Прогресс в генетике аутизма: на пороге новой нейробиологии

Аннотация

Аутизм представляет собой гетерогенный синдром, определяемый по нарушениям в трёх ключевых областях: социальном взаимодействии, речи и диапазоне интересов. Недавние исследования привели к идентификации ряда генов, ответственных за восприимчивость к аутизму, и к росту понимания вклада возникших de novo (впервые) и унаследованных вариаций числа копий генов. Перспективные стратегии применяются также для выявления распространённых рисковых вариантов генов. Системный биологический подход, включающий профилирование экспрессии генов с помощью ДНК-чипов, наготове к тому, чтобы дать дополнительное проникновение в сущность этой группы расстройств, в которой разнородность, как генетическая, так и фенотипическая, проявляется как главенствующая черта.

Аутическое расстройство находится на наиболее тяжёлом конце группы расстройств нейроразвития, называемых расстройствами аутического спектра (РАС), которым свойственны общие черты нарушения реципрокного социального взаимодействия. Мета-анализ распространённости РАС показывает, что им подвержены приблизительно 37 человек из 10 000. РАС охватывают несколько клинически определённых состояний (см. Врезку 1 и Диагностическое и статистическое руководство по психическим расстройствам): первазивное расстройство развития неуточнённое и аутическое расстройство наиболее распространены, тогда как синдром Аспергера встречается реже. Риск РАС повышен у мальчиков — эффект, который становится ещё более выраженным в так называемых высокофункциональных случаях.

При хронологическом обзоре исследований РАС мы сфокусируемся на кратком изложении истории генетических разработок в этой области, а также на разнообразии применяемых методов. До 1970-х годов то, что аутизм имеет серьёзную биологическую основу, широкого признания не встречало. Вместо этого в качестве потенциальных причин привлекались различные психодинамические интерпретации, в том числе приписывающие роль холодному или отстранённому стилю материнства. Важность генетического вклада стала ясной в 1980-е, когда было замечено сопутствие РАС хромосомным расстройствам и редким синдромам. Последующие близнецовые и семейные исследования дали дальнейшую поддержку сложной генетической этиологии, однако ограничения накладывало отсутствие единых диагностических критериев. Разработка в начале 1990-х действенных диагностических и оценочных инструментов, из которых в первую очередь заслуживают упоминания Autism Diagnostic Interview – Revised (ADI-R) и Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS), устранив эту проблему, имела решающее значение для развития международных исследований РАС. Эта работа, в сочетании с важными техническими достижениями, позволила в конце 1990-х впервые провести ассоциативные исследования генов-кандидатов и приложить усилия по ресеквенированию. Последовавшие полногеномные исследования связей были использованы для выявления дополнительных представляющих потенциальный интерес локусов. Хотя приложение полногеномных техник к оценке вариаций числа копий генов только началось, в этих исследованиях уже выявлено большое количество новых потенциально важных локусов-кандидатов.

Таким образом, по контрасту с полным отсутствием какого-либо понимания биологии РАС не далее как 30 лет назад, мы теперь знаем, что на установленные мутации, генетические синдромы и возникшие de novo вариации числа копий приходится около 10–20% случаев РАС (Врезка 2; Таблица 1). Поразительный результат, однако, состоит в том, что ни одна из упомянутых причин не описывает более 1–2% случаев, что напоминает ситуацию с умственной отсталостью (УО) — перекрывающимся, но отличном синдроме нейроразвития, который вызывается не одной главной генетической причиной, а большим перечнем сравнительно редких мутаций. Несмотря на такую разнородность РАС, были выдвинуты гипотезы, цель которых заключалась в сопоставлении редких и распространённых вариантов генов на уровне биологических функций, затронувшие несколько биологических предметов, включая повреждение синаптических функций и аномалии связей в головном мозге (Врезка 3). Тем не менее, относительную долю случаев РАС, которая объясняется редкими или распространёнными генетическими вариациями (или теми и другими), ещё предстоит определить.

Приводимые в таблице частоты зависят от оцениваемой популяции. Частоты, например, могут быть выше у лиц из семей с единственным случаем по сравнению с лицами из семей со множественными случаями, а также выше у дисморфичной популяции с умственной отсталостью по сравнению с идиопатической популяцией. Слова вроде "высокая" использованы для тех синдромов, по которым нет хороших оценок (то есть была выявлена лишь горстка людей с синдромом, о котором речь). Следует также отметить, что ни в одном из цитируемых здесь исследований не было указано, что оценивание на расстройство аутического спектра (РАС) проводилось путём слепого первичного диагностирования пациента. Ген CACNA1C кодирует белок – компонент управляемых напряжением кальциевых каналов L-типа; ген CNTNAP2 — трансмембранный контактин-ассоциированно-подобный белок 2; ген DHCR7 — белок 7-дегидрохолестерин-редуктазу; ген FMR1 — белок "fragile X mental retardation 1"; ген MECP2 — метил-CpG-связывающий белок 2; ген SHANK3 — белок "SH3 and multiple ankyrin repeat domains 3"; ген TSC1 ответственен за туберозный склероз 1-го типа; TSC2 — за туберозный склероз 2-го типа; ген UBE3A кодирует белок убиквитин-лигазы E3A.

Перед лицом такой неопределённости для улучшения нашего понимания генетических факторов, лежащих в основе РАС, требуется множество параллельных подходов. Эти методики включают в себя ассоциативные исследования генов, полногеномные и включающие совместное рассмотрение множества вносящих вклад факторов; плотное ресеквенирование с целью выявления мутаций и продолжение сбора больших, хорошо охарактеризованных когорт пациентов и их родственников для генотипно-фенотипных исследований. Здесь мы даём обзор этой захватывающей и быстро развивающейся области, в которой разнообразие генетических данных положило начало определению потенциальных биологических механизмов заболевания.

РАС как сложная генетическая особенность

Аутизм имеет серьёзный генетический базис

Ряд линий данных даёт поддержку генетическим факторам как преобладающей причине РАС. Во-первых, это растущий массив литературы, демонстрирующей, что мутации и структурные вариации в любом из некоторого числа генов могут резко увеличивать риск заболевания. Во-вторых, сравнительный риск того, что ребёнку будет диагностирован аутизм, в тех семьях, где им страдает его родной брат или сестра, возрастает по меньшей мере в 25 раз по отношению к частоте в популяции. В-третьих, родные братья и сёстры, а также родители больных детей в большей степени, чем представители контрольных групп, демонстрируют лёгкие когнитивные и поведенческие проявления, качественно подобные тем, что наблюдаются у пробандов (расширенный фенотип аутизма); с этим согласуется количественное выделение подпороговых черт в этих семьях. В-четвёртых, независимые исследования близнецов, пусть и немногочисленные, показывают, что частота сопутствия у монозиготных близнецов (70–90%) в несколько раз превышает соответствующие значения для дизиготных близнецов (0–10%). Важным вопросом для последующих работ будет прояснение того, как факторы окружающей среды и генетические факторы взаимодействуют во влиянии на риск и проявления (Врезка 1).

Генетические модели РАС

Центральное место в упомянутом вопросе о том, как генетические вариации достигают влияния на фенотипические проявления, занимает проблема того, являются ли различные аспекты РАС предметом воздействия независимых генетических модуляций или же, напротив, они представляют собой факторы риска, в значительной степени чувствительные к перекрытиям. Недавнее исследование когорты из общей популяции показало, что, несмотря на высокую величину наследуемости (>0.64) в социальной и коммуникативной сферах, а также в сфере повторяющегося и/или ограниченного поведения, между ними наблюдалась лишь умеренная ковариация. Аналогичным образом лица с крайними показателями в одной из этих сфер не обязательно имели крайние показатели в других. Дополнительную поддержку такой олигогенной модели, в которой заболевание возникает в результате комбинированного действия множества взаимодействующих генов, дают ассоциативные исследования, в которых идентифицированы отдельные локусы для эндофенотипов, связанных с различными ключевыми областями. Эти результаты также согласуются с той точкой зрения, что несколько рисковых аллелей совместно действуют при модулировании риска в семьях с несколькими больными братьями и сёстрами.

В то же время следует признать, что в выборках из общей популяции связь между ключевыми аспектами РАС может не отображаться должным образом. Например, в выборках, состоящих из лиц с установленными РАС, техники получения данных, такие как иерархическая кластеризация и метод главных компонент выявляют единый непрерывно распределённый фактор, который даёт вклад во множество аспектов заболевания. Кроме того, из статистического анализа данных по семьям с РАС предполагается, что значительная доля случаев РАС может быть результатом доминантного действия возникших de novo мутаций, обладающих сниженной пенетрантностью у представительниц женского пола. Дальнейшая поддержка той идеи, что аутизм может представлять собой единый континуум, исходит от растущего списка единичных генетических повреждений, каждое из которых, по-видимому, в существенной степени достаточно для того, чтобы вызвать РАС.

В сумме эти наблюдения формируют две контрастирующие, но действенные и потенциально совместимые парадигмы, которые доминируют в настоящее время в предположениях о роли генетических вариаций в восприимчивости к РАС. Независимая наследуемость раздельных ключевых аспектов РАС даёт поддержку важности для риска заболевания и для фенотипических проявлений распространённых вариаций. В то же время, тот факт, что функциональные нарушения в единичных молекулах представляются достаточными для возникновения заболевания, заставляет полагать, что идентификация редких вариантов также существенна. Основные технические подходы, используемые при исследованиях РАС, укоренены преимущественно в какой-либо из двух этих моделей.

Цифры в колонках таблицы, содержащих идентификационные номера, соответствуют цифрам на схематических изображениях отдельных хромосом. Красными и жёлтыми столбиками обозначены, соответственно, возникшие de novo утраты и приращения, которые наблюдаются при заболевании, но не в контрольных группах. Зелёные столбики соответствуют генам, которые, согласно наблюдениям, модулируют риск расстройств аутического спектра (РАС) (через редкие синдромы либо через генетическую связь): светло-зелёными и тёмно-зелёными столбиками представлены, соответственно, перспективные и вероятные гены-кандидаты, см. определение при Таблице 2. Участки, затенённые пурпурным, соответствуют пикам связи. При составлении таблицы рассматривались данные исключительно по людям. AHI1 (полное название "Abelson helper intergration site 1"); AVPR1A кодирует рецептор 1A аргинина-вазопрессина; CACNA1C — компонент управляемых напряжением кальциевых каналов L-типа; CADPS2 — Ca²⁺-dependent activator protein for secretion 2; CNTNAP2 — трансмембранный контактин-ассоциированно-подобный белок 2; DHCR7 — 7-дегидрохолестерин-редуктазу; DISC1 — белок "нарушенный при шизофрении-1"; EN2 — белок "engrailed homeobox 2"; FMR1 — белок "fragile X mental retardation 1"; GABRB3 — А-рецептор-бета-3 гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК); GRIK2 — glutamate receptor ionotropic kainate 2 precursor; ITGB3 — интегрин бета-3; MECP2 — метил-CpG-связывающий белок 2; MET — met прото-онкоген; NLGN3 — нейролигин-3; NLGN4X — белок "neuroligin 4 X-linked"; NRXN1 — нейрексин-1; OXTR — рецептор окситоцина; PTEN — гомолог фосфотазы и тензина; RELN — рилин; SHANK3 — белок "SH3 and multiple ankyrin repeat domains 3"; SLC25A12 — solute carrier family 25 (митохондриальный переносчик Аралар) member 12; SLC6A4 — solute carrier family 6 (транспортёр нейромедиатора серотонина) member 4; TSC1 ответственен за туберозный склероз 1-го типа; TSC2 — за туберозный склероз 2-го типа; UBE3A кодирует белок убиквитин-лигазы E3A.

Взгляд в будущее

Идентификация редких мутаций указала на многочисленность генов, причастных к этиологии РАС, и на разнообразие их функций. Хотя в большинстве случаев причинную связь ещё предстоит показать, значительная подгруппа представляется существенной в плане модуляции риска заболевания. Эти возникшие de novo мутации вместе с наследуемыми на фоне редких синдромов, каждая из которых по-отдельности ответственна не более чем за 1–2% случаев, описывают, однако, по меньшей мере 10–20% случаев РАС (Таблица 1). Доля РАС, объяснение которых в конце концов будет достигнуто в рамках таких крупномасштабных генетических эффектов (в противоположность мультигенному взаимодействию) должна проясниться в ближайшие год или два.

Принимая во внимание различия в экспрессии и неполную пенетрантность среди носителей одной и той же редкой мутации, остаётся важным понять образ взаимодействия этих редких вариантов с распространёнными аллелями. Кроме того, нормальное распределение РАС-подобных черт в популяции, а также повышенная частота принадлежности к расширенному фенотипу аутизма среди близких родственников пробандов дают аргументы в пользу важности роли распространённых вариаций. То, что к настоящему времени независимо показано, что некоторые из этих распространённых вариантов модулируют риск и/или проявления, свидетельствует также о значительных успехах. Существенная проблема здесь, однако, заключается в продолжении акцентирования внимания на категориальных измерениях (к примеру, болен человек или нет). Взамен этого, для того, чтобы подходящим образом выявить рисковые аллели и понять пути, по которым эти варианты вносят вклад в патологию, потребуются количественные эндофенотипы. С биологической перспективы распространённые варианты, похоже, обособляются гораздо выпуклее при изучении с оглядкой на более специфичные фенотипы, включающем измерения экспрессии генов, исследование структуры головного мозга и количественных аспектов социального поведения или коммуникации. Использование крайних в количественном отношении точек позволит также оценить, могут ли гены, модулирующие риск РАС, вносить вклад в аспекты нормальных фенотипических вариаций. Например, ассоциация вариаций в CNTNAP2 с началом речи повышает вероятность того, что изменения в этом гене могут также модулировать соотносящиеся с речью когнитивные фенотипы как в общей популяции, так и при других, клинически различных, но взаимосвязанных расстройствах.

Также существенен и поддаётся немедленной интерпретации вопрос о том, обладают ли РАС различных этиологий общим молекулярным механизмом, и если да, то ясны ли отношения между лежащими в основе генами. С учётом наблюдаемой разнородности понимание того, как функционально взаимодействуют факторы риска, представляет собой важнейший шаг к разработке терапевтического вмешательства. Хотя этиологическая разнородность будет значительно осложнять перевод добытых генетикой результатов из лабораторий в клиники, они могут оказаться полезными для выявления общих целей терапевтического вмешательства. С разнородностью РАС, как обсуждалось выше, связано отсутствие ясности вокруг специфики соотношений между РАС, УО и другими нейропсихиатрическими состояниями. Хотя они могут проявляться совместно, то, что они также наблюдаются и независимо, даёт благоприятную возможность для понимания перекрытия между УО и аутизмом на уровне структуры и функций головного мозга. Другие сопутствующие расстройства, наблюдаемые в семьях пробандов с РАС, также дают важную отправную точку для исследования генетических и биологических границ этих состояний. К примеру, некоторые из наблюдаемых при РАС речевых дефицитов видны также и при других расстройствах, таких как специфическое расстройство речи. Подобным же образом аспекты фронтальной исполнительной и социальной дисфункций, по-видимому, перекрываются с другими детскими расстройствами нейроразвития, такими как синдром дефицита внимания с гиперактивностью. Эти концепции подкрепляют идею, что имеющиеся в настоящее время клинические представления о границах между нейропсихиатрическими расстройствами не обязаны быть репрезентативными в отношении лежащей в основе генетической или биологической этиологии. На практическом уровне эти данные дают поддержку оцениванию предположительно связанных с РАС вариантов у незатронутых ими членов семей, которое проводится, как правило, с участием контрольных групп и когорт с другими расстройствами нейроразвития (например, с неспецифической УО, шизофренией и биполярным расстройством). Также здесь может оказаться полезным использование редких подтипов заболеваний с целью определения связей как с РАС, так и с клинически отдельными расстройствами с перекрывающимися чертами.

Наконец, наша цель должна заключаться в интегрировании имеющихся и вновь выявляемых генов-кандидатов в наше представление о функционировании мозга человека. Такие попытки дадут, вероятно, важную информацию не только о РАС, но и о близких расстройствах, в которых воздействие на поведение осуществляется через нарушение функций отчасти тех же областей и цепей. Поскольку гены модулируют поведение путём сложной во временном и позиционном плане экспрессии, важное значение будут иметь анализ генов-кандидатов как по развитию, так и по биоматериалам пациентов (пример — Программа содействия изучению тканей при аутизме (Autism Tissue Program)). Достижения в области системной биологии должны стать важнейшей платформой для объединения модулирующих эффектов многих взаимодействующих генов с функциональными данными, собранными путём многоуровневого анализа.

Из того, что пройден путь от господства психодинамических теорий аутизма не далее как в 1970 г. до знания свыше 20 bona fide (добросовестно найденных) генов в настоящее время, следует вывод, что за относительно короткий срок был достигнут значительный прогресс. Особенно показательно то, что идентификация практически всех связанных с РАС генов и синдромов произошла в течение последних 10–20 лет. "Ген аутизма" в исследованиях связей не найден, однако недвусмысленно показано, что для объяснения этой группы расстройств потребуются более сложные решения. Появление новых технологий — и, в частности, возможности вербовать для исследований семьи через интернет — позволит инициировать основанные на изучении популяций стратегии, которые смогут дать более приемлемые ответы. Несмотря на огромный объём предстоящей работы, ландшафт для будущих исследований РАС намечен и выглядит многообещающе как никогда.

Представленный выше материал — сокращённый перевод текста "Advances in autism genetics: on the threshold of a new neurobiology" Бретта С. Абрахамса и Даниэля Х. Гешвинда (см. также иллюстрацию к нему "FIGURE 1 | Loci implicated in ASD etiology").