G-protein signaling 4 (RGS4), одного из группы белков, которые модулируют продолжительность ответа G-protein coupled receptors после связывания их со специфическими лигандами. Однако не обнаружено изменений в экспрессии др. генов (over 200) из G-protein-signaling group.
На первый взглядe, два исследования не согласуются др. с др. Однако Hakak et al. [35] также идентифицировали изменения в уровнях экспрессии некоторых генов, участвующих в пресинаптической секреторной функции. Два исследования, кроме того, использовали разные типы микромассивов с очень небольшим перекрыванием. Напр., массив, использованyый Mirnics et al. [36,37] содержал зонды только для одного из 6 миtлинизирующих генов, идентифицированных Hakak et al. [35]. Напротив, большинство из наиболее затронутых пресинаптических генов, идентифицированных Mirnics et al. [36,37]не было представлено в массиве, используемой др. группой[35].
|