Исследование. Обзор научных открытий в области аутизма в 2013 году

Статья директора Инициативы по исследованиям аутизма Фонда Симонса (SFARI) о прогрессе в изучении аутистических расстройств за прошлый год

Последние пять лет были связаны с потрясающими достижениями в нашем понимании сложных геномных вариаций человека, которые приводят к аутизму. Несколько статей, опубликованных в 2013 году, повысили наши знания о подобных генетических вариациях, а также предоставили доказательства того, какие именно функции мозга меняются, вызывая поведение, связанное с аутизмом.

Помимо этих достижений появились важные данные о влиянии факторов окружающей среды на риск аутизма. Кроме того, в 2013 году были сделаны первые шаги на пути к эффективному лечению и излечению от аутизма с использованием моделей на животных.

От генетики к нейронным функциям

Две научных статьи, опубликованных в прошлом году, анализировали обширные базы данных по участкам ДНК, кодирующим белки, у людей с аутизмом и участников из контрольной группы. Исследования были направлены на поиск маленьких участков, которые были утрачены (делеция) или внедрены (инсерсия) в их геномы (1, 2).

Обе работы выявили многочисленные различия в обеих группах геномов, но у людей с аутизмом генетических изменений было больше. Анализ делеции указывает на высокую частоту маленьких делеций в генах, которые контролируют цитоскелет и аутофагию. (Аутофагия — это процесс, с помощью которых клетки избавляются от поврежденных белков и органелл, таких как митохондрии). Теперь задача в том, чтобы выяснить, как именно аномальная аутофагия может влиять на формирование и функции нейронных сетей, которые контролируют человеческое поведение.

Эти исследования также показали высокую частоту делеций и инсерсий в генах, про которые известно, что их экспрессия (синтез закодированных ими белков) происходит в головном мозге. Эти данные соответствуют существующему научному консенсусу о том, что виды поведения, характерные для аутизма, являются результатом нарушений в функционировании мозга.

Важно не просто понять, какие гены связаны с аутизмом, но и в каких местах они действуют в первую очередь, и как именно они влияют на клеточные функции. Еще две научные статьи, опубликованные в конце 2013 года, посвящены именно этому важному вопросу. В них исследователи использовали всесторонний анализ паттернов экспрессии генов при развитии человеческого мозга. Исследователи изучали экспрессию так называемых генов высокого риска аутизма, а также других генов, связанных с меньшей вероятностью этого расстройства (3, 4).

Результаты обоих исследований указывают на то, что эти гены контролируют несколько нейронных путей, вовлеченных в раннее развитие коры головного мозга и в формирование синапсов, соединений нейронов. Эти результаты предполагают, что мутации в этих генах имеют наиболее значительные последствия для функционирования возбудительных нейронов, которые выделяют нейротрансмиттер глютамат. Изменения функционирования нейронов в поверхностных слоях коры головного мозга, а также тех, которые связывают различные участки головного мозга, похоже, наиболее важны для проявления поведенческих симптомов, характерных для аутизма.

Эти работы не определили все участки мозга, которые важны для развития аутизма. Тем не менее, их результаты побуждают других ученых сосредоточить свои усилия на понимании того, как мутации в этих генах меняют цитоскелет и аутофагию в тех нейронах, чья связь с этим расстройством была выявлена с помощью коэксрессивного анализа.

На настоящий момент работы генетиков смогли успешно выявить целый ряд вариаций копирования (дупликаций или делеций участков хромосом) и генетических мутаций, которые связаны с высокой вероятностью развития аутизма. Однако мы не должны забывать о более распространенных вариациях низкого риска в человеческом геноме, которые, определенно, вносят очень значительный вклад в появление аутизма.

В 2013 году была опубликована провокативная статья, которая предполагает, что возможный путь модулирования этого риска связан с ферментами, участвующими в раскрытии ДНК, которые называются топоизомеразами (5). Эта статья демонстрирует, что блокирование топоизомераз избирательно подавляет экспрессию крупных генов, и что значительная часть этих генов в мозгу — это гены высокого риска аутизма. Последствия этого открытия для области аутизма на данный момент являются лишь спекулятивными, но можно предположить, что у людей с этим расстройством может быть мутация в экспрессии или активности топоизомеразы.

Мужской риск, женская защита

Одна из загадок аутизма состоит в том, почему он гораздо чаще встречается у мальчиком, чем у девочек. В 2013 году были опубликованы результаты важного исследования риска аутизма среди примерно 10 000 пар разнояйцевых близнецов, в котором сравнивался риск аутизма для близнеца мужского и женского пола (6).
Исследование показало, что при аутизме у мальчика, вероятность аутизма у близнеца женского пола была гораздо ниже, чем для близнеца мужского пола при аутизме у девочки. Результаты предполагают, что женщины обладают более сильными защитными механизмами против проявлений аутизма, чем мужчины. Эти результаты соответствуют предыдущим исследованиям, которые показали, что в среднем аутизм у женщин вызван более тяжелыми мутациями, чем аутизм у мужчин.

Новый генетический инструмент

Значительные усилия ученых, изучающих аутизм, в последние годы были направлены на анализ влияния генов риска аутизма на модели с использованием животных, особенно мышей. Однако хотя их мозг включает многие структуры, аналогичные структурам человеческого мозга, области их мозга, связанные с когнитивным поведением, намного меньше развиты, чем эти области у людей, а их репертуар поведений и социального взаимодействия довольно беден.

В 2013 году ученым удалось переработать технологию CRISPR, которая использует РНК-белковый комплекс для повышения бактериального сопротивления вирусным инфекциям (7, 8). Новая разработка сделала возможным внедрять конкретную генную мутацию в организм любого вида, включая других приматов и позвоночных, полезных для анализа на химические препараты, например, полосатых данио.

Пока трудно сказать, какой вид животных окажется наиболее полезным для исследований аутизма, но открытие и разработка такого инструмента означает, что мы теперь можем изучать генетику аутизма практически на любом виде животных, а также на отдельных нейронах, полученных из стволовых клеток людей с аутизмом.

Терапия на основе генетики

Мы ожидаем, что возможно будет использовать открытия генетики для разработки более эффективных и индивидуальных методов лечения аутизма. Две статьи, опубликованные в течение 2013 года, демонстрируют первые попытки опробовать такие методы лечения на клетках и моделях животных. В первом исследовании ученые использовали плюрипотентные стволовые клетки от людей с синдромом Фелана-Макдермида, чтобы создать из них нейроны, которые можно изучать и манипулировать ими в клеточной культуре (9).

Исследование показало, что эти нейроны имеют сниженную синаптическую трансмиссию активирующих или возбуждающих сигналов. Присутствие SHANK3 — важного гена, который отсутствует у людей с этим синдромом, восстанавливает сигнальные дефекты нейронов. Кроме того, контакт с инсулин-ассоциированным фактором роста IGF-1 частично восстанавливает возможности синаптической трансмиссии у нейронов людей с синдромом Фелана-Мадермида.

Удивительно, но IGF-1 не повышает экспрессию SHANK3 в этих нейронах, как можно было бы предположить, но подавляет ее. Остается загадкой, каким образом это вещество восстанавливает синаптическую трансмиссию в нейронах.

Вторая научная работа описывает неожиданно эффективный генетический терапевтический подход на основе вирусов для облегчения симптомов, характерных для синдрома Ретта, одного из расстройств аутистического спектра, на модели этого синдрома у мышей (10). Исследователи показали, что периферические инъекции вируса, экспрессирующего ген синдрома Ретта — MeCP2, в нейроны, приводит к резкому уменьшению наиболее тяжелых симптомов этого расстройства.

Результаты этого исследования также предполагают, что некоторые симптомы синдрома Ретта, такие как аномальная регуляция дыхания, будет очень трудно скорректировать с помощью этого подхода. Таким образом, это исследование предлагает новую, потрясающую возможность генной терапии пациентов с синдромом Ретта, но также указывает на то, что терапия будет иметь свои ограничения.

Ранняя диагностика и лечение

Главная цель всех научных исследований аутизма — расширить репертуар клинических инструментов, которые могут помочь людям с этим расстройством. Ранняя диагностика позволяет провести раннее вмешательство. Научная статья, опубликованная в ноябре 2013 года описывает характерный дефицит в контакте глазами среди детей в возрасте 2-6 месяцев, у которых впоследствии диагностируется аутизм (11).

Интересно, что контакт глазами у этих детей в возрасте двух месяцев был типичным, но впоследствии, по мере взросления ребенка, он не развивался нормально. Присутствие нормальных механизмов контакта глазами в 2 месяца предполагает, что раннее вмешательство должно сосредоточиться на сохранении этих механизмов, а также на разработке ранней поведенческой и лекарственной терапии.

Профилактика и вмешательства

Хотя генетические исследования значительно расширили наше понимание аутизма, роль взаимодействия генетических вариаций и факторов окружающей среды при аутизме до сих пор малопонятна. В 2013 году были опубликованы результаты важного исследования, основанного на данных Норвежской системы здравоохранения, в котором анализировалось влияние приема фолиевой кислоты во время беременности на последующий риск аутизма у ребенка (12).

Женщинам рекомендуется принимать добавки с фолиевой кислотой во время беременности, потому что это снижает риск расщепления позвоночника и других неврологических нарушений у ребенка. Результаты исследования предполагают, что прием добавки с фолиевой кислотой во время беременности также снижает риск аутизма у ребенка, пусть и в небольшой степени (12).

Наконец, использование генетических моделей на мышах позволило выявить дефициты в метаболизме холестерола при синдроме Ретта (13). Это исследование демонстрирует, что мутации в ферменте, ограничивающем уровень метаболизма холестерола, подавляют симптомы, связанные с синдромом Ретта, в моделях этого расстройства на мышах. Препараты класса статинов, понижающие уровень холестерола, также облегчают эти симптомы.

Таким образом, научные статьи прошлого года предложили сразу два новых терапевтических подхода к лечению синдрома Ретта: генетическую терапию и подавление синтеза холестерола (10).

Задача, стоящая в 2014 году — расширить наши знания о факторах риска, связанных с генетикой и окружающей средой, чтобы определить новые направления для разработки лекарственных и поведенческих методов лечения.

Ссылки

1: Poultney C.S. et al. Am. J. Hum. Genet. 93, 607-619 (2013) PubMed
2: Krumm N. et al. Am. J. Hum. Genet. 93, 595-606 (2013) PubMed
3: Willsey A.J. et al. Cell 155, 997-1007 (2013) PubMed
4: Parikshak N.N. et al. Cell 155, 1008-1021 (2013) PubMed
5: King I.F. et al. Nature 501, 58-62 (2013) PubMed
6: Robinson E.B. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 5258-5262 (2013) PubMed
7: Cong L. et al. Science 339, 819-823 (2013) PubMed
8: Mali P. et al. Science 339, 823-826 (2013) PubMed
9: Shcheglovitov A. et al. Nature 503, 267-271 (2013) PubMed
10: Garg S.K. et al. J. Neurosci. 33, 13612-13620 (2013) PubMed
11: Jones W. and A. Klin Nature Epub ahead of print (2013) PubMed
12: Surén P. et al. JAMA 309, 570-577 (2013) PubMed
13: Buchovecky C.M. et al. Nat. Genet. 45, 1013-1020 (2013) PubMed