Геномные исследования шизофрении, с использованием полной ассоциации генома (GWAS), вариаций числа копий (CNV), микрочипов и секвенирования следующего поколения (RNAseq) связали шизофрению с редкими генетическими вариациями. Существуют убедительные доказательства того, что нет известных менделевских вариантов, идентифицированных для этого заболевания. Вместо этого вариации многих генов с подтвержденным вовлечением редких структурных вариаций и общих вариаций с тонкими эффектами, как полагают, участвуют в этиологии заболевания. Геномные исследования шизофрении не дали ответа на основные вопросы о патогенезе заболевания и не привели к выявлению диагностических, прогностических или терапевтических биомаркеров. Кроме того, текущие исследования показывают, что шизофрения может возникнуть в результате взаимодействия между процессами развития нервной системы и воздействиями окружающей среды.
Понимание шизофрении как сложного заболевания требует определения не только экспрессии генов и вариаций ДНК, но также определения обилия и модификаций различных белков и их распределения на грубом анатомическом, клеточном и субклеточном уровнях. Протеомика направлена на то, чтобы разгадать биологические процессы, основанные на качественном и количественном сравнении протеомов. Это дает другой уровень понимания, чем геномика по нескольким причинам. Во-первых, экспрессия или функция белков модулируется во многих различных точках, от транскрипции ДНК до посттрансляционных модификаций , и очень мало можно предсказать из анализа только нуклеиновых кислот. Во-вторых, обычно наблюдается плохая корреляция между количеством мРНК, транскрибированной с ДНК, и количеством белка, транслированного с этой мРНК.
Протеомные исследования в значительной степени улучшили наше понимание шизофрении на основе количественной и качественной идентификации паттернов белка в посмертных тканях мозга, периферических тканях и жидкостях организма. Это расширило наши знания о сложных белковых сетях и путях передачи сигнала, пораженных шизофренией. Кроме того, появляющиеся протеомные платформы облегчают идентификацию кандидатов в биомаркеры путем одновременного измерения сотен или тысяч молекул в не связанных с гипотезой сравнительных исследованиях протеомики. Этот подход позволил установить первый специфический анализ крови для диагностики шизофрении ( Schwarz et al., 2010 ). Тест охватывал 51 биомаркер с общей чувствительностью и специфичностью 83%. Клиническая полезность этого теста была изучена с точки зрения специфичности по сравнению с другими психическими расстройствами и способности определять синдром сложной шизофрении на основе молекулярных профилей (Schwarz et al., 2014 ).
Область протеомики стремительно развивается, совершенствуется масс-спектрометрия, алгоритмы идентификации пептидов и биоинформатика. Более масштабные исследования, стандартизированный сбор и обработка образцов и высокотехнологичные протеомные платформы обещают новые диагностические, прогностические и терапевтические биомаркеры при шизофрении.
История протеомных исследований шизофрении в значительной степени напоминает историю протеомики в целом, обусловленную за последние несколько десятилетий достижениями в области инструментария и анализа данных , полученных с помощью масс-спектроскопии.
В самых ранних протеомных исследованиях шизофрении использовался двумерный электрофорез в полиакриламидном геле (2-D PAGE) в сочетании с масс-спектрометрической идентификацией (MS), в основном на основе матричной лазерной десорбции / ионизации (MALDI) во время "полета" ( TOF) - инструменты TOF. Более того, 2-D PAGE / MS и, позже, 2-D разностный гель-электрофорез (DIGE) / MS являются наиболее известными платформами в исследовании посмертных тканей мозга. Протеомная техника «Shotgun» не использует гели и нацелена на одновременное касание всех возможных целей. Это мощные инструменты для изучения крупномасштабной экспрессии белка и характеристики сложных биологических систем. Поверхностно-усиленная лазерная десорбция / ионизация времени пролета масс-спектрометрии (SELDI-TOF-MS) также была применена в исследовании шизофрении. В то время как все обсуждаемые протеомные платформы имеют свои сильные и слабые стороны, становится все более общепринятым, что комбинации различных протеомных методов могут использовать преимущества каждого метода для увеличения количества идентифицированных и количественных белков.
Поскольку шизофрения предположительно является заболеванием головного мозга, сравнительный протеомный анализ посмертной мозговой ткани человека представляет наибольший интерес, поскольку он может выявить связанные с болезнью белки. Это может помочь в понимании молекулярных механизмов заболевания и, кроме того, указать потенциальных биомаркеров в качестве кандидатов для диагностики, прогноза и терапии.
У людей с шизофренией наблюдается плохая рабочая память ( Park and Holzman, 1992 ), аномальные движения глаз ( Park and Holzman, 1993 ) и патологическое исполнительное функционирование ( Velligan and Bow-Thomas, 1999 ). Хорошо известные аномалии дорсолатерального (DL) PFC, отмеченные при шизофрении, включают неспособность активации во время теста сортировки карт ( Daniel et al., 1991)., снижение экспрессии кальций-связывающих белков и декарбоксилазы глутаминовой кислоты в интернейронах ( Hashimoto et al., 2003 ), снижение плотности шипов на пирамидальных клеточных дендритах ( Glantz and Lewis, 2000 ) и уменьшение объема коры без потери нейронов ( Selemon и др., 1995 ). Первое протеомное исследование шизофрении ( Johnston-Wilson et al., 2000 ) использовало 2-D PAGE / MS для сравнения PFC, в частности, области Бродмана (BA) 10, посмертных человеческих мозгов от больных шизофренией, больных с другими психическими расстройствами и «контроль» (то есть лица, которые умерли без психического расстройства в анамнезе).
Передняя поясная извилина (ACC) участвует в эмоциях и поведении ( Luu and Posner, 2003 ). Ассоциация между ACC и шизофренией была основана на патологической активации ACC во время галлюцинаций ( Cleghorn et al., 1990 ) и выполнении заданий ( Carter et al., 1997 ;Quintana et al., 2004 ) и показана на гистологических отклонениях ( Benes et al. ., 2001 ; Bouras et al., 2001 ; Chana et al., 2003 ; Salgado-Pineda et al., 2003 ).
В невропатологических и нейровизуальных исследованиях неоднократно сообщалось о структурных отклонениях мозолистого тела (CC) при шизофрении, таких как меньший объем, плохая структурная целостность аксонных волоконных путей и снижение плотности аксонов. Гиппокамп и медиодорсальный таламус (MDT) являются "областями интереса " при шизофрении, ранние исследования сообщали о структурных отклонениях, которые впоследствии были поставлены под сомнение.
Общим для всех протеомных исследований мозговой ткани при шизофрении является то, что независимо от анализируемой платформы и области мозга постоянно наблюдаются изменения энергетического метаболизма, выраженные в виде нарушенных уровней белков, включенных в гликолиз, цикл Кребса, митохондриальная дисфункция, окислительная активность. стресс и различные другие энергетические пути. Также наблюдались нарушения белков, обеспечивающих синаптическую функцию и передачу сигнала.
Центральным путем энергетического обмена является гликолиз. Протеомный анализ различных областей мозга от людей с шизофренией последовательно выявил ряд дифференциально экспрессированных гликолитических ферментов.
Как и с белками, участвующими в энергетическом обмене, протеомные исследования мозговой ткани последовательно выявили изменения в изобилии некоторых цитоскелетных компонентов клетки. Они охватывают 4 основных компонента: (1) микрофиламенты, состоящие из актина, (2) микротрубочки, состоящие из тубулина, (3) промежуточные филаменты, представляющие собой семейство около 70 различных белков, и (4) белки, ассоциированные с микротрубочками. Белки, ассоциированные с цитоскелетом, дигидропиримидиназный белок 2 (DPYSL2), семейство белков 14-3-3 (YWHAE, YWHAZ, YWHAG, YWHAH, YWHAB), спектрин (SPTAN1), статмин (STMN1) и различные представители белков теплового шока ( HSPD1, HSPA5, HSPA8, HSPA1L, HSPA1A, HSPA1B) были обнаружены с аномальным изобилием в более чем 5 независимых исследованиях, что обеспечивает дополнительную поддержку цитоскелетной дисфункции при шизофрении.
Дисфункция олигодендроцитов при шизофрении была предположена с помощью исследований визуализации мозга, эпигенетических и транскриптомических исследований. Шесть исследований протеомики от 2 независимых групп обнаружили измененную экспрессию некоторых олигодендроцит-родственных белков в тканях мозга при шизофрении, таких как 2 ', 3'-циклическая нуклеотид-3'-фосфодиэстераза (CNP), основной белок миелина (MBP), гликопротеин олигодендроцитов миелина (MOG) и гельзолин (GSN).
Сравнительный протеомный анализ жидкостей организма представляет наибольший клинический интерес, поскольку может выявить биомаркеры для диагностики, выбора терапии и будущего течения шизофрении. Известно 20 протеомных исследований, в которых изучались потенциальные биомаркеры шизофрении в спинномозговой жидкости, крови, поте и слюне, и 2 дополнительных исследования, в которых изучались изменения белка в мононуклеарных клетках периферической крови (РВМС).
Спинномозговая жидкость (CSF) и кровь являются основными жидкостями организма, используемыми в протеомных исследованиях неврологических или психических расстройств, включая шизофрению. Предполагается, что CSF является представителем внеклеточного пространства в ЦНС. Следовательно, патологические нарушения мозга могут быть непосредственно отражены в CSF. Нормальные концентрации белка CSF составляют ~ 0,5% от нормальной сыворотки или плазмы, что требует высокочувствительных аналитических методов. Выборка CSF умеренно инвазивна, поэтому трудно проводить продольные исследования. Первая двумерная карта протеома CSF человека была представлена Goldman и соавторами в 1980 году.
Исследования выявили измененные уровни белков, участвующих в молекулярном транспорте холестерина, и белков, участвующих в метаболизме фосфолипидов [аполипопротеин AI (APOA1), аполипопротеин A-IV (APOA4) и аполипопротеин E (APOE), 23-62 пептид VGF], транстиретин (TTR), фермент метаболизма арахидоновой кислоты - простагландин-H2D-изомераза (PTGDS), предшественник белка 3, содержащий спиральный домен (CCDC3), и трансформирующий рецептор фактора роста β-типа 1 (TGFBR1).
Основное преимущество использования крови для обнаружения биомаркеров обусловлено двумя основными характеристиками крови. За исключением мочи, которая обычно не содержит белка, кровь является наиболее легкой и наименее инвазивной жидкостью организма для клинических исследований. Такая доступность позволяет проводить многократные замеры на разных стадиях заболевания и лечения. Во-вторых, кровь взаимодействует со всеми тканями и, следовательно, может указывать на изменения в любой части тела.
Нам известно 14 протеомных исследований, исследующих потенциальные биомаркеры в плазме и сыворотке. Первые 2 исследования исследовали протеом плазмы с помощью 2-D PAGE в сочетании с MS. Они выявили измененные уровни белков острой фазы ответа ( Yang et al., 2006 ; Wan et al., 2007), предполагая связь между системами воспалительного ответа и патогенезом шизофрении. Пораженные белки включали гаптоглобин (HP), α-1-антитрипсин (SERPINA1), предшественник фактора комплемента B (CFB), аполипопротеин A1 (APOA1), аполипопротеин A4 (APOA4), транстиретин (TTR), амилоидный P-компонент сыворотки (APCS ), альфа-1-микроглобулин (AMBP) и антитромбин III (SERPINC1).
Исследование, использующее платформу SELDI-TOF для анализа лизатов стимулированных Т-лимфоцитов, обнаружило изменения α-дефенсина (DEFA) у субъектов с минимальной медикаментозной терапией и шизофренией, а также у их монозиготных близнецов без шизофрении ( Craddock et al., 2008 ), предполагая, что это маркер восприимчивости. Первое исследование сывороточного протеома показало, что наиболее значительно измененные белки относятся к семейству аполипопротеинов (аполипопротеин D [APOD], аполипопротеин A1 [APOA1], аполипопротеин A4 [APOA4], аполипопротеин A2 [APOA2] и аполипопротеин C1 [APOC1]) , участвует в метаболизме липопротеинов высокой плотности и богатых триглицеридами липопротеинов, а также в обратном пути транспорта холестерина. За ними следовали белки, участвующие в иммунном ответе (CD5-подобные [CD5L], IgM [IGHM], трансферрин [TF]) и в резистентности к инсулину (α-2-HS гликопротеин [AHSG]. Последующие исследования ( Jaros et al., 2012 ; Li et al., 2012 ) подтвердили, что субъекты с шизофренией имеют сывороточные аномалии в уровнях и фосфорилирование белков, участвующих в иммунном ответе. Эти исследования также показали, что каскады комплемента и коагуляции являются наиболее значимыми путями нарушения шизофрении.
Однако в большинстве исследований плазмы и сыворотки использовались мультиплексные иммуноанализы, содержащие выбранные подмножества биомаркеров, построенные на основе результатов предыдущих исследований протеомики discovery.
Первая попытка разработать молекулярный тест с клинической пользой для диагностики шизофрении привела к образованию 51-плексной панели биомаркеров с чувствительностью и специфичностью 83% ( Schwarz et al., 2010 ). Изучение специфичности этой панели для шизофрении по сравнению с другими психическими расстройствами привело к созданию уменьшенной панели из 34 биомаркеров, которая позволила отделить 60–75% субъектов шизофрении от контроля в 5 независимых когортах ( Schwarz et al., 2012).
В самых последних исследованиях был также исследован мультиплексный тест иммуноанализа на способность идентифицировать заболевание до клинического проявления ( Schwarz et al., 2012 ) и характеризовать подгруппы людей с шизофренией на основе затронутых молекулярных путей ( Schwarz). и др., 2014 ). В нескольких исследованиях по мультиплексному иммуноанализу выявлены повышенные пептиды, связанные с инсулином, у пациентов с шизофренией первого начала, что позволяет предположить, что нарушение регуляции метаболических путей глюкозы может играть роль в развитии шизофрении ( Guest et al., 2010 , 2011 ; Schwarz et al., 2012 ). Изменения иммунного ответа также наблюдались в нескольких исследованиях ( Schwarz et al., 2013 ). Кроме того, у людей с шизофренией наблюдались измененные уровни гормонов (пролактина, кортизола, прогестерона и гормона роста) в крови, что указывает на то, что могут быть затронуты функции нескольких компонентов оси гипоталамус-гипофиз-надпочечник-гонад ( Domenici et al. ., 2010 ).
Исследование Raiszadeh et al. (2012) выявили 17 белков с дифференциальной численностью примерно в два раза или более между шизофренией и здоровыми субъектами. Эти белки включают разнообразные биологические функции: окислительный стресс, липидный обмен, кальций связывающие и другие связывающие белки, эпидермальную дифференцировку и целостность, ингибирование протеазы, клеточную адгезию клеток и гликолиз. Потенциал пота в качестве источника новых биомаркеров шизофрении был отмечен, поскольку только 5 белков [альбумин (ALB), альфа-2-гликопротеин 1 (AZGP1), изоформа кластерина 1 (CLU), предшественник аполипопротеина D (APOD) и гельзолин изоформа b (GSN)] были обнаружены в общих чертах между потом и сывороткой.
Слюна позволяет собирать неинвазивные образцы и иногда может быть хорошим заменителем плазмы или крови. До настоящего времени только одно исследование изучало слюну как потенциальный источник биомаркеров шизофрении и биполярного заболевания с использованием протеомной платформы сверху вниз (RP-HPLC-ESI-MS; Iavarone et al., 2014 ). Все существенно измененные белки и пептиды были вовлечены во врожденный иммунитет (α-дефензины 1–4, S100A12, цистатин A и S-производные цистатина B). Однако, поскольку повышенные уровни этих белков были также обнаружены в связи с новообразованиями и инфекционными заболеваниями, авторы пришли к выводу, что этот набор белков обладает низким диагностическим потенциалом для шизофрении.
Известно 5 протеомных исследований, в которых сравнивали как шизофрению, так и биполярное расстройство с непсихиатрической группой ( Novikova et al., 2006 ; Pennington et al., 2008 ; Behan et al., 2009 ; English и др., 2009 ; Föcking et al. al., 2011 ). Pennington et al. (2008) обнаружили, что 6 из 66 белков изменяются при обоих заболеваниях, с цитоскелетом и синаптической функцией (две формы SEPT5, SEPT11, DPYSL3, TCP1), метаболизмом и развитием ЦНС (PHGDH). Однако половина белков с измененным увеличением при биполярном расстройстве были цитоскелетными, метаболическими или митохондриально-ассоциированными белками, а некоторые, такие как TUBA, TUBB, NEFM, ATP5B, ENO2, PRDX2, PRDX6, ATP6V1A, часто обнаруживались в исследованиях шизофрении. Behan et al. (2009) идентифицировали три белка, участвующих в функциях, связанных с синапсами (LSAMP, BASP1 и STXBP1), в то время как в последующем исследовании из той же группы ( English et al., 2009), некоторые промежуточные филаменты (NEFH, виментин) и белки, ассоциированные с цитоскелетом (DPYSL2, DPYSL3, YWHAE), показали такое же изменение численности при биполярном расстройстве, что и при шизофрении.
Новикова и соавт. (2006) обнаружили 5 белков, которые были изменены как при шизофрении, так и при биполярном расстройстве (CEBPZ, DECR2, BYSL, ANKARD и ALDOC), связанных с клеточной передачей сигналов, метаболизмом липидов и глюкозы и другими внутриклеточными процессами. Сравнительный протеомный анализ гиппокампа сообщил о сходных изменениях белка при шизофрении и биполярном расстройстве с двумя третями белков с измененной распространенностью при шизофрении, демонстрирующих такую же тенденцию и при биполярном расстройстве. Эти белки были в основном вовлечены в цитоскелетные и метаболические клеточные механизмы.
Два протеомных исследования включали большое депрессивное расстройство (MDD) в дополнение к шизофрении и биполярному расстройству. В одном из первых протеомных исследований головного мозга во всех трех заболеваниях было изменено количество 3 белков (DPYSL2, ALDOC и GFAP) во фронтальной коре. Измененные уровни этих белков, связанные с синаптической функцией, гликолизом и структурой цитоскелета, соответственно, были впоследствии подтверждены большинством других протеомных исследований мозга при шизофрении. Исследование изменений белка в ACC при шизофрении, MDD и биполярном расстройстве показало, что цитоскелетные и митохондриальные белки наиболее заметно изменены во всех этих расстройствах, но только 2 идентифицированных белка (SRI, ALDOC) были обнаружены с измененными уровнями в обеих шизофрении. и MDD.
Биологические функции, участвующие в MDD, такие как энергетический метаболизм, клеточный транспорт и клеточная коммуникация и передача сигналов, также являются основными путями, вовлеченными в шизофрению. Тем не менее, было отмечено несколько важных различий, которые помогают дифференцировать эти заболевания на уровне белка: расстройства были связаны с различными путями энергетического метаболизма (гликолиз является основным пораженным путем при шизофрении, в то время как окислительное фосфорилирование в большей степени затрагивается при MDD) и наоборот. Изменения одних и тех же белков были выявлены при обоих заболеваниях.
Из 93 белков, которые показали количественные изменения или модификации в 43-мерных протеомных исследованиях в 13 различных областях мозга при болезни Альцгеймера в период с 1999 по 2010 год ( Korolainen et al., 2010), 34 белка были зарегистрированы в исследованиях протеомики шизофрении мозга. Эти 34 белка указывают на одни и те же нарушения в двух основных путях: один - энергетический обмен, особенно гликолиз (ALDOA / C, ENO1 / 2, GAPDH, LDHB, PGAM1, PKM2, TPI1), цикл Кребса (ACO2, MDH1), функция митохондрий (ATP5A1, ATP5B) и окислительный стресс (Пиредоксины [PRDX2, 3, 6], СОД, CKB). Другой путь - цитоскелет, через тубулины (TUBA1B, TUBA1C, TUBB), промежуточные филаменты (GFAP, NEFL,), ассоциированные с цитоскелетом белки (DPYSL2, YWHAE, YWHAG, STMN1,) и белки теплового шока (HSPA9, HSPA5, HSPD1, HSPD1, HSPA2, HSPA8). Хотя сравнительные протеомные исследования посмертного мозга человека с болезнью Паркинсона довольно ограничены, исследованные белки показали некоторое совпадение с шизофренией в нейрофиламентах (NEFL, NEFM), пероксиредоксинах. Большинство белков-кандидатов на основе крови для шизофрении также вовлечены в болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и MDD. Было также обнаружено, что некоторые белки острой фазы (A2M, C3, SERPINA1 и ALB), предложенные в качестве потенциальных биомаркеров шизофрении, связаны с болезнью Паркинсона, болезнью Альцгеймера и MDD ( Chiam et al., 2015 ). Кроме того, APOE и APCS были связаны как с болезнью Паркинсона, так и с болезнью Альцгеймера. Из предложенных кандидатов биомаркеры спинномозговой жидкости для шизофрении, APOA1, APOA4, APOE и PTGDS были также предложены в качестве биомаркеров-кандидатов для болезни Альцгеймера и TTR (синтезируется в мозге однозначно с помощью сосудистого сплетения), ( Herbert et al., 1986 ) в качестве потенциального биомаркера для болезней Паркинсона и Альцгеймера.
Точно так же специфичность наиболее часто цитируемых олигодендроглиальных белков, MBP, CNP, MOG и GSN ( Tanaka and Sobue, 1994 ), все они связаны с миелином, также хорошо установлена иммуногистохимией.
Добавить комментарий