Сегодня становится все более ясным, что шизофрения не является отдельным диагнозом психического расстройства , что речь идет в лучшем случае о растройствах шизофренического спектра. Отчасти отсюда следуют сложности этиологии и патогенеза шизофрении, охватывающие , как генетические , так и экологические факторы в широком смысле этого слова. Злоупотребление психоактивными веществами довольно распространено среди больных шизофренией, а различные сопутствующие ( коморбидные ) заболевания и различия в образе жизни также оказывают значительное влияние на результаты молекулярных исследований этого психического расстройства.
Комбинированные генетические и транскриптомные исследования доказывают, что молекулярные основы шизофрении оказались еще более разнообразными, чем синдромы и симптомы шизофрении. Действительно, для того, чтобы расшифровать патогенез шизофрении , нам необходимо понять функцию сотен генов и регуляторных элементов в нашем геноме, а также последствия их сверхэкспрессии или снижения экспрессии , особенно , в контексте развития мозга.
Транскриптомные исследования посмертной ткани мозга больных шизофренией показали, что синаптические, митохондриальные, олигодендроцитарные изменения являются звеньями патогенеза этого психического расстройства.
Задача исследователей дополнительно осложняется ограниченной доступностью посмертного материала, продолжительностью интервала между смертью больного и началом исследований , "мутной" историей приема разных лекарств, обстоятельств смерти и прогрессирования заболевания с момента его начало до исхода , включая и сроки извлечения тканей головного мозга для его исследования.
Изменения экспрессии генов в посмертных исследованиях больных шизофренией изучались в течение многих десятилетий. Эти исследования первоначально включали методы со слабой пропускной способностью ( блоттинг и гибридизация in situ) , но в дальнейшем были расширены до КПЦР, микрочипов ДНК и RNAseq. За последние 50 лет было получено огромное количество данных, однако наше понимание изменений экспрессии генов при шизофрении, по - прежнеум, все еще остается ограниченным. Кроме того, учитывая потенциальные отклонения в когорте выбранных для исследования больных и , как правило, очень малые размеры выборки, различия в экспериментальной методологии и различные методы анализа данных, неудивительно, что результаты исследований транскриптома часто не повторяются при шизофрении.
Несмотря на то, что большинство изменений в экспрессии одного гена при шизофрении имеют плохую воспроизводимость в разных исследованиях, подходы, основанные на систематизации данных, смогли предоставить нам более воспроизводимый список нарушений сети экспрессии генов, связанных с шизофренией. Тем не менее, важно отметить, что не у всех пациентов наблюдается дефицит во всех молекулярных доменах: скорее наблюдается четкая молекулярная суб-стратификация пациентов, причем , этиопатогенетически разные процессы могут привести, в конечном итоге, к одному и тому же психопатологическому синдрому. Таким образом, создается впечатление , что шизофрения не является заболеванием одного молекулярного пути - скорее, изменения транскриптома приводят доводы в пользу существования преимущественно «синаптического», «аксонального" , "глиального" и множества других молекулярных подтипов шизофрении, которые сортируются вдоль континуума в сложном, частично перекрывающемся паттерне: у каждого больного шизофренией может наблюдаться доминантный дефицит в одном из молекулярных доменов, но общий молекулярный дефицит может также охватывать элементы еще и из других молекулярных путей. Все это вызывает скепсис у клиницистов и уже начинает вести к ослаблению интереса психиатров к "молекулярной психиатрии". Исследователи нередко фокусируются на изменениях мРНК - однако ясно, что другие некодирующие виды РНК также играют критическую роль в регуляции экспрессии генов и, по-видимому, вносят значительный вклад в патологический процесс при шишофрении.
Исследования экспрессии генов после смерти обычно выполняются на десятках образцов головного мозга, в то время как исследования ассоциаций всего генома (GWAS) включают уже сотни тысяч образцов пациентов. На сегодняшний день исследования GWA выявили ряд генетических элементов , которые предрасполагают к шизофрении. Складывается впечатление, что при расстройствах шизофренического спектра "работают" как бы два разных, но взаимосвязанных этиологических механизма: общие аллели, придающие малый кумулятивный риск заболеванию через однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), и низкочастотные структурные хромосомные аномалии с большим эффектом, известные как варианты с числом копий (CNV). Тем не менее, обычные SNPs с относительно небольшими величинами эффекта могут лишь частично объяснить значительное наследование заболевания , а определение CNV как причины болезни является еще более сложной задачей. Напротив, исследования экспрессии генов после смерти выявили гораздо более сильные сигналы, связанные с заболеванием: даже при небольших размерах выборки имеются хорошо реплицированные нарушения экспрессии генов, которые присутствуют в значительной группе больных шизофренией. Например, недостаточная экспрессия GAD1 / GAD67, по-видимому, является отличительной особенностью шизофрении и присутствует у большинства пациентов с этим расстройством - однако она не может быть объяснения генетической восприимчивостью в самом гене GAD1, образом жизни, истории приема психотропных препаратов или другими обстоятельствами , связанными с экологическими факторами. Аналогичным образом, нарушения со стороны иммунной системы могут быть выявлены более , чем 20% посмертных мозгов больных шизофренией , но эти изменения невозможно проследить до определенной генетической предрасположенности. Вышесказанное, говорит о том, что изменения экспрессии генов представляют собой совокупное считывание различных вариантов генетической чувствительности к болезни и воздействий факторов окружающей среды, которые сходятся на общих молекулярных (и в конечном итоге структурно - функциональных ) звеньях патогенеза шизофрении.
Исследования шизофрении по локусам количественных признаков экспрессии (eQTLs) также поддерживают гипотезу о наличии общего, как бы сходящегося экспрессионного считывания генетической уязвимости. eQTL представляют собой геномные локусы, которые регулируют уровни экспрессии мРНК или белков. В контексте шизофрении можно было бы предсказать, что аллели восприимчивости к шизофрении обогащены теми, которые могут влиять на экспрессию генов, и что eQTL должны нести больше истинных сигналов ассоциации. Последние исследования убедительно подтверждают эту гипотезу : аллели восприимчивости к шизофрении обогащены SNP, которые влияют на экспрессию генов в мозге взрослого человека. Кроме того, eQTL с более высокой вероятностью предсказывают шизофрению, по крайней мере , лучше, чем те, которые не имеют отношения к eQTL .
Еще одним доказательством конвергенции генома-транскриптома является связь между генетической восприимчивостью, обнаруженной в ДНК пациентов, и изменениями экспрессии генов, наблюдаемыми в посмертном мозге больных шизофренией. Подавляющее большинство генов восприимчивости к шизофрении также показывают измененную экспрессию транскрипта в посмертном мозге, даже у субъектов, которые не имеют этих специфических предрасполагающих к болезни вариантов. Это положение верно, как для ранее идентифицированных генов-кандидатов, так и для исследований GWAS, открывших более широкий спектр генов восприимчивости. Например, локус главного комплекса гистосовместимости несет генетическую восприимчивость к шизофрении , а транскрипты, происходящие из этой цитогенетической области, также обнаруживают дисрегуляцию в исследованиях посмертной транскриптомы - даже в головном мозге без видимой генетической предрасположенности в том же локусе. Аналогичным образом связанный с риском возникновения шизофрении SNP субъединицы альфа-1C в управляемом напряжением кальциевом канале L-типа (CACNA1C) демонстрирует изменения экспрессии мРНК в головном мозге больных шизофренией, и аналогичная взаимосвязь наблюдается для фактора транскрипции 4 (TCF4) и, возможно, и для других генов, предрасполагающих к шизофрении. Иными словами , различные генетические восприимчивости могут вызывать общее изменение экспрессии в точках молекулярных конвергенций.
Давно известно, что генетическая восприимчивость ( уязвимость) может усиливаться факторами окружающей среды. Общепризнанно, что рост заболеваемости шизофренией связан с городским образом жизни, внутриутробными инфекциями, недоеданием, злоупотреблением каннабисом, перинатальной гипоксией и другими факторами. Эти неблагоприятные события действуют совместно с генетической предрасположенностью, а , по сути, изменения транскриптома представляют собой сумму взаимодействий гена с окружающей средой, которые совместно нарушают "баланс транскриптома". В конечном счете, изменения транскриптома будут влиять на рост, направление аксонов, наложение нейронов, образование и обрезку синапсов, энергетический обмен и многие другие процессы развития и клеточные процессы. Как только компенсаторные механизмы дают сбой , эти изменения проявляются как специфический фенотип психического расстройства , который мы определяем как симптомы и синдромы заболевания. Итак, влияние на предполагаемые гены восприимчивости к шизофрении сильно зависит от окружающей среды. У мышей-мутантов DISC1 при ранней иммунной активации или "социальных стрессах " наблюдается более выраженный поведенческий и молекулярный дефицит, который не выявляется у интактных мутантов. Кроме того, мягкий стресс изоляции влияет на мезокортикальную проекцию дофаминергических нейронов, но только в сочетании с соответствующим генетическим риском возникновения нейропсихиатрических расстройств. Кроме того, ifitm3- / - у мышей не развивается характерный клеточно-молекулярно-поведенческий фенотип после материнской иммунной активации (например, нарушение разрастания нейритов и образование дендритного отдела , снижение экспрессии MAP2, измененное распознавание объекта и исследовательское поведение), что свидетельствует о взаимодействии генов со средой и о том, что здесь могут действовать как вредные, так и защитные факторы. Важно отметить, что экологическая модификация предрасположенности к генетическим болезням связана не только с шизофренией, но и является универсальной для многих нейропсихиатрических расстройств. Например, в сочетании с неблагоприятным жизненным опытом люди с одной или двумя копиями короткого аллеля полиморфизма промотора 5-НТТ проявляют больше депрессивных симптомов и суицидальность, чем индивидуумы, гомозиготные по длинному аллелю. Напротив, модели мутантных по болезни Альцгеймера мышей при воздействии обогащенной среды демонстрируют значительно уменьшенное отложение амилоида в мозге и менее значительное снижение когнитивных функций.
Хорошо известно, что влияние внешней среды (экологические воздействия) защищают или предрасполагают к болезням. Тем не менее, экологические факторы, по-видимому, совершенно не связаны с заболеваниями в их эффектах и проявлениях. Например, физические упражнения замедляют прогрессирование болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона , болезни Хантингтона и многих других заболеваний головного мозга. Аналогично, пренатальная иммунная активация различными агентами, по-видимому, предрасполагает как к шизофрении, так и к аутизму. Таким образом, большинство воздействий окружающей среды можно рассматривать как общие предрасполагающие / защитные средства при различных заболеваниях головного мозга. Можно выдвинуть гипотезу , согласно которой специфичность заболевания и его психопатологические (фенотипические) симптомы определяются генетической предрасположенностью: одно и то же экологическое воздействие может вообще не иметь никакого эффекта, иметь лишь незначительный эффект или приводить к четко определенному психопатологическому конечному фенотипу, часто давая "подняться" до окончательного клинического диагноза шизофрении. Таким образом, конкретные конечные результаты - психопатологические синдромы , вероятно, будут определяться все же генетической восприимчивостью. Выводы группы PGC Cross Disorders, показывающие, что некоторые расстройства имеют значительную генетическую ко-вариацию , подтверждают справедливость этой гипотезы. Это исследование приводит к мысли о том , что существуют общие строительные блоки (гены) множества психических расстройств. Зная, что обнаруженные GWAS генетические элементы, предрасполагающие к болезням, совершенно различны для шизофрении и большой депрессии , вполне вероятно предположить , что специфическая предрасположенность к болезни является результатом комбинации различных генетических элементов в геноме индивидуума. Таким образом, одни и те же генетические элементы расположенные в разном порядке и сочетании будут предрасполагать к различным нейропсихиатрическим расстройствам. Кроме того, следует отметить, что точные сроки, продолжительность, частота и масштабы вредных воздействий окружающей среды оказывают огромное влияние на конечный результат, поскольку генетическая предрасположенность и влияния окружающей среды взаимодействуют на временной шкале развития мозга. Несмотря на то, что мы знаем, что пороки развития во время внутриутробного периода жизни плода предрасполагают к шизофрении (например, внутриутробная материнская инфекция), похоже, что существует множество периодов уязвимости, которые простираются вплоть до подросткового возраста, поскольку злоупотребление каннабисом в подростковом возрасте связано с большей заболеваемостью шизофренией. К сожалению, в настоящее время мы не понимаем, как фенотипы психопатологических синдромов связаны с изменениями транскриптома, вызванными взаимодействием гена и окружающей среды в мозге человека . поскольку эти процессы, конечно, могут только частично моделироваться у животных.
Сегодня диагноз шизофрении устанавливается на основании фенотипически-симптоматических проявлений заболевания. Несмотря на огромное генетическое разнообразие в геноме пациентов, проявления заболевания (установленные диагностическими критериями современных феноменологических классификаций ) относительно известны и признаны большинством психиатров. Лечение разных вариантов шизофрении сегодня также очень похоже, независимо от основного генетического разнообразия. Персонализированное лечение, основанное на генетическом составе пациентов, хотя и демонстрирует значительные перспективы, остается недостижимым для громадного большинства психиатров. Тем не менее, фенотипическое сходство и использование одной и той же терапии у пациентов с шизофренией предполагает, что существует сильная молекулярная конвергенция: хотя сочетание генетической уязвимости и окружающей среды может быть уникальным для каждого пациента, и те и идругие участвуют в общих путях ( звеньях патогенеза) , связанных с заболеванием, нарушая фундаментальные процессы которые вызывают изменение обработки информации, эмоциональные реакции и отчасти стереотипные формы поведения. Эта концепция в значительной степени подтверждается микроанатомическими нарушениями и сигнатурой транскриптома в посмертном мозге больных шизофренией, где нарушения достаточно типичны для относительно большой подгруппы больных - даже когда исследуемая когорта слишком мала для выявления генетической предрасположенности к заболеванию. С этой точки зрения, шизофрению можно считать "заболеванием сходящихся молекулярных путей".
С точки зрения этиопатогенеза шизофрении, не все гены и транскрипты созданы равными. Некоторые гены кодируют белки, которые имеют сотни взаимодействующих партнеров, в то время как другие служат одной цели. Нонсенс-мутации или делеция некоторых генов приводят к смерти или четко определенному заболеванию, тогда как другие могут быть удалены из генома без видимых вредных воздействий на общее состояние здоровья или поведение. Таким образом, генные транскрипты можно сравнить с набором сложно организованных плиток домино со многими сходящимися линиями, где падение одного домино может оказать огромное влияние или совсем небольшое влияние на всю сеть. Таким образом, становится ясно, что основными направлениями исследований транскриптома головного мозга сегодня являются молекулярные пути, а не отдельные гены. Этот подход может группировать гены вместе на основе известных функций (например, генов синаптического высвобождения, факторов транскрипции), генно-центрированных путей (например, передача сигналов TrKB, AKT, BDNF или DISC1), патогенеза заболевания (например, функция ApoE или PS1), метаболические пути (например, окислительное фосфорилирование, пентозный цикл), субстратная активность (например, рецепторные тирозинкиназы, GPCR), внутриклеточное расположение кодируемого ими белка (клеточная мембрана, цитозоль, ER), местоположение хромосомы (22q11-13 генов), или любой другой принцип, который подходит для конкретного исследования. Затем, после проведения анализа пути ( патологического процесса ) , исследователь может сделать выводы о преимущественном участии или обогащении определенной группы транскриптов.
За последние десять лет было разработано несколько дополнительных и бесплатных программных пакетов и подходов. Они сыграли важную роль в переключении нашего внимания с «анализа одного гена» на «оценки путей». Несмотря на то, что эти аналитические инструменты вносят большой вклад в наше понимание нарушенного транскриптома и измененной клеточной функции, остается ряд важных проблем.
Во-первых, как уже упоминалось, относительный вес любого гена в конкретной сети плохо изучен. Должны ли так называемые «гены-концентраторы» (точки молекулярной конвергенции между различными путями) получать особое внимание в этих анализах, основываясь на их участии в различных молекулярных сетях? Должны ли факторы транскрипции быть более взвешенными, поскольку они часто контролируют экспрессию множества генов и протяженных нижестоящих молекулярных каскадов?
Во-вторых, включение многих членов одного семейства генов в один путь может нарушить изученный путь, что приведет к ложно отрицательным и ложноположительным результатам. Например, включение более 15 генов синаптотагмина в путь синаптического высвобождения может потенциально замаскировать влияние на молекулярный каскад - особенно если путь синаптического высвобождения является узко определенным и включает относительно небольшое количество транскриптов гена за пределами семейства синаптотагмина. Оценка экспрессии такой группы генов представляла бы собой анализ «семейства синаптотагминов», а не оценку «синаптического пути», что потенциально может привести к ложным выводам об участии синаптического пути. В-третьих, насколько инклюзивным должен быть какой-либо молекулярный путь? Транскрипты, кодирующие многофункциональные белки (например, гены раннего непосредственного происхождения, семейство генов 14-3-3) могут потенциально влиять на сотни молекулярных путей, с различными величинами воздействия на каждый из них. Включение их во все пути, в которых они могут участвовать, может поставить под угрозу специфику пути, но как мы можем решить, когда их следует включать или исключать?
В-четвертых, большинство анализов путей не учитывают микроанатомическую компартментализацию и функциональное разнообразие клеток мозга. Тем не менее, разные типы клеток часто используют разные сети транскрипции. Большинство экспериментов с транскриптомом проводят на РНК, происходящей из различных популяций клеток (например, области мозга или кортикального слоя), которая содержит профили транскриптома, специфичные для нескольких типов клеток (глия, главные нейроны, интернейроны), и ограниченные изменения, специфичные для типа клеток, вымываются и смешиваются в искусственное среднее для всего образца. Например, хотя рецепторы гамма - аминомаслянной кислоты и транскрипты GAD67 могут быть классифицированы как часть гамк-эргического пути, они могут не экспрессироваться на одном и том же типе клеток. Более того, недостаточная экспрессия одного и того же рецептора может оказывать совершенно различное влияние на нейронную сеть и поведение, если это происходит в тормозных интернейронах или в главных глутаматергических возбуждающих нейронах. Наши инструменты анализа не очень подходят для соблюдения этой анатомической компартментализации. Находя биологически значимые корреляции, WGCNA, возможно, является наиболее подходящим аналитическим методом для решения некоторых из этих проблем, но даже этот подход не может определить изменения транскриптома конкретным типам клеток анатомических субструктур. В результате специфическое для типа клеток обогащение исходного материала с помощью лазерной диссекционной микроскопии и сортировки потока может вывести профилирование транскриптома на совершенно новый уровень разрешения. Однако эти методы сбора данных трудоемки, требуют много времени и ресурсов и имеют низкую пропускную способность, и на сегодняшний день их применение в экспериментах по профилированию транскриптома ограничено.
Профилирование транскриптомных нарушений головного мозга человека все еще развивается, и у нас уже есть постоянно расширяющийся арсенал доступных нам инструментов. Нозерн-гибридизация уступила место гибридизации in situ и КПЦР, в то время как микрочипы экспрессии генов и SAGE быстро теряют почву для секвенирования РНК. Хотя все эти методы генерируют ценные, интересные и технически правильные данные, однако, здесь остаются серьезные проблемы.
Во-первых, похоже, что наша основная задача - биологическая, а не техническая. Шизофрения является очень широким диагнозом, так как она описывает спектр, а не четко определенный признак или даже синдром заболевания. Комбинированные генетические и транскриптомные исследования утверждают, что молекулярные основы могут быть такими же гетерогенными, как и клинические проявления у пациентов, но это должно быть дополнительно подтверждено в широкомасштабных исследованиях. Таким образом, неудивительно, что результаты генной экспрессии при шизофрении часто не повторяются у разных групп пациентов. Категоризация шизофрении на более однородные биологические и генетические конструкции была основной проблемой: клинические усилия по классификации шизофрении еще не привели к открытию четко прогностически значимых (центральных или периферических) биомаркеров заболевания.
Второй проблемой молекулярного профилирования является доступ к значимому биологическому материалу, и исследования после смерти, как правило, проводятся на десятках образцов, что потенциально может повлиять на результаты таких исследований. Посмертная ткань головного мозга является ограниченным ресурсом, полученным через несколько десятилетий после начала заболевания. Полученные профили транскриптома отражают комбинацию болезненного процесса, прогрессирования заболевания, посмертного интервала, изменений образа жизни, сопутствующей патологии, лечения заболевания, индивидуальной изменчивости и многих других факторов. Напротив, периферические биомаркеры, хотя и легкодоступны и лучше контролируются, не четко отражают процесс заболевания, который в основном происходит в мозге. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (IPSC) и обонятельные клетки пациентов гораздо лучше подходят для понимания механизмов патогенеза заболевания, чем для оценки биохимических анализов, и первоначальные исследования показывают, что они имеют большие перспективы для расшифровки звеньев патогенеза шизофрении. Тем не менее, в настоящее время это технология с низкой пропускной способностью со значительными ограничениями: шизофрения также связана с возможностью соединения между клетками, различными типами клеток, типами ламинирования и многими другими факторами, которые чрезвычайно сложно изучать с использованием систем in vitro .
Заключение
Мы можем найти обогащение CNV у пациентов с шизофренией, идентифицировать предрасполагающие SNP, определить последовательность ДНК всех людей на планете, описать нарушения транскриптома, связанные с заболеванием, но все эти знания могут быть недостаточными, поскольку только предоставят нам ограниченные понимание этиопатогенеза шизофрении. Наше окончательное понимание шизофрении будет частично основано на новых аналитических подходах (таких как картографирование de novo) мутации в транскриптомных сетях мозга человека на протяжении всего развития в сочетании с целевыми, функциональными экспериментами. Кроме того, нам нужно будет интегрировать генетические, транскриптомно-эпигенетически-протеомные знания друг с другом и со всеми другими источниками данных, включая (но не ограничиваясь ими) визуальную, анатомическую, нейрофизиологическую (электрофизиологическую) и эпидемиологическую информацию. Это единственный способ понять фенотипическое разнообразие, которое характеризует шизофрению, и только такой подход приведет к истинно персонализированной диагностике и лечению.
Это грандиозные задачи, и на их решение уйдет много лет, но есть основания для оптимизма. Консорциум CommonMind - это многопрофильное академическое, промышленно-некоммерческое партнерство, целью которого является получение и анализ крупномасштабных данных от людей с психоневрологическими расстройствами и нарушениями развития нервной системы. Консорциум делает эти данные и результаты анализов общедоступными в качестве бесплатного ресурса, и это совместное начинание может революционизировать наше понимание молекулярного этиопатогенеза шизофрении. Важно, что благодаря общей платформе анализа, стандартизированной методологии, унифицированной обработке и большому размеру выборки этот подход устранит многие ложные положительные результаты и несоответствия, которые встречаются в литературе на сегодняшний день. Таким образом, полученные данные могут позволить провести истинную молекулярную характеристику посмертного мозга в разных подгруппах пациентов, в конечном итоге связав их с основными эндофенотипами шизофрении.
Кроме того, Исследовательская деятельность мозга с помощью Инициативы по продвижению инновационных нейротехнологий (BRAIN) и проекта Connectome человека (картирование нервных путей, лежащих в основе функции мозга человека), Сеть нейротерапии ( http: //www.neuroscienceblueprint.nih) .gov / bpdrugs / -связь между академическими и отраслевыми исследованиями в области разработки лекарственных средств), Информационным центром по инструментам и ресурсам нейроизображения (NITRC - http://www.nitrc.org/ ) и другими крупномасштабными инициативами ( http: // www. alleninstitute.org ) имеют больший потенциал , чем проект «Геном человека», но только в том случае, если знания из различных проектов должным образом будут интегрированы. Три десятилетия назад было невероятно, что мы когда-нибудь сможем упорядочить весь человеческий геном. Авторы статьи цитируют агента К из фильма « Люди в черном » (1997):«1500 лет назад все знали, что Земля является центром вселенной. 500 лет назад все знали, что Земля плоская. И 15 минут назад вы знали, что люди были одни на этой планете. Представьте, что вы узнаете завтра ».
Добавить комментарий