Биохимия аутизма - блог доктора Минутко

         Несмотря на то, что расстройства аутистического спектра , как правило, в высшей степени наследуемы и могут быть определены по симптомам , существует значительная гетерогенность в отношении генетики, фенотипов, клинических проявлений и сопутствующих  заболеваний. Последние исследования позволили выявить сотни генетических факторов риска, включая распространенные и редкие генетические варианты, которые могут увеличить вероятность развития аутизма.  Известно, что многие гены восприимчивости к аутизму играют важную роль в развитии мозга с функциями, варьирующимися от синаптической передачи до процессинга РНК и нейрогенеза.   Тем не менее, множество генетических мишеней высветило необходимость для  исследователей расстройств аутистического спектра (ASD)  понять, могут ли гены, вовлеченные в ASD, сходиться в общих клеточных процессах и процессах развития, которые могут в конечном итоге нарушить функции мозговых цепей, опосредующих речь, когнитивное функционирование  и социальное поведение.

     Ранее предпринимались  попытки разделить пациентов с расстройствами аутистического спектра  на более мелкие, более однородные подгруппы с использованием специфических генетических сигнатур  или паттернов поведения  и клинических эндофенотипов.  Однако эти стратегии сталкиваются с трудностями, включающими в себя  генетическую и фенотипическую гетерогенность ASD, и могут не способствовать  в определении общих нейробиологических путей, лежащих в основе этого заболевания.

Развитие мозга

     Одним из самых ранних признаков аберрантного роста мозга во время развития при аутизме явились измерения окружности головы у младенцев и маленьких детей с аутизмом. Окружность головы считается надежным показателем относительного размера мозга в раннем постнатальном возрасте.  Эти исследования предоставили важные  доказательства наличия избыточного и недостаточного роста при расстройствах аутистического спектра.  Многие исследования показали аномальное увеличение окружности головы у детей с аутизмом  в возрасте примерно до постановки симптоматического диагноза.  Исследование, в котором приняли участие 126 детей с аутизмом (в возрасте от 2 до 16 лет), выявило  более высокую, чем ожидалось, частоту как макроцефалии, так и микроцефалии.  Изменения в росте, в значительной степени измеряемые по размеру головы, также стали характерными чертами растущего числа синдромальных и несиндромальных форм аутизма.  Например, мутации de novo в гене регулируемой тирозин- (Y) -фосфорилированием киназы 1A (DYRK1A) двойной специфичности связаны с типом синдромального ASD и умственной отсталостью, которая проявляется в микроцефалии.  И,  наоборот, было показано, что макроцефалия встречается у подгруппы пациентов с расстройствами аутистического спектра , имеющих деструктивные мутации в гене ASD-связанной хромодомной геликазы, ДНК-связывающего белка 8 (Chd8) или делеции в 17q12.  Важно отметить, что эта ранняя патология нерегулируемого роста мозга имеет тенденцию нормализоваться позднее в детстве и подростковом возрасте, подчеркивая необходимость сосредоточиться на изменениях, которые происходят в критические периоды пренатального и раннего постнатального развития при расстройствах аутистического спектра. 

       Применение методов нейровизуализации к изучению ASD предоставило беспрецедентное понимание структуры и внутренних паттернов связности областей мозга, вовлеченных в сложное социальное поведение и познание.  Из-за технических ограничений предыдущие оценки функциональной связности головного мозга при расстройствах аутистического спектра  ограничивались основанными на задачах исследованиями активации у взрослых с высокофункциональным аутизмом, с относительно небольшими размерами выборки и различными методологиям.  Изменения мозга, наблюдаемые в зрелом возрасте, однако, могут не отражать первичные аберрации и могут не распространяться на детей с тяжелым аутизмом и с низким уровнем функционирования.  Примечательно, что теперь также понятно, что пониженная активация на основе решения задач во время  фМРТ может отражать дефицит когнитивных функций, а не внутреннее свойство функции мозга.

       Исследователи сфокусировали свои анализы R-fMRI на маленьких детях и подростках с расстройством аутистического спектра  (7–14 лет), чтобы показать увеличение внутренней и ближней связи между множеством областей мозга. Более того, степень функциональной гиперконнективности положительно коррелировала с выраженностью социальных и повторяющихся симптомов патологического поведения. И наоборот, снижение функциональной связи наблюдалось в межполушарных проекциях на большие расстояния и в сетях в режиме по умолчанию, которые обычно демонстрируют большую активность в условиях покоя, в отличие от задач, которые требуют большого внимания.   В некоторых случаях снижение функциональной связности обратно пропорционально коррелировало с выраженностью основных дефицитов поведения при расстройствах аутистического спектра. В совокупности тот факт, что реципрокные изменения внутренней функциональной архитектуры мозга могут приводить к фенотипическим последствиям, связанным с аутизмом , подтверждает участие механизмов недостаточного и избыточного роста в патогенезе аутизма. 

Молекулярные показатели роста

      Все больше данных свидетельствуют о ключевых путях передачи сигналов роста, которые часто нарушаются у пациентов с расстройствами аутистического спектра. Представляют интерес ключевые молекулярные показания роста аутизма, включая дисрегулированный фактор роста, мишень рапамицина (mTOR) млекопитающих и передачу сигналов внеклеточной регулируемой киназой (ERK1 / 2).    Характеристика того, как регуляторы и последующие корреляты этих путей роста не регулируются при расстройствах аутистического спектра , позволит нам лучше классифицировать формы аутизма в широких, но более однородных подтипах.  Эти знания будут полезны для (i) диагностики фенотипических подтипов ASD недостаточного или избыточного роста, (ii) отбора однородных популяций пациентов для более строго контролируемых исследований и (iii) потенциального биомаркера, который можно использовать для потенциальной диагностики и терапии.

Сигналы факторов роста

     Нейротрофины, такие как фактор роста нервов (NGF) и нейротрофический фактор мозга (BDNF), были впервые идентифицированы как факторы выживания, полученные из мишеней. Тем не менее, все больше фактов свидетельствует о том, что нейротрофины регулируют многие аспекты структуры и функции нейронов, включая нейроразвитие, дифференцировку, морфогенез и синаптическую пластичность.  Последующие исследования за последние полвека показали существование других канонических нейротрофинов, включая нейротрофин-3 (NT-3) и нейротрофин-4 (NT-4).  Каждый из четырех нейротрофинов  связывается и активирует один или несколько из трех членов семейства рецепторных тирозинкиназ (TrkA), связанных с тропомиозином (Trk) (TrkA, TrkB и TrkC), что приводит к последующей активации фосфатидилинозитол-3-киназы ( PI3K), передачи сигналов фосфолипазы C (PLC), ERK1 / 2 и mTOR.  Кроме того, соответствующий контроль передачи сигналов нейротрофина на множество регуляторных уровнях (эпигенетический, транскрипционный, посттранскрипционный и посттрансляционный) имеет решающее значение для физиологических функций, таких как решения о судьбе клеток, рост аксонов, рост и обрезка дендритов, а также общая сеть нейронов и их связность.  Стратегии генетического нокаута и фармакологические вмешательства показывают, что многие регуляторные эффекты роста нейротрофинов зависят от сигнальных путей Trk и последующей активации нижестоящих клеточных каскадов.  В соответствии с их мощной ролью в качестве регуляторов нейрональной пролиферации, выживания, дифференцировки и морфогенеза, нарушение регуляции передачи сигналов нейротрофина вовлечено в нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера и Хантингтона, а также психические расстройства, включая депрессию, злоупотребление психоактивными веществами, а также аутизм. 

     Другие трофические факторы, такие как глиотический нейротрофический фактор (GDNF), сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) и цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), а также инсулиноподобный фактор роста (IGF) также индуцируют пути передачи сигналов про-роста.   Подобно BDNF, NGF, NT-3 и NT-4, эти дополнительные трофические факторы также передают сигналы через рецепторные тирозинкиназы, чтобы вызвать нижестоящие сигнальные каскады, которые способствуют росту в различных тканях, включая нейроны. Выраженные пролиферативные  эффекты этих нейротрофинов и их нижестоящих эффекторов, таких как mTOR и ERK1 / 2, делают дисрегуляцию в каскадах трофического фактора  показателями для стратификации расстройств аутистического спектра.

MTOR

       mTOR представляет собой высоко консервативную и повсеместно экспрессируемую серин / треонинкиназу, которая служит важным регулятором клеточного роста, метаболизма и выживаемости как при развитии, так и при заболеваниях в различных типах тканей . mTOR функционирует в двух гетеромерных и функционально отличных белковых комплексах: mTORC1 и mTORC2, которые встроены в сложные сигнальные сети.  В головном мозге mTOR интегрирует входные данные из целого ряда внеклеточных источников, включая факторы роста и питательные вещества.

       mTOR регулирует многие процессы, которые необходимы для роста, служа связующим звеном для управления синтезом белка, энергетическим гомеостазом, обменом веществ и динамикой актинового цитоскелета.

       Исследования онкогенеза указывают на активность mTOR как коррелят роста и метаболического статуса. Многие семейные онкологические  синдромы являются результатом мутаций в генах, кодирующих вышестоящие белки, которые влияют на активацию mTOR, включая Tsc1 / 2, PTEN и нейрофиброматоз типа I (NF1).  Нарушение регуляции генов на этом пути также связано с разными заболеваниями, включая ASD, диабет II типа, ожирение и нейродегенерацию.

       Важно, что двухсторонние  изменения в передаче сигналов mTOR также, как было показано, приводят к противодействию влиянию нисходящего потока на рост нейронов и морфогенез. У мышей удаление mTOR или связанных с ним компонентов, которые регулируют сборку и передачу сигналов mTORC1 / 2, приводит к эмбриональной летальности. Условная делеция как mTORC1, так и mTORC2 в нейральных предшественниках развивающейся ЦНС может вызывать микроцефалию из-за общего уменьшения числа и размеров нейронов в результате уменьшения пролиферации нейрональных предшественников и подавленной дифференцировки корковых нейроновИ наоборот, усиленная передача сигналов mTOR после инактивации вышестоящих негативных регуляторов (PTEN и TSC1 / 2) или конститутивная активация позитивных регуляторов (PI3K, Akt и Ras) ассоциируется с макроцефалией, гипертрофией нейронов и увеличением размеров сомы и сложности дендритов. нейронов гиппокампа. Эти эффекты активации mTOR на нейрональный и дендритный морфогенез требуют нового синтеза белка.

       Опосредованная mTOR регуляция трансляции белка вызвала большой интерес в области исследований ASD. Субстраты mTOR, которые вовлечены в механизм инициации трансляции, такие как p70 рибосомная S6 киназа 1 (S6K1) и эукариотический белок 4E-связывающий фактор инициации трансляции (4E-BP), становятся ключевыми участниками патогенеза аутизма Фосфорилирование S6K1 с помощью mTORC1 способствует рибосомному биогенезу, инициации трансляции и удлинению с помощью различных эффекторов . Мыши, несущие генетическую делецию S6K1, значительно меньше, чем аналоги дикого типа. Некоторые зависимые от синтеза белка формы синаптической пластичности, которые могут представлять корреляты роста во взрослом возрасте, такие как mGluR-LTD, были связаны с повышенным фосфорилированием и активацией S6K1.

     Нефосфорилированный 4E-BP2 ингибирует зависимый от cap синтез белка, изолируя фактор инициации трансляции eIF4E. Фосфорилирование 4E-BP2 с помощью mTORC1 приводит к его диссоциации с eIF4E, тем самым деспрессирует его активность связывания и делает возможным образование комплекса инициации трансляции eIF4F. Удаление 4E-BP2 или сверхэкспрессия eIF4E in vivo приводит к увеличению образования комплекса eIF4F, облегчению долгосрочной синаптической пластичности, зависящей от синтеза белка, повышению плотности дендритного отдела и аномалиям поведения, напоминающим ASD. 

    Таким образом, двунаправленные изменения в передаче сигналов mTOR приводят к противоположным эффектам на синтез, метаболизм и рост белка. Следовательно, измерение уровней активности mTOR или нижестоящих эффекторов этого каскада может служить надежным индикатором измененных про- или анти-ростовых состояний в мозге.

ERK1/2

      ERK1 / 2 являются паралогичными членами сигнального каскада MAPK с хорошо охарактеризованными ролями в регуляции роста на клеточном и организменном уровнях. Канонический путь MAPK / ERK передает сигналы от рецепторов клеточной поверхности к ядру посредством последовательных стадий фосфорилирования. Этот путь зависит от факторов роста, хемокинов, окислительного стресса и цитокинов. Сигнальный каскад ERK1 / 2 играет важную роль в клеточной пролиферации, дифференцировке и апоптозе . В нервной системе активация этого пути обычно стимулирует возбуждение и участвует в пластически зависимой активности, длительной потенциации (LTP), длительной депрессии (LTD) и формировании памяти.  Нижестоящие мишени передачи сигналов ERK1 / 2 в нейронах управляют такими процессами, как стабилизация дендритного отдела  модуляция ионных изменений и вставка рецептора.

      Последние  исследования общегеномных ассоциаций (GWAS) и анализ вариаций количества копий (CNV) выявили обогащение сигнальных компонентов MAPK / ERK у пациентов с аутизмом.  Кроме того, активация ERK1 / 2 необходима для формирования и стабилизации дендритных шипов, а активация ERK1 / 2 факторами роста обладает хорошо охарактеризованными функциями в регуляции пролиферации клеток в ЦНС.  

       ERK1 / 2 играет критическую роль в кортикогенезе посредством регуляции клеточного цикла в пролиферации нейральных клеток-предшественников.  В то время как ERK1 и ERK2 экспрессируются высоко в мозге взрослого человека, уровни ERK2 выше, чем ERK1. Кроме того, только потеря ERK2 приводит к ранней эмбриональной летальности на мышиной модели, главным образом из-за неспособности нормального развития плаценты и трофобласта. Условный нокаут ERK2 в разгар кортикального нейрогенеза приводит к уменьшению числа нейронов и последующему увеличению числа астроцитов в коре мыши. Это уменьшение отражает изменения в росте и пролиферации за счет уменьшения количества клеточных делений в промежуточных клетках-предшественниках, приводящих к уменьшению толщины кортикального слоя. 

      Самым убедительным доказательством, свидетельствующим о нарушении передачи сигналов ERK1 / 2 при ASD, является ряд мутаций одного гена, связанных с аутизмом, включая туберозный склероз, синдром Fragile X, 16p11.2  и NF1, которые в конечном итоге приводят к для активации ERK1 / 2. NF1 является GTPase-активирующим белком (GAP) для Ras, восходящего активатора ERK1 / 2.  Мутации в NF1 вызывают нейрофиброматоз типа 1, аутосомно-наследственное заболевание с высокой частотой гиперпролиферативного рака шванномы. Более 50% людей с мутациями в NF1 также имеют когнитивные нарушения, и недавние исследования сообщают о значительном увеличении частоты ASD у пациентов с NF1.  В дополнение к многочисленным моногенным формам аутизма, влияющим на активность ERK1 / 2 в патогенезе заболевания, инбредный мышиный штамм BTBR, модель несиндромального аутизма, демонстрирует увеличение уровней фосфо-ERK1 / 2 в префронтальной коре.  ERK1 / 2 является критическим регулятором развития и изменений в активности ERK1 / 2, причем, либо увеличение активной фосфо-ERK1 / 2, либо снижение фосфо-ERK1 / 2, были связаны с аутистическими особенностями. Интересно, что недавнее исследование, проведенное на мышах, предполагает, что может существовать критическое окно для изменения активности ERK1 / 2, чтобы привести к развитию ASD.  Блокада передачи сигналов ERK1 / 2 посредством введения ингибитора MEK SL327 в 6-й  постнатальный день  приводит к тому, что у взрослых мышей проявляются общие аутичные поведенческие фенотипы, такие как дефицит социального взаимодействия, а также повышенный апоптоз в переднем мозге . Однако ингибирование ERK1 / 2 на 14-й постнатальный день не привело к развитию аутистического поведения у этих мышей, что свидетельствует о критическом окне в развитии для регуляции активности ERK1 / 2. В совокупности убедительные данные из множества биологических условий связывают пути ERK1 / 2 с регуляцией состояний роста, включая пролиферацию и возбуждение.

       Моногенные модели расстройств аутистического спектра

     Синдром хрупкой Х хромосомы (FXS) является наиболее распространенной наследственной причиной аутизма  и умственной отсталости, затрагивая приблизительно 1 из 4000 мужчин и 1 из 8000 женщин. Причиной 2–6% всех случаев аутизма является нарушение нервно-психического развития, связанное с экспансией тринуклеотидного повторяющегося элемента CGG в 5'-UTR гена Fragile X Mental Retardation 1 (FMR1).  Мутация приводит к гиперметилированию локуса и транскрипционному молчанию FMR1, что впоследствии приводит к потере продукции его нижестоящего генного продукта, белка умственной отсталости Fragile X (FMRP). FMRP локализуется в соме и дендритах нейронов, где он функционирует преимущественно для подавления трансляции подмножества мРНК.  Анатомические, синаптические и молекулярные особенности FXS сделали это моногенное расстройство классической моделью избыточного развития при ASD.

     У пациентов с FXS наблюдаются нарушения умственного развития и когнитивные нарушения, задержка развития и физические особенности, соответствующие чрезмерному росту, такие как макроцефалия, удлиненная морфология лица и увеличенные уши. Дополнительный дефицит роста включает увеличение массы тела у подгруппы пациентов с FXS  и макроорхидизм или увеличение яичек у мужчин после наступления половой зрелости. Исследования показали, что в послеродовой ткани головного мозга, выделенной от пациентов с FXS, общее увеличение плотности дендритного отдела оси, а также ее более незрелая морфология . Пациенты с FXS и мышиные модели с дефицитом FMRP также демонстрируют признаки морфологии мозга и функции, обнаруженные в других генетических причинах аутизма, определяемых чрезмерным ростом. К ним относятся раннее переизбыток синапсов, гиперконнективность мозга и избыточный базальный и чувствительный к активности синтез нейронного белка.  В центральной нервной системе и яичке, двух тканях, в которых известно, что FMRP имеет высокую экспрессию , потеря функции FMRP вызывает серьезные морфологические нарушения.  Например, у детей с FXS и у мышей с дефицитом FMRP значительно увеличивается  объем гиппокампа . В частности, структурные методы МРТ показывают увеличение объема гиппокампа с P18-30 у мышей Fmr1 KO.  Другим хорошо описанным и воспроизводимым дефектом роста, наблюдаемым у пациентов и мышиных моделей FXS, является макроорхидизм. У мышей Fmr1 KO наблюдается увеличение массы яичек, которое связано с повышенной пролиферацией поддерживающих клеток Сертоли во время эмбрионального развития.

Туберозный склероз

        Туберозный склероз (TSC) представляет собой расстройство нервного развития, которое вызывается аутосомно-доминантными мутациями в генах-супрессорах опухолей TSC1 или TSC2, которые функционируют в качестве негативных регуляторов сигнального каскада mTOR. Потеря функции TSC1 / 2, которая усиливает рост клеток и способствует нарушению метаболизма, приводит к образованию незлокачественных опухолей в коже, мозге и других органах.
 

Категория сообщения в блог: 

Добавить отзыв