Исследователи выявили новые генетические варианты, которые могут объяснить, почему расстройства аутистического спектра диагностируются у мальчиков примерно в четыре раза чаще, чем у девочек.
Работа, опубликованная в American Journal of Human Genetics, показывает, что мягкие изменения в регуляторных областях гена MECP2 на X-хромосоме могут вносить вклад в этот дисбаланс.
Аутизм (а точнее – расстройства аутистического спектра) — распространенная наследственная особенность развития нервной системы, которая влияет на то, как человек общается, взаимодействует с окружающими и воспринимает мир. Этот комплекс заболеваний характеризуется измененным социальным взаимодействием и ограниченными, повторяющимися поведенческими паттернами. То, что аутизм диагностируется у мальчиков примерно в четыре раза чаще, чем у девочек, давно указывает на то, что пол-специфические факторы могут повышать уязвимость мужского пола.
«Мы проверили идею о том, что преобладание аутизма у мальчиков может частично объясняться мягкими мутациями в регуляторных областях гена X-хромосомы. Девочки могут быть защищены от такой мягкой мутации благодаря второй X-хромосоме, но мальчики, у которых есть только одна копия, оказываются более уязвимыми», — объясняет первый автор исследования, доктор Ребекка Мейер-Шуман, постдок в Дунканском NRI.
Ген «Златовласки»
MECP2 — это ген, который уже давно находится в центре внимания исследователей. Он кодирует белок «белок Златовласки», критически важный для нормальной работы мозга. Предыдущие исследования на мышах показали, что его количество должны быть «в самый раз» для здорового мозга. Слишком мало белка — меньше половины от нормального уровня — приводит к синдрому Ретта, тяжелому расстройству нейроразвития. Слишком много — вдвое больше нормы — вызывает синдром дупликации MECP2, другое серьезное состояние.
Однако, как отмечает Мейер-Шуман, «предыдущие исследования на мышах также показали, что более мягкие изменения уровня MECP2, например, снижение экспрессии на 30% или повышение на 50%, не вызывают тяжелых признаков синдрома Ретта или синдрома дупликации MECP2, таких как судороги или двигательные проблемы, но приводят к поведению, похожему на аутизм».
Именно эта «золотая середина» и стала ключом к разгадке.
Как искали виновников
Исследователи применили мощный лабораторный инструмент — массово-параллельный репортерный анализ (MPRA). С его помощью они просканировали регуляторные области гена MECP2, чтобы идентифицировать и понять, какие изменения могут влиять на их функцию.
«Регуляторные области — это как ручки настройки, которые контролируют, будет ли ген экспрессироваться и в каком количестве, — говорит Мейер-Шуман. — И где лучше начать изучать эти регуляторные области, как не у гена MECP2, где здоровье мозга зависит от того, насколько этот ген активен, и где мутации могут вызывать нейроразвитийные расстройства, включая аутизм».
Сначала исследователи построили каталог регуляторных элементов MECP2, используя данные об открытом хроматине из двух независимых наборов данных по префронтальной коре плода человека. Они сосредоточились на области между генами OPN1LW и IRAK1, которая, как было показано ранее, содержит все необходимые регуляторные элементы для воспроизведения нормальной экспрессии MECP2.
Затем они отобрали варианты, идентифицированные у людей с аутизмом, из более чем 8000 семей в 12 различных когортах. Критерии отбора были строгими: вариант должен был находиться в одной из пяти определенных регуляторных областей MECP2, быть ультра-редким (присутствовать только в одной семье), встречаться только у мальчиков с аутизмом и быть унаследованным от здоровой матери. Было найдено 22 таких варианта.
Два ключевых варианта
Используя MPRA в человеческих нейронах, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, исследователи протестировали функциональное влияние этих вариантов. Они обнаружили два некодирующих варианта, которые изменяют активность регуляторных элементов и связаны с аутизмом у мальчиков.
«Мы идентифицировали две регуляторные области, где мальчики с аутизмом унаследовали вариант от своей здоровой матери, который изменял регуляторную активность, — рассказывает Мейер-Шуман. — Один из этих вариантов снижал экспрессию MECP2 примерно на 30% в человеческих нейронах — величина, которая уже вызывает социальные дефициты, гиперактивность и тревожное поведение у мышей. Как и предсказывала мышиная модель, такой человек был диагностирован с аутизмом и СДВГ, но не имел определяющих характеристик синдрома Ретта».
Второй вариант, обнаруженный в новой регуляторной области CRE A, также изменял активность регуляторного элемента, хотя его эффект был более контекстно-зависимым.
Особенно важным оказалось то, что вариант в промоторе гена (g.154097837A>G) нарушает связывание транскрипционного фактора NFY. NFY — это комплекс, участвующий в удалении нуклеосом и инициации транскрипции на промоторах, регулирующий как гены «домашнего хозяйства», так и нейрон-специфические гены. Исследователи подтвердили это с помощью технологии CUT&Tag, показав, что у носителей варианта связывание NFY с промотором MECP2 значительно снижается.
От клеток к целому организму
Чтобы подтвердить патогенность варианта, ученые использовали CRISPR-Cas9 для редактирования этого варианта в эндогенный локус MECP2 в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. После дифференцировки в нейроны они обнаружили снижение экспрессии MECP2 как на уровне РНК, так и на уровне белка примерно на 30%. Это соответствует уровню, который, как было показано ранее на мышах, вызывает аутизм-подобные фенотипы.
Более того, анализ нижележащих генов показал, что снижение уровня MECP2 приводит к изменению экспрессии других генов, связанных с расстройствами нейроразвития. В частности, экспрессия гена EBF3, мутации в котором вызывают синтдромальное расстройство нейроразвития (syndromal NDD), была снижена примерно на 50%.
«Эти результаты, полученные путем интеграции исследований на людях и животных, позволяют предположить, что регуляторные варианты MECP2 могут вносить вклад в аутизм с преобладанием у мужчин, и открывают лишь верхушку айсберга, предоставляя основу для обнаружения регуляторных вариантов в других генах X-хромосомы, cвязанных с нейроразвитием, которые могут объяснить «недостающую наследуемость» аутизма», — говорит последний автор работы, доктор Худа Зогби.
Что это значит?
Это исследование предлагает элегантное объяснение давней загадки: почему аутизм так непропорционально часто поражает мальчиков? Ответ может заключаться в том, что у девочек вторая X-хромосома обеспечивает «страховку» — даже если одна копия гена несет мягкую регуляторную мутацию, вторая копия может компенсировать снижение экспрессии. У мальчиков же только одна X-хромосома, и любое снижение функции гена проявляется в полной мере.
Важно подчеркнуть, что речь идет не о тяжелых мутациях, вызывающих синдром Ретта, а о гораздо более мягких изменениях — снижении экспрессии гена всего на 30%. Этого достаточно, чтобы вызвать аутизм и СДВГ, но недостаточно для тяжелых симптомов синдрома Ретта, таких как судороги или моторные нарушения.
Исследование также демонстрирует мощь интегративного подхода, объединяющего генетику человека, функциональные геномные исследования и животные модели. Новая работа открывает новые горизонты для понимания «недостающей наследуемости» аутизма — феномена, когда известные генетические варианты объясняют лишь часть наблюдаемой наследственности расстройства.
Как отмечают авторы, для окончательного подтверждения связи между некодирующими вариантами MECP2 и аутизмом потребуются дополнительные исследования и обнаружение новых вариантов. Однако уже сейчас ясно, что регуляторные области генов X-хромосомы заслуживают гораздо более пристального внимания при изучении расстройств нейроразвития.
Текст: Алексей Паевский