Посещений:
БОКОВОЙ АМИОТРОФИЧЕСКИЙ СКЛЕРОЗ (ALS) И ЛОБНО-ВИСОЧНАЯ ДЕМЕНЦИЯ (FTD)
Генетические причины
|
Defining the genetic connection linking
amyotrophic lateral sclerosis (ALS) with frontotemporal dementia (FTD)
Serena Lattante, Sorana Ciura, Guy A. Rouleau, and Edor Kabashi Trends in Genetics xx (2015) 1–11
|
Several genetic causes have been recently described for
neurological diseases, increasing our knowledge of the
common pathological mechanisms involved in these
disorders. Mutation analysis has shown common caus-
ative factors for two major neurodegenerative disorders,
ALS and FTD. Shared pathological and genetic markers
as well as common neurological signs between these
diseases have given rise to the notion of an ALS/FTD
spectrum. This overlap among genetic factors causing
ALS/FTD and the coincidence of mutated alleles (includ-
ing causative, risk and modifier variants) have given rise
to the notion of an oligogenic model of disease. In this
review we summarize major advances in the elucidation
of novel genetic factors in these diseases which have led
to a better understanding of the common pathogenic
factors leading to neurodegeneration.
|
ALS/FTD спектр ALS, также известен как болезнь Lou Gehrig's, наиболее распространенное нейродегене6ративное нарушение, затрагивающее верхние и нижние двигательные нейроны с показателем 2.6/100 000 ежегодно [1,2]. Начинается болезнь обычно у взрослых, пик достигает к 60-70 годам. Постепенная потеря двигательных нейронов в коре головного мозга, стволе мозга и спинном мозге приводит к прогрессивному параличу с разрушающим быстрым течением. Frontotemporal dementia (FTD) является второй наиболее распространенной причиной раннего начала деменции, приводящей к дегенерации фронтальной и теменной доли головного мозга. Она возникает с частотой 3.5-4.1/100 000 ежегодно у индивидов до 65 [3,4]. Можно различить три разных варианта в зависимости от клинических симптомов: проблемы с языком превалируют при progressive non-fluent aphasia (PNFA) и semantic dementia (SD), тогда как поведенческие проблемы характеризуют более частый behavioral variant (bvFTD).
ALS и FTD традиционно рассматривались как два полностью отличающиеся неврологические нарушения с дискордантными клиническими признаками (Table 1). С годами, однако, некоторые наблюдения подтвердили, что имеется связь между этими нарушениями. Во-первых, дисфункции двигательных нейронов были описаны у 15% FTD пациентов [5,6] и FTD присутствует у 15-18% пациентов с ALS [7]. Появляются доказательства, что эти нарушения обладают общими патологическими и генетическими особенностями (Table 1). TDP-43 (TAR DNA binding protein)-позитивные включения в ЦНС были выявлены у пациентов с ALS или FTD, и рассматриваются как общая характерная особенность обоих нарушений [8]. Более того, описаны некоторые мутации, которые являются общими для ALS и FTD , это указывает на генетическую связь между ними. Примечательным примером стала идентификация локуса на хромосоме 9p21, сцепленного с ALS и FTD [9,10], и последующее открытие причинного гена, наз. C9orf72 (chromosome 9 open reading frame 72) [11,12] (see below and Figure 1). Поэтому ALS и FTD сегодня рассматриваются как непрерывный спектр (continuum) из двух перекрывающихся болезней, обозначаемых как ALS/FTD. Эта концепция спектра имеет целью идентификацию новых генов и описание общих путей и факторов, которые влияют на эти фенотипы.
Genes implicated in the Mendelian inheritance of
ALS/FTD
Когда ALS был впервые описан в конце 19-го столетия фр. неврологом Jean-Martin Charcot, ир генетический компонент не учитывался, считалось, что ALS не наследуется [13]. С годами это мнение изменилось после описания семей с несколькими индивидами, страдающими этой болезнью. В этих семьях ALS наследовался как аутосомно доминантный признак. Эти случаи объясняли около 10% от общего показателя и определялись как семейные ALS (FALS). Анализ сцепления в родословных FALS привел к идентификации локуса на хромосоме 21q22.11, ассоциированным с болезнью [14] и к первому причинному гену: superoxide dismutase-1 (SOD1) [15]. Мутации в SOD1 были описаны приблизительно в 13% FALS и менее, чем в 1% спорадических ALS
Table 1. Clinical, pathological and genetic features of the ALS/FTD spectrum
(SALS) пациентов в Европейской выборке, при этом мутации часто оказывались специфичными для популяции [16-20]. Важно отметить, что семейные и 'кажущиеся' спорадическими случаи часто трудно различить по нескольким причинам: семейный анамнез не всегда хорошо известен у ALS и FTD пациентов, случаи могли быть неправильно диагностированы и болезнь не могла проявиться из-за небольшого размера семьи или преимущественной гибели определенных индивидов [21].
C появлением улучшенной технологии были проделаны некоторые исследования по поиску новых причинных генов, сфокусировавшись на FALS пациентах, которые, как ожидалось, имеют более высокую частоту мутаций, чем SALS пациенты [22]. С 2006 описано боле 100 генов, ассоциированных с ALS. Доступны разные ALS биоинформационные вместилища со списками ALS и FTD генов,
Figure 1. Major genetic causes in familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The approximate percentages of mutation carriers are depicted for sporadic and familial ALS, with C9orf72 repeat expansions being the most common genetic abnormality in both patient populations. The frequency of these mutations is variable among patient populations; the approximate frequency rates obtained from French and Italian populations are depicted in this diagram.
такие как ALSoD (http://alsod.iop.kcl.ac.uk) [23], ALSGene (www.alsgene.org) [24], Alzheimer Disease and Fronto-temporal Dementia Mutation Database (http://www.
molgen.vib-ua.be/ADMutations) [25] и Human Gene Mutation Database (http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/ index.php [26]. Некоторые из этих генов рассматриваются как гены с низким риском и низкой пенетрантностью, которые м обозначаем как 'минорные гены' поскольку они были идентифицированы в одной когорте, но никогда не были подтверждены в др. выборках др. географического происхождения. В дополнение к C9orf72 и SOD1, гены рассматриваются как 'главные' ALS-вызывающие гены, это TAR DNA binding protein (TARDBP) [27-29] и fused in sarcoma (FUS) [30,31], которые объясняют около 3% FALS и 1.5% SALS, и 5% FALS и 1% SALS, соотв. Эти мутации были оценены во многих исследованиях, при этом включали пациентов разного географического происхождения (rev. in [32]). И TDP-43 (кодируемый TARDBP) и FUS содержат РНК-связывающие домены и играют важну роль в процессинге РНК, подтверждая, что дисфункция метаболизма РНК участвует в патогенезе ALS (reviewed in [33]). ALS пациенты, несущие мутацию TDP-43, также были найдены при когнитивном расстройстве, это подсказало клиницистам получше исследовать нарушения познавательной способности у ALS пациентов. Хотя и очень редко, некоторые ALS пациенты, несущие мутацию FUS, были описаны как имеющие когнитивные нарушения [34-36].
В 2011, мнение, что ALS и FTD это спектр нарушений, было подтверждено открытием причинного гена C9orf72 [11,12]. Локус уже был ассоциирован с ALS и FTD при анализе сцепления и в genome-wide association studies (GWAS) [37-41]. Разные группы исследователей осуществили прямое секвенирование кодирующего региона, сузив его до региона в 3.6 Mb, но оказались неспособны выделить ген кандидат [42]. Спустя несколько лет технологическое улучшение позволило обогатить ДНК регионов мишеней и углубить ре-секвенирование в комбинации с обычным сегрегационным анализом, это привело к идентификации экспансии повторов в 6 нуклеотидов из первого экзона гена C9orf72 [11,12]. В контрольной популяции этот участок состоит из не более 20 повторов, тогда как пациенты с ALS и FTD имеют более 60 до нескольких тысяч повторов. Эта экспансия повторов C9orf72 объясняет 30-50% FALS, 5-7% SALS,
25% семейных FTD и 6% спорадических случаев FTD в исследованиях по всей Европе, в Сев. Америке и Австралии [43,44]. Описание мутаций C9orf72 в семейных и спорадических случаях ALS и FTD (даже если в разном % , see below for more detail) подсказало современное превалирующее мнение о 'ALS/FTD disease spectrum'.
Ничто не указывает, что одиночные ALS гены могут иметь множественные эффекты. Мутации в одном и том же гене могут влиять на разные фенотипические признаки, такие как когнитивные нарушения, паркинсонизм, атаксия и деменция. Напр., пациенты, несущие экспансию повторов в C9orf72, как было установлено, обнаруживают довольно часто сопутствующие нейропсихиатрические состояния, такие как шизофрения, психозы и суицидальное поведение [45]. Плейотропная природа увеличенных повторов в C9orf72 затрудняет клиническую идентификацию (поскольку пациенты с паркинсонизмом или деменцией не были включены в анализ), это имеет следствие для генетического консультирования и разработки новых лекарств [21]. Частота и природная история когнитивных нарушений важны для учета при ALS, поскольку недавние долгосрочные исследования у итальянских и ирландских пациентов показали, что некоторые ALS пациенты никогда не обнаруживают каких-либо когнитивных нарушений [46,47].
Др. гены в ALS/FTD спектре включают VCP, SQSTM1 и UBQLN2. Мутации в valosin containing protein (VCP), который важен для созревания ubiquitin-содержащих аутофагосом, были найдены при использовании секвенирования экзома в 1-2% семейных ALS/FTD случаев, ассоциированных с миопатией с внутриклеточными включениями и с болезнью Paget's [48,49]. Мутации в ubiquilin2 (UBQLN2), который кодирует ubiquitin-подобный белок, вызывает доминантно наследуемую, сцеплению с Х хромосомой ALS/FTD [50]. Однако некоторые исследования оказались неспособны подтвердить ассоциацию VCP [51-56] и UBQLN2 [57-66] с ALS/FTD, указав, что мутации в этих генах не являются общераспространенной причиной ALS/FTD в глобальном масштабе. Напротив, присутствие мутаций sequestosome (SQSTM1) у 1-3.5% ALS/FTD пациентов было подтверждено [67-75]. В 2014, секвенирование всего экзома привело к идентификации одной мутации в гене coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain-containing protein 10 (CHCHD10) в двух семьях, имеющих ALS/FTD [76]. Более того, наблюдалась фрагментация митохондрий в фибробластах от пациентов, обладающих этой CHCHD10 мутацией [76]. Некоторые др. мутации были недавно подтверждены в трех др. исследованиях по скринингу этого гена у ALS/FTD
пациентов, подтверждая, что CHCHD10 участвует в ALS/FTD спектре [77-80], но нужны дальнейшие механистические исследования, чтобы определить его молекулярную функцию в этиологии болезни.
Эти новые генетические причины, лежащие в основе ALS и FTD предоставляют свежую информацию о патогенетических механизмах ALS и предоставляют точку старта для детального изучения в широком круге позвоночных и беспозвоночных модельных организмов (see below). Комбинация знаний, получаемых от этих животных и клеточных моделей и описание новыхвариантов, которые действуют как факторы риска, модификаторы и защитные факторы в развитии болезни, отражает мнение о ALS/FTD спектре как комплексном генетическом нарушении.
Genetic variations act as risk factors and disease
modifiers
Некоторые генетические варианты, как было установлено, увеличивают риск развития ALS и FTD и/или модификации болезненного фенотипа у этих пациентов скорее, чем предоставляют причинные мутации [81]. Напр., полиморфизм p.A152T в гене microtubule-associated protein tau (MAPT), как было установлено, увеличивает риск развития FTD [82,83], тогда как варианты с потерей функции в гене ephrin рецептора EphA4 (EPHA4) оказались ассоциированы с более длительным выживанием ALS пациентов [84]. Гены, участвующие в ALS или FTD и рассматриваемые как факторы риска или модификаторы болезни, описаны в др. работах [22,81, 85-89]. В данном разделе внимание будет уделено факторам риска, как известно, участвующим в ALS/FTD спектре и разные техники используются для идентификации этих фенотипических модификаторов (Box 1).
Один такой ген риска, UNC13A, на 19p13.3, был впервые идентифицирован в ходе GWAS анализа в большой когорте пациентов ALS из Сев. Европы (Box 1). Полиморфизм в UNC13A rs12608932, как было установлено, влияет на чувствительность к ALS [90]. Этот результат был воспроизведен на др. группах др. географического происхождения, при этом варианты, как было установлено, влияли на чувствительность к ALS или жизнеспособность [91,92]. Неавно крупный GWAS мета-анализ подтвердил, что UNC13A вариант д. влиять на чувствительность не только к ALS , но и также к TDP-43-позитивной FTD [93]. Белок, кодируемый с помощью UNC13A, регулирует высвобождение нейротрансмиттеров в центральных и нейромышечных синапсах, это делает его вероятным кандидатом для последующих исследований.
Путем скрининга серии генов кандидатов, сегрегирующих одновременно с болезнью в семьях с ALS/FTD, был найден вариант в 3'-нетранслируемом регионе (UTR) of σ non-opioid intracellular receptor 1 (SIGMAR1) у затронутых индивидов, коррелирующий с повышенными уровнями TDP-43 [94]. Точный вклад этого гена пока ещё неясен. Та же самая трансверсия была найдена в одном контроле и не было найдено мутаций у пациентов из других выборок [95]. Экзонная мутация была описана у пациентов с ювенильным ALS в кровнородственной семье в Саудовской Аравии [96], и др. вариант 3'-UTR был найден у SALS пациента в Корее [65]. SIGMAR1 мутации вероятно редки и необходимы большие выборки, чтобы исследовать роль этих вариантов в развитии ALS/FTD болезни и возможную ассоциацию с др. причинными генами.
Наконец использование экзомного секвенирования и параллельно анализа сцепления выявило мутации в heterogeneous nuclear ribonucleo-proteins (hnRNPA2B1 и hnRNPA1) у пациентов с миопатией с внутриклеточными включениями и болезнью Paget's костей и с FTD [97]. Эти гены могут играть важную роль в патогенезе ALS/FTD поскольку они участвуют в сплайсинге, доставке и стабилизации РНК и они взаимодействуют с TDP-43. Тем не менее последующие исследования не воспроизвели эту находку у ALS/FTD пациентов из др. выборок [98-100].
| |
Box 1. Methodological advances to identify risk factors and
causative genes in the ALS/FTD spectrum
In the past, loci associated with ALS or FTD were identified by
linkage analysis in large pedigrees with several affected family
members. Sanger sequencing of the identified region of interest in
patients and unaffected family members was used to define variants
that would segregate with disease. Such loci were further screened
for pathogenic variants in familial and sporadic patients to define
the mutation rate. More than 10 loci were identified by linkage
analysis in ALS/FTD that eventually led to the major genetic
discoveries, including SOD1, TDP-43, and FUS mutations (reviewed
in [87,88]). Similarly, segregation analysis and conventional sequen-
cing techniques combined with the methodology of repeat-primed
PCR to determine repeat size led to the discovery of the C9orf72
hexanucleotide repeat expansion [11,12].
Technological developments lead to the adoption of GWAS
analysis to screen for common low-penetrance variants in ALS/
FTD patient populations. Positive associations absolutely require
replication in the same and/or other populations. Negative studies
can result from small sample sizes, non-allelic genetic heterogene-
ity, or absence of common low-penetrance alleles predisposing to
a disease. A series of GWAS studies were conducted in SALS, the
largest of which [175] included 6100 cases and 7125 controls, a
sufficient sample size to find any disease-predisposing allele with
even small odds ratios. With possibly two exceptions, no marker,
gene, or locus has been replicated in multiple studies, suggesting at
most a small role for common low-penetrance variants in the
etiology of ALS. The first exception is what has turned out to be
the C9orf72 gene, where a small signal was obtained in both a
large European SALS population [90] and a smaller Finnish
population, which included many FALS in addition to SALS patients
[40]. The second polymorphic variation to be validated in multiple
patient populations was found in the gene UNC13A [90].
Next-generation sequencing including whole or targeted exome
capture is now paving the way to the identification of novel genes
that contain pathogenic variants. These techniques also allow
further assessment of the proportions of genetic variants as
causative and risk factors of ALS. Indeed, novel genetic variants
that are responsible for rare cases, such as PFN1, MATR3, and
hnRNPA2B1/hnRNPA1, and most recently TUBA4A and TBK1, have
been described using this methodology [81,176,177]. It should be
noted, however, that this technique generates large amounts of data
with false-positive variants, especially in regions with low coverage.
Thus, it is necessary to further confirm the results from exome
sequencing using more conventional sequencing techniques. | |
Идентификация этих вариантов с низкой пенетрантностью в подгруппе пациентов иллюстрирует разнообразие генетических факторов, ассоциированных с ALS/FTD спектром. Современное понимание заключается в том, что присутствие этих специфических аллелей может вызывать предрасположенность к ALS/FTD, но не достаточно, чтобы вызвать болезнь [101]. Т.о., др. факторы д. влиять на развитие сложного фенотипа у ALS/FTD пациентов, такие как средовые и всё ещё неизвестные генетические факторы. Однако определенные доказательства влияния каких-либо средовых факторов, вызывающих, влияющих или модулирующих ALS/FTD на сегодня отсутствуют.
Более того, разные варианты в главных и минорных генах, также как и присутствие факторов риска д. комбинироваться, чтобы вызывать или модифицировать фенотип болезни, как это предполагается в современной олигогенной модели ALS/FTD (see below). Это может частично объяснить комбинаторный эффект некоторых вариантов генов, которые обнаруживают низкую пенетрантность и/или неполную сегрегацию болезни. Недавно в нескольких сообщениях было описано совпадение более чем одного генетического варианта у ALS/FTD пациентов (Table 2). Тем не менее, дальнейшие исследования по скринингу больших выборок семейных и спорадических ALS/FTD пациентов необходимы, чтобы оценить долю в разных популяциях такого олигогенного паттерна наследования.
Oligogenic basis of disease for the ALS/FTD spectrum
Присутствие мутации в одном главном гене традиционно считается достаточным для запуска или ALS или FTD. Как только идентифицировалась мутация в определенных семьях или индивидах, дальнейший скрининг др. причинных генов не производился. Этот сценарий был полностью изменен после открытия C9orf72 поскольку большинство пациентов имело более одной генетической мутации, несущей увеличение повторов гексануклеотидов (Table 2). Пациенты, несущие варианты в более, чем одном гене, были описаны и возникла идея, что совместное появление мутаций может модифицировать фенотип или повлиять на клинические признаки, такие как возраст начала и доля выживания.
Олигогенетическая гипотеза предсказывает, что некоторые высоко пенетрантные генетические мутации д. приводить к ALS/FTD с варьирующей долей в разных популяциях. Это не характерно для SOD1, FUS или TARDBP мутаций, которые, описываются в сходном проценте в широком круге популяций пациентов. С др. стороны, расширение повторов C9orf72, которые являются менее пенетрантными мутациями, является наиболее распространенной мутацией в исследованиях популяций пациентов по всей Европе и Сев. Америке [43,44], также как и недавно в турецкой выборке [102], но не являются широко распространенной среди пациентов ALS из Китая, Кореи и Японии [103-105].
Недавно результаты, полученные на двух разных выборках, показали, что промежуточная длина повторов в ataxin 2 (ATXN2), ранее ассоциированная с повышенным риском развития ALS [106], может действовать как модификатор фенотипа у пациентов с ALS/FTD, несущими удлинение в C9orf72 [107,108]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить может дли совместное возникновение удлинений повторов в ATXN2 и C9orf72 влиять на возраст начала или выживание в дополнение к фенотипу ALS/FTD. Экспансия C9orf72 была также описана в связи с TARDBP, FUS и SOD1 мутациями [109-116] у пациентов с ALS, в связи с мутациями PGRN, MAPT, PSEN-2 и SQSTM1 у FTD пациентов [75,117-120], и в связи с вариантами в др. минорных генах, таких как ANG, PRPH, OPTN, DAO, UBQLN2, VAPB, CHMP2B, SETX, ALS2, SPG11 и DCTN1 [20,110-113,121]. Описаны также двойные мутации у пациентов без мутаций в C9orf72. Пациенты, обладающие мутациями в TARDBP, FUS [113] и SOD1 [20,121,122],как было установлено, несут варианты в angiogenin (ANG), гене, ассоциированном с ALS, но относятся к низкому риску [123]. TARDBP мутации были также описаны, как сопровождаемые мутациями ALS2 и SETX [121] (Table 2). Недавно описаны и др. ALS пациенты с мутациями с более, чем в одном гене [124]. Новый подход по секвенированию пула ДНК был использован для анализа одновременно 17 ALS генов в большой выборке пациентов из Америки. Частоты мутаций, найденные у спорадических пациентов оказались выше, чем сообщалось ранее, возможно частично из-за того, что более значительное количество было скринировано. Интересно, что 15 пациентов (3.8% в целом) несли патологические варианты, по крайней мере, двух генов, из 4-х из них (один FALS и три SALS), даже некоторые обладали тремя мутациями [124]
Table 2. ALS/FTD patients carrying double mutationsa
Доказательства, кстати, подтверждают, что совместное появление множественных генетических вариантов связано с этими неврологическими нарушениями и могут модифицировать фенотипы болезней и направлять их на специфический конец спектра ALS/FTD. В подтверждение,как было установлено, возраст начала существенно уменьшен у пациентов, несущих варианты в более, чем одном гене [124]. Клиническое обследование, тесно скомбинированное с животными и клеточными моделями, необходимо для лучшего понимания функционального значения этих генетических вариантов и их роли в управлении патогенностью, когда они действуют в комбинации.
Modeling the oligogenic ALS/FTD spectrum
Сегодня основным затруднением в этой области является определение подходящих моделей и методологий для изучения недавних генетических находок, связанных с спектром ALS/FTD. Некоторые in vivo и in vitro модели успешно используются для углубления понимания молекулярных каскадов, участвующих в ALS/FTD.
Functional characterization of pleiotropic ALS/FTD
genes using animal and cellular models
Клеточные модели болезни наиболее разносторонние и доступные по средствам системы для изучения соотв. нейродегенеративных механизмов. Открытие многочисленных генетических факторов, вносящих вклад в болезни, подчеркивает важность клеточных моделей, подогнанных к индивидам. Разработка iPS приближает к этой цели, поскольку фибробласты кожи, полученные от индивидуальных пациентов, могут быть превращены в стволовые клетки и затем дифференцированы в разные типы нейронов и глии. Эти модели окажутся важными для выяснения молекулярных механизмов, которые действуют у всех пациентов, или распределять ALS/FTD пациентов с соответствии с определенными нейродегенеративными профилями [125-127]. iPS от пациентов, несущих увеличенные количества повторов в C9orf72 , как было установлено, содержат гены с одинаковыми нарушениями регуляции, как это наблюдается в патологической ткани от ALS/FTD пациентов, несущих одну и ту же мутацию [128,129]. Присутствие p62 включений и фокусов РНК в нейронах, происходящих из iPS клеток, демонстрирует, что эти клеточные модели станут критическими для изучения патофизиологических механизмов при ALS/FTD [128,129]. Более того, iPS , полученные от ALS пациентов, несущих мутации TDP-43, были использованы для тестирования тысяч соединений с помощью высокопродуктивных методов [130]. Авт. установили, что anacardic кислота, ингибитор гистоновой ацетилтрансферазы, способна снижать нейродегенерацию [130]. В ближайшем будущем будет возможно профилирование пациентов посредством анализа iPS, получаемых от пациентов, несущих сходные генетические мутации, это будет важным для изобретения и достижения персонализованного лечения ALS и FTD, для которых сегодня нет лечения. Несмотря на эти перспективы, кстати, протоколы получения нейронов из iPS клеток нуждаются в дальнейшей оптимизации и стандартизации, чтобы минимизировать эффекты от клональной вариабельности. Более того, эти in vitro модели, лишенные сложности трансгенных моделей, разрабатываются у позвоночных и беспозвоночных организмов.
Недавние генетические успехи оказались связаны с быстрым ростом моделей in vivo, поскольку некоторые трансгенные животные были разработаны в течение двух декад для изучения патогенных механизмов, приводящих к нейродегенерации при ALS/FTD спектре. Эти животные модели были оценены детально в некоторых недавних обзорах [131-135]. Мутантные SOD1 трансгенные модельные мыши разработаны в середине 1990s, стали крупным успехом, поскольку эти трансгенные животные обнаруживают клинические проявления с началом у взрослых, напоминающие таковые у ALS пациентов, включая атрофию мышц, инициируемую гибелью двигательных нейронов, и параличи конечностей [136,137]. К сожалению, трансляционное воздействие мутантной SOD1 трансгенной модели поставлено под вопрос, поскольку нейрозащитные эффекты некоторых терапевтических лекарств не были воспроизведены на ALS пациентах [138].
В последнее время также наблюдается разработка животных моделей, чтобы оценить гипотезу олигогенного наследования (Figure 2). Модельные животные от дрожжей до беспозвоночных
Drosophila и C. elegans, были использованы для моделирования большинства генетических случаев ALS и FTD [132-134]. Сходным образом большинство ALS и FTD генов было недавно функционально охарактеризовано с использованием модельных рыбок данио [131-143]. Эти животные модели более эффективны, чем модельны млекопитающие для определения патогенности редких вариантов, обнаруженных у пациентов ALS/FTD, оценки степени взаимодействий между причинными генами и идентификации факторов риска. В самом деле, некоторые
bona fide факторы риска, идентифицированные у ALS пациентов, обнаружены при генетическом скрининге этих простых модельных организмов.
An oligogenic model for amyotrophic lateral sclerosis/frontotemporal dementia (ALS/FTD). SOD1 mutations are highly penetrant and are mainly associated with familial ALS. Alternatively, patients carrying the hexanucleotide repeat expansions within the C9orf72 gene display reduced penetrance with this mutation found in a considerable number of sporadic as well as familial ALS and ALS/FTD cases. Further supporting an oligogenic model for ALS onset, coincidence of C9orf72 repeats with TARDBP, FUS, and SQSTM1 mutations have been recently reported (a full list is given in Table 2).
Animal models can be used to predict risk factors and multigenic interactions
Мощь генетики дрожжей дала начало нескольким крупным открытиям в области нейродегенеративных болезней. Недавний скрининг генетических модификаторов токсичности TDP-43 наткнулся на Pbp1, дрожжевой гомолог гена, ответственного за мозжечковую атаксию, ATXN2 [106]. Авт. описывают, что степень экспансии полиглютамина в ATXN2 коррелирует со степенью токсичности TDP-43 у Drosophila и дрожжей. Более того, ATXN2 промежуточная экспансия повторов подтверждена как фактор риска у ALS пациентов [20,106,144-159], а совсем недавно в он отмечен в качестве возможного модификатора токсичности C9orf72 экспансии повторов при ALS/FTD [107,108].
Скрининг на генетические модификаторы, осуществленный на мутантных SOD1 трансгенных эмбрионах рыбок данио, показал, что нокаут EphA4 приводит к уменьшению фенотипических признаков, ассоциированных с экспрессией мутантного SOD1 [84]; сходные эффекты были описаны для мутантных TDP-43 трансгенов и нокдауна SMN1 у эмбрионов рыбок данио. Эти результаты оказывают также влияние на трансляцию, поскольку редкие варианты, нарушающие функцию EphA4, были обнаружены в ассоциации с большей продолжительностью жизни у ALS пациентов.
Перекрывание между разными генетическими причинами ALS/FTD недавно были изучены посредством анализа эпистаза [160]. В качестве примера использованы модели Drosophila и рыбки данио для вычленения общего пути, с помощью которого FUS действует на нижестоящий TDP-43. У модельных рыбок данио SOD1 не модулирует фенотипические признаки, ассоциированные с избытком и/или потерей функциональных свойств TDP-43 и FUS [161]. Эти результаты в комбинации с отсутствием TDP-43 агрегатов у пациентов, несущих мутации SOD1 [162], подтверждают, что дегенерация двигательных нейронов, обусловленная токсичностью мутантного SOD1, возникает благодаря патогенным механизмам, отличным от тех, что вызываются TDP-43 и/или FUS.
Выяснение эпистатических взаимодействий и идентификация общих партнеров для преобладающих генетических причин ALS/FTD спектра будет иметь важные последствия для понимания этого сложного нарушения и откроет новые пути для терапевтических стратегий при ALS.
Translating genetic advances to the ALS/FTD clinic
Идентификация новых генетических факторов, участвующих в ALS/FTD спектре, является важным для трансляционного воздействия в области нейродегенерации. Выборки пациентов сегодня это рутинный поиск общих генетических факторов, тем самым становится возможной идентификация дополнительных причинных мутаций и факторов риска. Самым непосредственным следствием будет улучшение диагностики ALS и FTD для пациентов с ранними синдромами. В комбинации с успешными функциональными изображениями и электрофизиологическим анализом, генетическое профилирование сможет помочь постановке раннего диагноза у индивидов, несущих аллели риска. Более того, это д. позволить более аккуратные исследования прогрессирования дегенерации нейронов в выбранных регионах головного мозга и спинного мозга, и что ещё важнее возможность начать лечение на ранней стадии болезни.
Новые генетические варианты, вносящие вклад в ALS/FTD спектр, были выявлены и функциональная роль этих факторов внесёт вклад в лучшее представление о б этиологии болезни. Напр., недавнее участие генетических вариантов белков, участвующих в очистке с помощью аутофагии, таких как VCP, UBQLN2 и SQSTM1, этот клеточный путь вышел на передний фронт механизмов болезни при ALS/FTD. В самом деле, и
TARDBP мутации и расширения повторов
C9orf72 оказались недавно сцеплены с процессами аутофагии [163-165]. Необходимы дальнейшие работы, чтобы решительно воздействовать на снижение аутофагии как причины или следствия нейродегенерации при ALS/FTD. Нарушение процессинга РНК является др. общей темой, возникшей благодаря новым генетическим данным, поскольку некоторые причинные гены при ALS/FTD ,как было установлено, участвуют в гомеостазе РНК, включая
TARDBP, FUS, hnRNPA2B1, hnRNPA1, TAF15 и EWR1 [165]. Сбор в кластеры генов на клеточных путях сможет помочь сфокусировать попытки, чтобы понять главные механизмы, которые изменяются при болезни, чтобы в конечном итоге разработать персонализированную терапию, нацеленной на соотв. путь нейродегенерации.
Concluding remarks
Genetic studies have revealed a great deal of similarity in the etiology of ALS and FTD, leading to the idea of a
‘spectrum disorder’. One of the key outstanding questions
is how the same genetic mutation can lead to ALS in some
cases and FTD in others. Screening patient cohorts for
additional genetic variation could help to elucidate the
factors that predispose to motor neuron or frontotemporal
degeneration. For example, a TMEM106B polymorphism
represents a risk factor in FTD patients, whereas these
polymorphic variants are mostly absent in ALS patients
[166–171]. In addition, once genetic variation has been
ruled out, environmental factors can be considered as risk
factors in developing ALS or FTD. A recent study described
a set of monozygotic twins carrying the C9orf72 expansion
where one twin was affected by ALS with no FTD signs for
5 years whereas the other twin displayed mild cognitive
de?cits that could be the initial signs of FTD. Environmen-
tal exposures were the same for both twins with the
exception of smoking and head trauma, both speci?c to
the ALS patient [101].
Oligogenic features of ALS/FTD will require further
study using a combination of animal and cellular models
to functionally characterize common mechanisms of dis-
ease progression and pathophysiology. Elucidation of these
shared pathways may point to additional genetic modfiers
capable of slowing or even preventing disease onset. Fur-
thermore, the availability of animal models amenable to
high-throughput chemical screening that reproduce one or
several aspects of disease development in vertebrates
(zebra?sh) and invertebrates (C. elegans and Drosophila)
is accelerating translational progress, and several molecu-
lar targets have been identified through this approach.
These include factors involved in oxidative stress, ER
stress, and calcium homeostasis [172–174]. Common com-
pounds that affect these shared mechanisms of disease and
provide neuroprotection by reducing phenotypic features
related to neurodegeneration in these genetic models
should be prioritized. Validation of these compounds in
mammalian models of disease will pave the way to clinical
application to achieve therapeutic avenues for treating
ALS/FTD patients.