Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКЕ И ГЕНОМИКЕ АУТИЗМА

Ворсанова С.Г. 1, 2, 3 Юров Ю.Б. 1, 2, 3 Сильванович А.П. 2 Демидова И.А. 1, 2, 3 Юров И.Ю. 1, 2
1 ФГБУ «Московский НИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава РФ»
2 ФГБУ «Научный центр психического здоровья РАМН» Российской академии медицинских наук
3 Московский городской психолого-педагогический университет
Аутизм представляет собой наиболее распространенное психическое заболевание у детей, частота встречаемости которого варьируется от 1:80 до 1:150. Основными признаками этой формы нарушения психики являются значительные отклонения в сферах социализации, коммуникации и наличие необычных повторяющихся элементов поведения. При аутизме наблюдаются умственная отсталость, эпилептиформные проявления, микроаномалии и пороки развития. В статье представлены результаты исследования детей с идиопатическим аутизмом и умственной отсталостью, полученные современными постгеномными, молекулярно-цитогенетическими и биоинформатическими технологиями. Показана роль генных мутаций, микроаномалий и вариаций генома, хромосомных нарушений и мозаицизма, а также полиморфизма гетерохроматиновых районов хромосом в возникновение аутизма. Основываясь на собственных экспериментальных и литературных данных, авторы обсуждают возможные гипотезы патогенетических механизмов и этиологии аутистических расстройств.
аутизм
умственная отсталость
молекулярное кариотипирование
сравнительная геномная гибридизация
вариации генома
геномные аномалии
хромосомные микроаберрации
1. Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б., Чернышов В.Н. Медицинская цитогенетика. – М., 2006. – 300 с.
2. Ворсанова С.Г., Юров И.Ю., Соловьев И.В., Юров Ю.Б. Гетерохроматиновые районы хромосом человека: клинико-биологические аспекты. – М.: Медпрактика., 2008. – 300 с.
3. Ворсанова С.Г., Воинова В.Ю., Юров И.Ю. и др. Цитогенетические, молекулярно-цитогенетические и клинико-генеалогические исследования матерей детей с аутизмом: поиск семейных генетических маркеров аутистических расстройств // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. – 2009. – № 6. – С. 54–64.
4. Тиганов А.С., Юров Ю.Б., Ворсанова С.Г., Юров И.Ю. Нестабильность генома головного мозга: этиология, патогенез и новые биологические маркеры психических болезней // Вестник РАМН. – 2012. – № 9: – С. 45–53.
5. Юров И.Ю., Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б. Умственная отсталость, сцепленная с ломкой хромосомой Х, эпигенетические феномены и аутизм // Психиатрия. – 2005. – № 1. – С. 55–65.
6. Юров И.Ю., Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б. Молекулярная нейроцитогенетика: нестабильность генома в мозге при психических заболеваниях // Психиатрия. – 2007. – № 4. – С. 36–43.
7. Диагностика сложных случаев геномных заболеваний и хромосомных аномалий у детей с использованием серийной сравнительной геномной гибридизации (array CGH): необходимость использования новейших методов молекулярной диагностики. Сложные диагностические случае в практике детского врача / И.Ю. Юров, С.Г. Ворсанова, В.Ю. Воинова и др. / под ред. А.Д. Царегородцева, В.В. Длина. – М.: Пресс-Арт, 2010. – С. 116–132.
8. Генетические аспекты психологических и поведенческих нарушений у детей с аутистическими расстройствами и трудностями в обучении: диагностика геномных и хромосомных нарушений с использованием ДНК-микрочипов / И.Ю. Юров, С.Г. Ворсанова, О.С. Куринная и др. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. – URL: www.science-education.ru/103-6449.
9. Диагностика геномных нарушений у детей с умcтвенной отсталостью и аутизмом с помощью серийной сравнительной геномной гибридизации (array CGH и HRCGH) / И.Ю. Юров, С.Г. Ворсанова, О.С. Куринная и др. // Клиническая генетика и перинатальная диагностика. – 2012. – № 1: – С. 50–54.
10. Юров Ю.Б., Ворсанова С.Г. Молекулярно-цитогенетические исследования хромосомных аномалий и нарушений при нервно-психических заболеваниях: поиск биологических маркеров для диагностики // Вестник РАМН. – 2001. – № 7. – С. 26–31.
11. Abrahams B.S., Geschwind D.H. Advances in autism genetics: on the threshold of a new neurobiology // Nat. Rev. Genet. – 2008. – Vol. 9, № 5. – Р. 341–355.
12. Arrieta I., Núñez T., Martínez B. et al. Chromosomal fragility in behavioral disorder // Behav. Genet. – 2002. – Vol. 32, № 6. – P. 397–412.
13. Benjamin M.N., Yan K, Li L. et al. Patterns and rates of exonic de novo mutations in autism spectrum disorders // Nature. – 2012. – Vol. 485(7397). – P. 242–245.
14. Berg J.S., Brunetti-Pierri N., Peters S.U. et al. Speech delay and autism spectrum behaviors are frequently associated with duplication of 7q11.23 Williams-Beuren syndrome region // Genet. Med. – 2007. – Vol. 9, № 7. –P. 427–441.
15. Bill B.R., Geschwind D.H. Genetic advances in autism: heterogeneity and convergence on shared pathways // Curr. Opin. Genet. Dev. – 2009. – Vol. 19, № 3. –P. 271–278.
16. Christian S.L., Brune C.W., Sudi J. et al. Novel submicroscopic chromosomal abnormalities detected in autism // Biol. Psychiatry. – 2008. – Vol. 63, № 12. – P. 1111–1117.
17. Fernandez B.A., Roberts W, Chung B. et al. Phenotypic spectrum associated with de novo and inherited deletions and duplications at 16p11.2 in individuals ascertained for diagnosis of autism spectrum disorder // J. Med. Genet. – 2010. – Vol. 47. – Р. 195–203.
18. Freitag C.M. The genetics of autistic disorders and its clinical relevance: a review of the literature // Mol. Psychiat. – 2007. – № 12. – Р. 2–22.
19. Girirajan S., Eichler E.E. Phenotypic variability and genetic susceptibility to genomic disorders // Hum. Mo.l Genet. – 2010. – Vol. 19. – P. 176–187.
20. Glessner J.T., Wang K., Cai G. et al. Autism genome-wide copy number variation reveals ubiquitin and neuronal genes // Nature. – 2009. – Vol. 459. – Р. 569–573.
21. Gregory S.G.,. Connelly J.J, Towers A.J. et al. Genomic and epigenetic evidence for oxytocin receptor deficiency in autism // BMC Medicine. – 2009. – Vol. 7. – Р. 62.
22. Hannes F.D., Sharp A.J., Mefford H.C. et al. Recurrent reciprocal deletions and duplications of 16p13.11: the deletion is a risk factor for MR/MCA while the duplication may be a rare benign variant // J. Med. Genet. – 2009. – Vol. 46. – Р. 223–232.
23. Hogart A., Wu D., LaSalle J.M., Schanen N.C. The comorbidity of autism with the genomic disorders of chromosome 15q11.2-q13 // Neurobiol. Dis. – 2010. – Vol. 38. – Р. 181–191.
24. Hughes J.R. A review of recent reports on autism: 1000 studies published in 2007 // Epilepsy Behav. – 2008. – Vol.13, № 3. – P. 425–437.
25. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. Chromosomal variation in mammalian neuronal cells: known facts and attractive hypotheses // Int. Rev. Cytol. – 2006. – Vol. 249. –Р. 143–191.
26. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. Molecular cytogenetics and cytogenomics of brain diseases // Curr. Genomics. – 2008. –Vol. 7, № 9. – Р. 452–465.
27. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. Somatic genome variations in health and disease // Curr. Genomics. – 2010. – Vol. 11, № 6. – P. 387–396.
28. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Kurinnaia O.S. et al. B. Array CGH detection of genomic/chromosomal rearrangements in children with mental retardation and congenital malformations: the first Russian experience // Eur. J. Hum. Genet. – 2011. – Vol.19, № 2. – P. 135.
29. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Kurinnaia O.S. et al. Molecular karyotyping by array CGH in a Russian cohort of children with intellectual disability, autism, epilepsy and congenital anomalies // Mol. Cytogenet. – 2012. – Vol. 5, № 1. – 46 p.
30. Itsara A., Wu H., Smith J.D. et al. De novo rates and selection of large copy number variation // Genome Res. – 2010. – Vol. 20. – Р. 1469–148.
31. Kakinuma H., Ozaki M., Sato H., Takahashi H. Variation in GABA-A subunit gene copy number in an autistic patient with mosaic 4 p duplication (p12p16) // Am. J. Med. Genet. B. Neuropsychiatr. Genet. – 2008. – Vol.147B, № 6. – P. 973–975.
32. Kumar R.A., Sudi J., Babatz T.D. et al. A de novo 1p34.2 microdeletion identifies the synaptic vesicle gene RIMS3 as a candidate for autism // J. Med. Genet. – 2010. – Vol. 47, № 2. – P. 81–90.
33. Levy S.E., Mandell D.S., Schultz R.T. Autism // Lancet. – 2009. – Vol. 374, № 9701. – P. 1627–1638.
34. Mefford H.C., Batshaw M.L., Hoffman E.P. Genomics, intellectual disability and autism // N. Engl. J. Med. – 2012. – Vol. 366, № 8. – P. 733–743.
35. Rapin I., Tuchman R.F. Autism: definition, neurobiology, screening, diagnosis // Pediat. Clin. North Am. – 2008. – Vol. 55, № 5. – Р. 1129–1146.
36. Schaefer G.B., Mendelsohn N.J. Genetics evaluation for the etiologic diagnosis of autism spectrum disorders // Genet. Med. – 2008. – Vol. 10, № 1. – P. 4–12.
37. Schanen N.C. Epigenetics of autism spectrum disorders. // Human Molecular Genetics. – 2006. – Vol. 15, Is. suppl 2. – P. 138–150.
38. Sebat J., Lakshmi B., Malhotra D. et al. Strong association of de novo copy number mutations with autism // Science. – 2007. – Vol. 316. – P. 445–449.
39. Shen Y., Dies K.A., Holm I.A. et al. Clinical genetic testing for patients with autism spectrum disorders // Pediatrics. – 2010. – Vol. 125, № 4. – P. 727–735.
40. Szatmari P., Paterson A.D., Zwaigenbaum L. et al. Mapping autism risk loci using genetic linkage and chromosomal rearrangements // Nat. Genet. – 2007. – Vol. 39, № 3. – P. 319–328.
41. Ullmann R., Turner G., Kirchhoff M. et al. Array CGH identifies reciprocal 16p13.1 duplications and deletions that predispose to autism and/or mental retardation // Hum. Mutat. – 2007. – Vol. 28, № 7. – P. 674–682.
42. Vorsanova S.G., Yurov Y.B., Ulas V.Y. et al. Cytogenetic and molecular-cytogenetic studies of Rett syndrome (RTT): a retrospective analysis of a Russian cohort of RTT patients (the investigation of 57 girls and three boys) // Brain. Dev. – 2001. – Vol. 23. – P. 196–201.
43. Vorsanova S.G., Iourov I.Y., Beresheva A.K. et al. Non-disIunction of chromosome 21, alphoid DNA variation, and sociogenetic features of Down syndrome // Tsitol. Genet. – 2005. – Vol. 39, № 6. – P. 30–36.
44. Vorsanova S.G., Yurov I.Y., Demidova I.A. et al. Variability in the heterochromatin regions of the chromosomes and chromosomal anomalies in children with autism: identification of genetic markers of autistic spectrum disorders // Neurosci. Behav. Physiol. – 2007. – Vol. 37, № 6. – Р. 553–558.
45. Vorsanova S.G., Yurov Y.B., Soloviev I.V., Iourov I.Y. Molecular cytogenetic diagnosis and somatic genome variations // Curr. Genomics. – 2010. – Vol. 11, № 6. – P. 440–446.
46. Wu D.J., Wang N.J., Driscoll J. et al. Autistic disorder associated with a paternally derived unbalanced translocation leading to duplication of chromosome 15pter-q13.2: a case report // Mol. Cytogenet. – 2009. – Vol. 6, № 2. – 27 p.
47. Xu J., Zwaigenbaum L., Szatmari P., Scherer S.W. Molecular cytogenetics of autism // Curr. Genomics. – 2004. – Vol. 5, № 4. – P. 347–364.
48. Yurov Y.B., Vostrikov V.M., Vorsanova S.G. et al. Multicolor fluorescent in situ hybridization on post-mortem brain in schizophrenia as an approach for identification of low-level chromosomal aneuploidy in neuropsychiatric diseases // Brain. Dev. – 2001. – Vol. 23. – P. 186–190.
49. Yurov Y.B., Iourov I.Y., Vorsanova S.G. et al. Aneuploidy and confined chromosomal mosaicism in the developing human brain // PLoS One. – 2007. – Vol. 2, № 6. – P. 558.
50. Yurov Y.B., Vorsanova S.G., Iourov I.Y. et al. Unexplained autism is frequently associated with low-level mosaic aneuploidy // J. Med. Genet. – 2007. – Vol. 44, № 8. – P. 521–525.

Аутизм – одно из самых частых психических заболеваний у детей, частота встречаемости которых составляет от 1:80 до 1:150 индивидуумов [2, 4, 8, 23]. Основными признаками аутизма или заболеваний аутистического спектра (OMIM 209850) являются значительные нарушения в сферах социализации и коммуникации, а также наличие необычных повторяющихся элементов поведения. Помимо основной триады признаков при данной болезни может также наблюдаться умственная отсталость, эпилептиформные проявления, микроаномалии и пороки развития [33]. У 70 % детей с заболеваниями аутистического спектра наблюдается умственная отсталость, у 10 % – эпилепсия [4]. Эти дети нуждаются в генетической диагностике с последующей коррекцией психологических и поведенческих нарушений. Большинство больных с аутизмом, ассоциированным с умственной отсталостью, нуждается в социальной и образовательной поддержке в течение всей жизни [2, 4, 7].

Этиология расстройств аутистического спектра и умственной отсталости во многих случаях сложна и не определяется единой причиной, поэтому выявление множества генов и генных сетей, а также влияния факторов внешней среды, которые лежат в основе аутистических расстройств, значимо для понимания нейробиологических механизмов, лежащих в основе поведенческих и когнитивных нарушений [7, 42].

Генетические и геномные нарушения встречаются с высокой частотой у детей с расстройствами аутистического спектра и умственной отсталостью [23, 34]. В этой группе выявляются как видимые под микроскопом хромосомные аномалии, так и субмикроскопические вариации числа копий ДНК и моногенные мутации. Идентификация генов, влияющих на возникновение заболевания, позволяет выявить лежащий в его основе механизм нарушения развития. Определение функции гена может помочь в анализе нарушений развития и функционирования мозга. Однако один и тот же ген может оказывать влияние на множество процессов, происходящих в различных частях мозга. Исследования близнецов показали, что аутизм может проявляться только у одного из них, при этом его наследование является многофакторным, а предрасположенность к этому заболеванию может быть связана одновременно со многими генами [34]. Таким образом, с точностью определить нарушение, приводящее к конкретному расстройству, возможно, только выявив сеть генов, связанных между собой и взаимовлияющих друг на друга. В настоящее время генетическая диагностика стала неотъемлемой частью медицинской генетики и медико-генетического консультирования для оказания высокотехнологичной медицинской помощи детям, страдающим умственной отсталостью, аутизмом, эпилепсией, врожденными пороками и микроаномалиями развития, которая позволяет выявлять различные генные и хромосомные нарушения [2, 29].

Многие работы в области биологической психиатрии, психиатрической генетики и педиатрии последних лет демонстрируют связь между аутизмом и геномными вариациями. Среди них преобладают хромосомные аномалии, включающие микроаберрации и CNVs (вариации числа копий последовательностей ДНК или copy number variations) [11, 24, 26]. Согласно исследованиям Американского Колледжа Медицинских Генетиков и по данным электронного ресурса «Autism Genetics» 40 % случаев этого гетерогенного заболевания связаны с генетическими нарушениями [36]. Это позволяет говорить об исключительном значении изучения генома при данном заболевании. За последние годы было идентифицировано несколько десятков генов-кандидатов и несколько сотен хромосомных аномалий (геномных перестроек) при аутизме [11,26,47, электронный ресурс Autism Chromosome Rearrangement Database]. В настоящей работе представлены обобщенные данные о хромосомных и геномных нарушениях, ассоциированных с расстройствами аутистического спектра.

Цитогенетика аутизма

Многими авторами обсуждается вопрос о значимости хромосомных аномалий и нарушений в патогенезе аутизма. При проведении цитогенетического анализа у детей с аутизмом выявлялись крупные регулярные структурные хромосомные аберрации, ломкие сайты и интерстициальные микроделеции/микродупликации. Микроскопически видимые хромосомные аномалии имеют частоту 2–10 % среди детей с аутизмом, тогда как число случаев субмикроскопических вариаций генома, как правило, превышает 10 % [1, 3, 12, 14, 16, 36, 39, 41, 44, 50]. Примечательно, что наиболее частыми структурными хромосомными аномалиями являются делеции, дупликации (инвертированные дупликации) и дополнительные изохромосомы, образовавшиеся при перестройках участка 15q11.2-q13, который связан с такими известными генетическими заболеваниями, как синдромы Ангельмана и Прадера‒Вилли. Следует отметить, что, как и при упомянутых синдромах, проявления аутизма зависят от родительского происхождения перестройки. Последнее позволяет предполагать, что эпигенетический феномен геномного импринтинга играет определенную роль в патогенезе аутизма [23, 46]. Участок 16p11.2 также часто вовлекается в делеции и дупликации при аутизме [17, 32]. Однако последние данные свидетельствуют о том, что перестройки этого участка могут наблюдаться и при других нарушениях психики [17]. Показано, что в некоторых случаях межклеточные геномные вариации, проявляющиеся в виде хромосомного мозаицизма, могут быть фактором риска аутизма [1, 25, 31, 50]. По последним данным частота синдрома умственной отсталости, сцепленной с ломкой хромосомой Х (FRAXА), среди детей с аутизмом составляет 0,46 % [39]. Международное исследование, в котором приняли участие ближайшие родственники, страдающие аутизмом, выявило 6 возможных генетических нарушений, среди которых наиболее распространенными были изменения последовательностей ДНК длинных плеч хромосом 7 и 16 (7q b 16q) (International Molecular Genetic Study of Autism Consortium, 1998). Одной из форм изучения генетических отклонений при аутизме является синдром Шерешевского‒Тернера, при котором у девочек имеется только одна хромосома Х, содержащая генетический материал одного из родителей. В одном из исследований было показано значительное снижение способности к общению у детей, унаследовавших хромосому Х от матери. Тем не менее при других изменениях половых хромосом нарушений психики, характерных для аутизма, выявлено не было [37]. Это указывает на возможность наличия участков хромосомы Х, связанных со способностями к общению, вариации которых приводят к расстройствам аутистического спектра.

В табл. 1 приведены данные о наиболее частых хромосомных аномалиях, которые связаны с патогенезом аутизма.

Таблица 1

Хромосомные аномалии у детей с аутизмом

Геномные вариации

Частота

Хромосомы (участки хромосом)

Ключевые ссылки

Межиндивидуальные геномные вариации

CNV

10 %

2p;2q;3p;6p;7p;10q;13q;15q;16p и 20p

Sebat et al., 2007

CNV

~7 %

практически все хромосомы, но с разной частотой

Szatmari et al., 2007

CNV

18,2 % – всего

7 % – патогенные

практически все хромосомы, но с разной частотой

Shen et al., 2010

микроделеции и микродупликации

16p13.1

Ullmann et al., 2007

Дупликации

7q11.23 (участок, связанный с синдромом Вильямса)

Berg et al., 2007

микроделеции и микродупликации

0,6 % (del)

~ 1 % (del + dup)

16p11.2

Fernandez et al., 2010

микродупликации

0,5–3 %

15q11.2q13

Hogart et al., 2010

субмикроскопические хромосомные аномалии

11,6 %

2p;2q;3p;3q;5q;7p;7q;8q; 10p;11p;12p;13q;14q;15q;16p;16q;17p;18q;19q;20p;20q;21q;22q и Xp

Christian et al., 2008

структурные хромосомные аномалии

2–5 %

практически все хромосомы, но с разной частотой

Xu et al., 2004;

Shen et al., 2010

Межклеточные (соматические) геномные вариации

мозаичные структурные хромосомные аномалии

описания единичных случаев

3q, 4p, 12p и 20p, реже – другие участки

Iourov et al, 2006, 2008; Vorsanova et al., 2007; Yurov et al., 2007

ломкие сайты хромосом

описания единичных случаев

1;2;3;4;5;7;9;10;11;16 и X

Arrieta et al., 2002

Хромосомный мозаицизм

Показано, что в некоторых случаях межклеточные геномные вариации, проявляющиеся в виде хромосомного мозаицизма, могут быть фактором риска аутизма [25, 44, 50]. Установлена также значимая роль хромосомного мозаицизма при различных патологических состояниях, на ранних этапах развития ЦНС и старении [25, 27, 48, 50]. Хромосомный мозаицизм не так уж редок у плодов человека, достигая в спонтанных абортусах 25 % [43]. Недавно было обнаружено, что соматический хромосомный мозаицизм присущ развивающемуся головному мозгу человека в эмбриональном развитии. Можно предположить, что ограниченный определённой тканью мозаицизм – причина дисфункции этой ткани, поэтому при поиске роли хромосомного мозаицизма в патологии следует напрямую изучать ткани, подвергшиеся патологическим изменениям [25, 48, 49]. Тем не менее клетки, обычно используемые для цитогенетических исследований (лимфоциты крови, фибробласты кожи, ворсины хориона), также могут быть пригодны для подтверждения гипотезы о том, что хромосомный мозаицизм – возможный генетический механизм, лежащий в основе различных заболеваний человека. Так, из 120 обследованных с аутизмом детей хромосомный мозаицизм был обнаружен у 19, причём 10 из них были мальчики с небольшим аномальным клоном клеток – кариотип 47, ХХУ/46, ХУ [50]. Всё сказанное позволяет предположить, что значительное число случаев аутизма может быть связано с низкопроцентным хромосомным мозаицизмом, который обычно невозможно выявить при цитогенетическом анализе. Молекулярно-цитогенетические технологии (метод интерфазной FISH) позволяют эффективно решить эту задачу [1, 3, 25, 27, 44, 45, 49, 50].

Хромосомный гетероморфизм

Следует особо отметить, что многие частые формы вариаций генома в виде цитологически видимого хромосомного полиморфизма или гетероморфизма при аутизме исследованы недостаточно подробно. Тем не менее структурные изменения или вариации гетерохроматиновых участков хромосом были выявлены как у детей с аутизмом, так и у их матерей. С.Г. Ворсановой с соавторами было показано увеличение частоты хромосомных вариантов (или хромосомный гетероморфизм) как у детей с идиопатическим аутизмом, так и у их матерей [1, 3, 44, 45]. Среди генетических факторов, определяющих патогенез аутизма, отмечают ряд неспецифических хромосомных аномалий, повышенную частоту вариабельности гетерохроматиновых районов хромосом по сравнению с общей популяцией, особенно 1phqh, 9qh+, 16qh-, что может свидетельствовать в пользу эффекта положения генов [6, 10, 26]. Так, в наших исследованиях [1, 3, 44, 45] проведён цитогенетический и молекулярно-цитогенетический анализ 90 детей (13 девочек и 77 мальчиков) с идиопатическим аутизмом и 18 матерей детей из этой группы. Умственная отсталость у этих детей встречалась в 98 % случаев. Диагноз у всех больных установлен на основании критериев DSM-IV, тяжесть симптомов оценивали количественно по шкале CARS. Проводились С-окрашивание и количественная флюоресцентная гибридизация in situ (QFISH). Достоверно показано увеличение частоты гетерохроматиновых вариаций у детей с аутизмом по сравнению с контрольной группой (48 и 16 % соответственно). Вариации изменения размеров гетерохроматиновых участков хромосом выявлены в виде их увеличения, уменьшения и инверсий [2]. У матерей вариации обнаружены в 50 % случаев. Таким образом, показано троекратное увеличение частоты гетерохроматиновых вариантов у детей с идиопатическим аутизмом и умственной отсталостью по сравнению с контрольной группой. Несмотря на то, что участки генома, фланкирующие гетерохроматиновые районы хромосом 9 и 16, до сих пор не рассматривались в качестве связанных с аутизмом, число генов, локализованных в этих районах и ответственных за нормальное развитие и функционирование ЦНС, позволяет предположить их возможную роль в патогенезе аутизма. Вполне вероятно, что в таких случаях можно говорить об эффекте положения генов, при котором наблюдается нарушенная экспрессия генов, расположенных в непосредственной близости с вариабельными участками структурного гетерохроматина.

В целом хромосомные аномалии при аутизме удается выявить в 10–14 % случаев, а гетероморфизм хромосом (хромосомные варианты) – у около 50 % у детей, а также их матерей [1, 3, 25, 44, 45]. Однако в большинстве описанных случаев эпидемиологические данные по хромосомным аномалиям и вариантам при аутизме отсутствуют.

Гены, вовлеченные в этиологию и патогенез аутизма

Вероятно, не существует строго определенных генов этого гетерогенного заболевания, связанных со специфической дисфункцией внутриклеточных или межклеточных процессов при идиопатическом аутизме. Примечательно, что в последних работах по идентификации молекулярных основ патогенеза аутизма авторы на основе молекулярно-цитогенетических и биоинформатических («реактомных/интерактомных») исследований пытаются определить не только гены-кандидаты, а также и каскады процессов-мишеней или генные (геномные) сети, нарушения в которых вызывают предрасположенность к этому заболеванию [7, 15, 32].

Многочисленные исследования были проведены с целью выявления генов-кандидатов аутизма путем детального анализа генного состава участков с хромосомными нарушениями [18]. Наиболее часто (примерно в 1 % случаев) хромосомные перестройки затрагивают участок 15q11.2-13. В большинстве случаев это дупликация материнского происхождения или дополнительная хромосома с инвертированной дупликацией [35]. Дупликации чаще всего образуются de novo в виде добавочной изодицентрической 15q хромосомы, но в некоторых случаях являются результатом сегрегации материнской транслокации в семье. Вероятно, эти дупликации образуются за счет особого поведения последовательностей ДНК этих хромосомных участков в мейозе [23]. Следует подчеркнуть, что интерстициальные дупликации 15q11.2-q13 материнского происхождения представляют собой частую причину аутизма. Фенотип в таких случаях коррелирует с числом копий ДНК в участке 15q. Дупликация 15q11.2-13 материнского происхождения, приводящая к трисомии этого региона, не оказывает влияния на фенотип. Однако у детей с четырьмя копиями 15q11.2-13, включая добавочную дицентрическую хромосому 15, патология более выражена и могут наблюдаться гипотония, судороги, микроцефалия и значительное отставание в развитии [23]. Дупликация отцовского происхождения имеет незначительный эффект на фенотип, указывая на геномный импринтинг в этом регионе [23].

Несмотря на большое количество исследований возможных генетических механизмов аутизма, в настоящее время известно всего несколько генов, мутации в которых строго ассоциированы с аутистическими расстройствами. Среди них патогенные мутации, связанные с генами нейролигинов, нейрексина и SHANK3, влияющие на синаптическую адгезию и синаптический гомеостаз. Однако эти мутации выявляются лишь в отдельных случаях, а на их долю приходиться менее 1 % случаев расстройств аутистического спектра.

Abrahams и Geschwind (2008) на основе анализа многочисленных исследований приводят в своей статье обобщенную таблицу генов-кандидатов, имеющих отношение к расстройствам аутистического спектра [11]. Для оценки роли каждого гена-кандидата с помощью системы баллирования, основанной на данных относительно ассоциаций с определенным клиническим состоянием; качественного или количественного изменения генома, выявленного с помощью анализа вариаций последовательностей ДНК; наличия или отсутствия генетических и поведенческих «животных» моделей (модель на мышах), а также других сведениях об этих генах, авторы попытались предложить статистически обоснованную классификацию генов-кандидатов аутизма (табл. 2).

Таблица 2

Гены-кандидаты, имеющие отношение к расстройствам аутистического спектра (РАС)

Ген

Синдром (мутация)

Воспроизводимость ассоциации

Анализ вариаций ДНК

Модель на мышах

Другие сведения

Суммарный показатель

1

2

3

4

5

6

7

Перспективные

AVPR1A

0

0

0

1

0

1

DISC1

0

0

0

1

0

1

ITGB3

0

1

0

0

0

1

AHI1

2

0

0

0

0

2

EN2

0

1

0

1

0

2

GRIK2

0

1

0

0

1;

гомозиготные мутации дают несиндромную умственную отсталость

2

NRXN1

2

0

0

0

0

2

SLC25A12

0

1

0

0

1;

связь с аксонами, экспрессия в головном мозге при РАС нарушена

2

Вероятные

CACNA1C

2

0

1

0

0

3

CNTNAP2

2

1

0

0

0

3

MET

0

1

1

0

1;

экспрессия в головном мозге при заболевании снижена по сравнению с контрольной группой

3

OXTR

0

1

0

1

1;

экспрессия в крови при заболевании снижена по сравнению с контрольной группой

3

SHANK3

2

0

0

0

1;

модулирует глутамат-зависимую переконфигурацию дендритных шипиков

3

SLC6A4

0

1

1

0

1;

клинический эффект от ингибиторов, вариации связаны с объемом серого вещества

3

CADPS2

2

0

1

1

0

4

DHCR7

2

0

1

0

1;

гипохолестеринемия у части исследуемых лиц

4

FMR1

2

0

1

1

0

4

NLGN3

2

0

1

1

0

4

NLGN4X

2

0

1

1

0

4

PTEN

2

0

0

1

1;

мутации приводят к аномалиям в структуре и функционировании синапсов

4

TSC2

2

0

1

0

1;

регулирует морфологию дендритов и функционирование глутаматергических синапсов

4

GABRB3

2

1

0

1

1;

при первазивных расстройствах развития экспрессия нарушена

5

MECP2

2

0

1

1

1;

дефект MECP2 вызывает редукцию 5экспрессииUBE3A и GABRB3

5

TSC1

2

0

1

1

1;

регулирует морфологию дендритов и функционирование глутаматергических синапсов

5

UBE3A

2

0

1

1

1;

при первазивных расстройствах развития экспрессия нарушена

5

RELN

2

1

1

1

1;

уровни в головном мозге снижены при заболевании по сравнению с контрольной группой

6

Примечание. Средний балл по списку и стандартное отклонение составляют соответственно 3,3 и 1,4.

Генам, ассоциированным с синдромами, связанными с расстройствами аутистического спектра, авторы присвоили по 2 балла, тогда как с другими признаками – по 1 баллу. Для качественной оценки потенциала модели на мышах требовалось наличие 2-х из 3-х параметров. Также исследователи обозначили гены с показателем 3 и выше как наиболее вероятные при аутизме. Авторы признают, что присвоенные оценки в значительной степени условны, однако эта таблица (включающая далеко не все гены, которые ассоциировались с заболеваниями аутистического спектра) служит полезной отправной точкой для дальнейших дискуссий о природе нарушений психики при этом заболевании.

Кроме того, авторы в своем исследовании приводят перечень и описание локусов, вовлеченных в этиологию расстройств аутистического спектра (табл. 3).

Таблица 3

Перечень и описание локусов, вовлеченных в этиологию расстройств аутистического спектра

№ *

Характеристика

Локализация

№ *

Характеристика

Локализация

№ *

Характеристика

Локализация

1.1

Делеция

1p36

7.4

RELN

7q22

15.3

дупликация

15q11–15q13

1.2

ассоциация

1q21–1q23

7.5

MET

7q31

15.4

ассоциация

15q22–15q26

1.3

DISC1

1q42

7.6

делеция

7q31

16.1

TSC2

16p13

2.1

NRXN1

2p16

7.7

ассоциация

7q32–7q34

16.2

делеция

16p11

2.2

Делеция

2q24

7.8

CADPS2

7q31

16.3

дупликация

16p11

2.3

ассоциация

2q24–2q31

7.9

ассоциация

7q34–7q36

16.4

делеция

16q21

2.4

SLC25A12

2q24

7.10

CNTNAP2

7q35–7q36

17.1

делеция

17p12

2.5

Делеция

2q37

7.11

EN2

7q36

17.2

дупликация

17p12

3.1

OXTR

3p25

8.1

дупликация

8p23

17.3

SLC6A4

17q11

3.2

Делеция

3p14

9.1

ассоциация

9p24

17.4

ассоциация

17q11–17q21

3.3

дупликация

3p14

9.2

делеция

9q12

17.5

ITGB3

17q21

3.4

ассоциация

3q22

9.3

ассоциация

9q33

19.1

ассоциация

19p13

3.5

ассоциация

3q25–3q27

9.4

ассоциация

9q34

20.1

делеция

20p13

3.6

Делеция

3q27–3q28

9.5

TSC1

9q34

20.2

делеция

20p13

4.1

Делеция

4q21

10.1

PTEN

10p14–10p15

21.1

ассоциация

21q11

4.2

Делеция

4q21–4q23

10.2

делеция

10q11–10q21

21.2

делеция

21q22

4.3

ассоциация

4q22–4q25

10.3

дупликация

10q23

22.1

делеция

22q13

4.4

Делеция

4q35

11.1

ассоциация

11p12–11p13

22.2

SHANK3

22q13

5.1

ассоциация

5p15

11.2

DHCR7

11q13

Х.1

NLGN4X

Xp22

5.2

ассоциация

5p13–5q11

11.3

ассоциация

11q13–11q14

Х.2

NLGN3

Xq13

5.3

ассоциация

5q12

12.1

CACNA1C

12p13

Х.3

ассоциация

Xq21–Xq25

6.1

GRIK2

6q21

12.2

AVPR1A

12q14–12q15

Х.4

дупликация

Xq24

6.2

AHI1

6q23

13.1

дупликация

13q14

Х.5

FMR1

Xq27

7.1

Делеция

7p21

14.1

ассоциация

14q23

Х.6

MECP2

Xq28

7.2

Делеция

7q11

15.1

UBE3A

15q11

     

7.3

ассоциация

7q22–7q32

15.2

GABRB3

15q12

     

Примечание. * – № : первая цифра – номер хромосомы; вторая – число и номер нарушения в данной хромосоме.

Некоторые из указанных генов-кандидатов упоминаются и в других работах. Так, И.Ю. Юров с соавторами с помощью in silico анализа определил следующие гены-кандидаты у детей с аутизмом: SCARB2, TPPP, PDCD6, SEPT5, GP1BB, PI4KA, NPTX1, STCH, NRIP1 и CXAR [7].

Предпринимаются и попытки объединения имеющихся сведений о генах-кандидатах. Исследуя взаимосвязи между генами, в которых обнаружены точечные de novo мутации, ученые обнаружили, что мутированные гены связаны друг с другом, а также с другими, ранее идентифицированными генами, участвующими в патогенезе аутизма, что ранее предполагалось. В частности, результаты исследования группы ученых показали, что некоторые белки, кодируемые этими генами, физически взаимодействуют друг с другом в организме. Объединив полученные данные с ранее опубликованными результатами, исследователи предложили 18 генов-кандидатов предрасположенности к аутизму с множественными функциональными точечными мутациями de novo, среди которых наибольший вклад в развитие заболевания вносят следующие гены: ген KATNAL2, функция которого не известна; ген SCN2A, который кодирует белок нейронов головного мозга, формирующий натриевые ионные каналы; ген CHD8, участвующий в регуляции транскрипции генов и модификации. Для верификации полученных результатов были проведены дополнительные исследования одной тысячи больных аутизмом и такого же числа здоровых людей. В результате были получены убедительные доказательства, подтверждающие ассоциацию двух генов-кандидатов с предрасположенностью к аутизму (KATNAL2 и CHD8). Однако в совокупности эти гены связаны с менее чем 1 % генетического риска развития аутизма [13].

Геномные вариации при аутизме

Считается общепринятым, что при расстройствах аутистического спектра встречаются как хромосомные аномалии и микроаномалии, так и субмикроскопические вариации числа копий генома (CNVs), а также моногенные мутации. Серия работ, использующих высокоразрешающие технологии сканирования генома методом серийной сравнительной геномной гибридизации (array CGH), позволила определить наличие ассоциаций между специфическими CNVs и аутизмом [16, 38, 39, 40].

В последние годы показано, что до 10 % спорадических и 2 % семейных случаев расстройств аутистического спектра связаны с микроскопическими или субмикроскопическими хромосомными аберрациями типа CNVs, возникающими de novo (спорадически) [38]. Некоторые CNVs встречаются часто и в определенных участках хромосом 15 (дупликации q11-13), 16 (дупликации и делеции р11) и 22 (делеции q11-13); каждая из таких геномных перестроек встречается с частотой примерно 0,5–1 % [23]. Именно увеличение с возрастом риска возникновения CNVs в половых клетках, вероятно, обусловливает некоторое повышение вероятности рождения ребенка с аутизмом при увеличении возраста родителей (прежде всего отцов). Полногеномное исследование CNVs с использованием 550000 маркеров у 859 индивидов с аутистическими расстройствами и 1409 здоровых детей выявило несколько патогенных изменений в генах, кодирующих адгезию нейронов (NRXN1, CNTN4, NLGN1 ASTN2) и в генах, принимающих участие в убиквитинировании (UBE3A, PARK2, RFWD2, FBXO40) [20].

Несмотря на значительное количество исследований в данной области, следует признать, что в настоящее время роль CNVs в патогенезе аутизма остается до конца невыясненной. Во-первых, пенетрантность аутизма при CNVs значительно варьируется. Делеции и дупликации могут как наследоваться, так и возникать спорадически [17, 22]. Кроме того, некоторыми авторами было показано, что здоровые родители и другие члены семьи могут быть носителями CNVs, обнаруженных у пробанда. Во-вторых, фенотипические последствия микроделеций и микродупликаций одного и того же гена значительно различаются и, следовательно, не могут рассматриваться вместе. Помимо этого, пациенты с умственной отсталостью, судорогами, дислексией, шизофренией и биполярными расстройствами могут иметь те же CNVs, что и пациенты с аутистическими расстройствами [15, 26]. Эта ассоциация множества расстройств с одним генетическим дефектом указывает на то, что CNVs предрасполагают к целому спектру нервно-психических расстройств, а специфика определенного фенотипа зависит от генетического фона индивидуума [19]. Полученные данные поддерживают так называемую гипотезу «второго удара» (наличие второй, определяющей мутации), объясняющую этиологию несиндромальных нарушений развития головного мозга, включающих аутизм, умственную отсталость, нейропсихиатрические заболевания, судороги, эпилепсию [19]. Так, Itasara с соавторами при изучении семей с несколькими больными аутизмом обнаружили, что пробанды обладали большим количеством CNVs, чем их здоровые сибсы, и выдвинули предположение о том, что увеличение числа CNVs повышает риск развития аутизма [30]. С другой стороны, наблюдения Girirajan с соавторами показали, что дети с задержкой развития более склонны к наличию как унаследованных делеций участка 16p12, так и дополнительных спорадических CNVs [19]. Эти данные говорят в пользу гипотезы, предполагающей, что наличие CNVs в 16p12 само по себе ведет к предрасположенности к заболеванию, а комбинация их с другими мутациями может объяснить клиническую гетерогенность многих геномных нарушений.

Обзор геномных вариаций, специфичных для аутизма, демонстрирует их исключительную гетерогенность. Следует еще раз отметить, что при аутизме часто наблюдаются вариации числа копий ДНК (CNVs). Это позволяет предположить, что аутизм может быть связан с геномными вариациями. Однако локусы, вовлеченные в рекуррентные CNVs или хромосомные микроаномалии, обычно не дают положительного сцеплении с аутизмом. Тем не менее серия работ, использующих высокоразрешающие технологии сканирования генома, позволила определить наличие ассоциаций между специфическими CNVs и аутизмом [38, 39, 40]. Эти работы, по-видимому, позволяют идентифицировать новые гены-кандидаты предрасположенности к аутизму. Таким образом, обоснован вывод о том, что при таком клинически и генетически гетерогенном заболевании, как аутизм, имеется необходимость дополнительных высокоразрешающих исследований межиндивидуальных и межклеточных геномных вариаций с учетом их функциональных последствий, определяемых с помощью новых биоинформатических технологий.

Эпигенетика аутизма

Большой интерес вызывает гипотеза, рассматривающая аутизм в связи с эпигенетическими эффектами, то есть экзогенными и эндогенными воздействиями, влияющими на экспрессию генов без нарушения структура геномной ДНК. Интересные результаты были получены группой ученых при исследовании эпигенетических феноменов – особенностей инактивации и репликации хромосомы Х в группе девочек с аутистическими расстройствами при синдроме Ретта (RTT) и их матерей [5]. В результате было выявлено, что одной из особенностей RTT является эпигенетический феномен неравной инактивации хромосомы Х. При этом инактивацию хромосомы Х определяет мутация гена, кодирующего белок МeСР2, который, по-видимому, участвует в регуляции транскрипции генов хромосомы Х. Были также выявлены и случаи RTT без мутаций гена МЕСР2. По мнению авторов они могут быть обусловлены эпигенетическими нарушениями, связанными с инактивацией хромосомы Х, а также с аномальной экспрессией гена МЕСР2. Исследователи также полагают, что эпигенетические нарушения в последовательности репликации генов хромосомы Х являются следствием генетических аномалий, приводящих к RTT.

В ряде других исследований обсуждается роль окситоциновых рецепторов (OXTR) в развитие аутизма [21]. Так, было установлено, что у лиц с аутизмом имеется делеция гена OXTR материнского происхождения. С другой стороны, авторы отмечают, что у некоторых пациентов с аутизмом делеция отсутствовала, но отмечалось повышенное метилирование гена OXTR. Кроме того, была изучена экспрессия OXTR в клетках периферической крови и коры височной доли головного мозга. В результате была выявлена сниженная экспрессия гена OXTR у лиц с аутизмом по сравнению с контрольной группой. На основании полученных данных авторы пришли к выводу о том, что эпигенетические изменения, которые приводят к аутизму (эффект подавления экспрессии гена OXTR), проявляются на ранних этапах развития.

По мнению других авторов, эпигенетические модификации, включающие метилирование цитозина и посттрансляционную модификацию гистонов, обуславливают механизмы модулирования экспрессии генов, на которые могут влиять и некоторые факторы внешней среды. Классическим примером регуляции экспрессии генов с помощью эпигенетических механизмов является геномный импринтинг. Выявлены также гены, экспрессия которых регулируется с помощью метилирования ДНК, включая RELN (один из генов-кандидатов аутизма) [37]. Поскольку метилирование ДНК может быть модифицировано под влиянием мутаций при контакте беременной женщины с некоторыми веществами или подобного контакта в постнатальном периоде, то это позволяет сделать вывод о наличии взаимосвязи между экспрессией генов и влиянием факторов внешней среды, что и является предметом дискуссий при изучении этиопатогенеза аутизма [37]. Тем не менее остается не выясненным, каким образом нарушения регуляции генома вносят вклад в этиологию аутизма [37].

Авторы другого исследования в числе факторов, оказывающих влияние на эпигенетические процессы, указывают на особенности питания, прием лекарственных препаратов и психический стресс беременной женщины. По мнению исследователей, изучение эпигенетических механизмов, принимающих участие в развитие аутизма, открывает перспективы для разработки новых методов лечения этой патологии [37]. Однако, изучив современные публикации по проблеме эпигенетики аутизма, приходится с сожалением констатировать, что практическое использование этого направления находится лишь на стадии разработки, поскольку в настоящее время доказательства участия эпигенетических механизмов в развитии аутизма немногочисленны и их роль остается неопределенной [5, 18, 37]. Исключением из этого являются исследования инактивации хромосомы Х у детей с RTT.

Кроме того, исходя из наличия разных форм аутизма, вполне вероятно, что его патогенез в каждом случае имеет свои особенности. Примечательно, что в последних работах по идентификации молекулярных основ патогенеза аутизма используют молекулярно-цитогенетические и биоинформатические («реактомных/интерактомных») данные для определения не генов-кандидатов, а каскады процессов-мишеней или генные (геномные) сети, нарушения в которых вызывают предрасположенность к этому заболеванию [7, 15, 32]. В дополнение к этому следует отметить, что многие частые формы вариаций генома (хромосомный гетероморфизм и численные хромосомные аномалии, включая мозаицизм) при аутизме недостаточно исследовались. Серийная CGH (array CGH) в десятки раз (с 4‒5 % до 40‒50 %) повышает эффективность молекулярной диагностики генетических аномалий в группах детей с аутизмом, пороками развития и умственной отсталостью и позволяет также обнаружить новые геномные заболевания [2, 5, 8, 9]. При умственной отсталости с аутистическими расстройствами (наиболее частых формах нарушения психики у детей) применение молекулярно-цитогенетической диагностики позволило показать, что от 20 до 40 % случаев связаны с нарушениями генома, проявляющимися на хромосомном (микроскопическом и субмикроскопическом) уровне [4,7]. Выявленные в работе вариации числа копий представляют собой делеции или дупликации какого-либо участка ДНК. Как было уже отмечено, размер их варьируется от нескольких тысяч до миллионов пар нуклеотидов, и они могут включать от одного до нескольких десятков генов. Подобные вариации генома могут не проявляться фенотипически. Однако CNV, являющиеся, по-видимому, причинными факторами аутизма, чаще всего не обнаруживаются в контрольных группах [28].

В заключение следует отметить, что анализ собственных и литературных данных по проблеме генетики и геномики аутизма позволяет обоснованно сделать заключение о клинической и генетической гетерогенности этого заболевания, а также о необходимости дополнительных высокоразрешающих исследований межиндивидуальных и межклеточных геномных вариаций с учетом их функциональных последствий, определяемых с помощью новых биоинформатических технологий. Исследования геномных и хромосомных нарушений у детей с аутистическими расстройствами и умственной отсталостью значимы для дифференциальной генетической диагностики и определения причин соответствующих нарушений психики. Эти технологии обеспечивают раннюю лабораторную диагностику генетически обусловленных форм аутизма, которые могут составлять не менее 50 % больных детей. Таким образом, подобные исследования являются актуальными для определения патогенетических механизмов идиопатических форм такого тяжёлого социально значимого заболевания как аутизм, а также для разработки научно обоснованных методов ранней медицинской и психологической коррекции нарушений психики при аутизме.


Библиографическая ссылка

Ворсанова С.Г., Ворсанова С.Г., Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б., Юров Ю.Б., Юров Ю.Б., Сильванович А.П., Демидова И.А., Демидова И.А., Демидова И.А., Юров И.Ю., Юров И.Ю. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКЕ И ГЕНОМИКЕ АУТИЗМА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-2. – С. 356-367;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31197 (дата обращения: 20.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074