Содержание
Один из самых интригующих парадоксов современной нейробиологии звучит примерно так: с аутизмом связано несколько сотен разных генов — а люди с аутизмом нередко демонстрируют очень похожие черты. Как такое возможно? Новые исследования, опубликованные в последние два года в ведущих научных журналах — Nature и Nature Communications — начинают давать ответ. Оказывается, гены, связанные с аутизмом, могут сходиться на общих путях развития в самый ранний период формирования мозга, хотя каждый из них поначалу действует по-своему. В этой статье мы разбираемся, что именно нашли учёные и почему это важно.
В чём загадка
Генетические исследования последних двух десятилетий выявили свыше 100 генов, несущих редкие мутации, достоверно связанные с расстройствами аутистического спектра (РАС). Если смотреть шире — с РАС ассоциировано более 800 генов и генетических синдромов, затрагивающих самые разные биологические процессы. Это создаёт принципиальную трудность: если аутизм вызывается таким огромным числом разных генетических изменений, почему у людей с аутизмом так много общего в симптомах и поведении?
Этот вопрос долго оставался без ответа. Работать с ним было сложно ещё и технически — чтобы сравнивать молекулярные последствия разных мутаций в развивающемся мозге, нужны были инструменты, которых попросту не существовало ещё десять лет назад.
Органоиды как окно в развивающийся мозг
Одним из ключевых инструментов в новых исследованиях стали корковые органоиды — миниатюрные трёхмерные структуры, выращенные из индуцированных стволовых клеток пациентов. Они позволяют наблюдать, что происходит в мозге во время его раннего формирования, — то, что было бы невозможно исследовать напрямую ни по этическим, ни по техническим причинам.
В одном из наиболее масштабных исследований такого рода учёные вырастили органоиды из клеток 55 человек с аутизмом — 11 с идиопатической формой (без известной генетической причины) и 44 носителей одной из восьми мутаций, связанных с РАС. Органоиды наблюдали на протяжении около 100 дней, регулярно снимая профиль экспрессии генов. На ранних стадиях каждая генетическая мутация затрагивала развивающийся органоид по-своему, однако со временем они начинали нарушать общие молекулярные пути — прежде всего связанные с дифференцировкой нейронов, формированием синапсов и ремоделированием хроматина.
Ранние временные точки демонстрировали наибольшие мутационно-специфичные изменения, тогда как по мере развития разные мутации сходились на общих транскрипционных изменениях. Иными словами, разные генетические «маршруты» в итоге приводили примерно к одним и тем же молекулярным «пробкам».
Как самостоятельно помочь себе при депрессии, если нет сил и энергииПочему разные мутации приводят к одному результату
Думайте об этом как о разных маршрутах, ведущих к похожим пунктам назначения. Мутации начинают с того, что затрагивают разные аспекты раннего развития мозга, но в итоге воздействуют на перекрывающиеся пути.
Эти общие пути касались, в первую очередь, созревания нейронов, образования синапсов и регуляции активности генов. Исследователи выявили сеть генов, участвующих в регуляции экспрессии генов и ремоделировании хроматина — процессе, при котором ДНК упаковывается и становится доступной для считывания. Эта сеть, по всей видимости, играет центральную роль в точке конвергенции. При помощи технологии CRISPR учёные по отдельности снижали активность регуляторных генов в нервных клетках и подтверждали, что многие из них контролируют нисходящие пути, ранее связанные с аутизмом.
Важно понимать, что речь идёт именно о сети-«хабе» на вершине регуляторной иерархии. Нарушение работы любого из входящих в неё генов тянет за собой каскад изменений вниз по цепи — и эти изменения во многом совпадают, независимо от того, какой именно ген затронут изначально.
Конкретные гены и клетки
Параллельно с исследованиями на органоидах данные накапливались и в других моделях. В работе, опубликованной в Nature, учёные изучали три конкретных гена высокого риска РАС — SUV420H1 (KMT5B), ARID1B и CHD8 — с использованием одноклеточного РНК-секвенирования более чем 745 000 клеток. Органоиды с мутацией ARID1B демонстрировали как преждевременное расширение линии ГАМКергических нейронов, так и асинхронное развитие глубоких проекционных нейронов — фенотип, схожий с тем, что наблюдался при мутации SUV420H1.
Регуляторные и синаптические гены влияли на пролиферацию клеток-предшественников и возбуждающую передачу глутаматергических нейронов, а также на тормозную передачу ГАМКергических нейронов. При этом многие гены нейроразвития, по всей видимости, имеют широкие функции за пределами своей аннотированной роли.
Это означает, что одни и те же типы клеток — ГАМКергические интернейроны и глубокие проекционные нейроны — снова и снова оказываются «точками уязвимости» при самых разных генетических нарушениях. Клеточная конвергенция при молекулярной дивергенции — именно эту картину описывают сразу несколько независимых лабораторий.
Есть ли у животных эмоции и чем отличается мышление человекаЧто нашли учёные в реальном мозге
Данные с живыми органоидами хорошо согласуются с тем, что находят при анализе реального мозга. Одноклеточное секвенирование кортикальной ткани пациентов с аутизмом показало, что синаптическая передача нейронов верхних слоёв коры и молекулярное состояние микроглии преимущественно нарушены при аутизме. Кроме того, дисрегуляция специфических групп генов в кортико-кортикальных проекционных нейронах коррелирует с клинической тяжестью аутизма.
На транскриптомном уровне мозг при аутизме демонстрирует снижение активности генов, связанных с нейрональной активностью, при одновременном усилении генов, участвующих в опосредованном микроглией и астроцитами воспалении. Кроме того, выявлены изменения в ацетилировании гистонов, связанные с генами синаптической передачи и морфогенеза. Таким образом, сигнал конвергенции прослеживается не только в модельных системах, но и в ткани реального мозга пациентов — что существенно укрепляет доверие к этим выводам.
Внеклеточный матрикс
Рядом с привычными игроками — хроматиновыми регуляторами и синаптическими белками — обнаруживается ещё один участник конвергенции, который долго оставался в тени. Это внеклеточный матрикс (ВКМ) — система белков и гликанов, окружающих клетки мозга.
В развивающемся мозге человека ВКМ составляет около 40% от общего объёма, обеспечивая критическую поддержку и ориентацию при клеточной организации, регулируя межклеточную коммуникацию через контроль распространения и ограничения сигнальных молекул. Во время раннего нейроразвития ВКМ критически важен для пролиферации и дифференцировки нейронных предшественников, роста дендритов и аксонов, миграции нейронов и синаптической пластичности.
Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, стало первым, объединившим большие одноклеточные датасеты для того, чтобы показать, как разные типы клеток мозга строят и модифицируют поддерживающую структуру со временем, выявляя скоординированные изменения экспрессии генов и их связь с нейроразвитием. Исследователи создали первую комплексную карту того, как гены, связанные с ВКМ — так называемый «матрисом» — ведут себя в специфических типах клеток мозга и на разных стадиях развития.
Исследование подчёркивает, как разные типы клеток мозга — включая нейронные стволовые клетки, нейроны и клетки кровеносных сосудов — используют ВКМ для коммуникации и координации роста в процессе развития мозга. Многие из генов матрисома оказались связаны с нейроразвитием, а их активность динамически меняется по мере созревания мозга.
Фенолкарбоновые кислоты в лечении заболеваний: как природные молекулы помогают телу восстановитьсяВременные задержки вместо постоянных дефектов
Принципиально важная деталь, которую обнаружили сразу несколько исследовательских групп: изменения в развивающемся мозге при многих генетических вариантах РАС носят не перманентный, а временны́й характер. Изменения в основном проявлялись как транзиторные задержки созревания клеток и формирования связей, а не как необратимые дефекты.
Это наблюдение меняет взгляд на природу нарушений при аутизме. Речь идёт не о «поломке» какого-то постоянного компонента, а о сдвиге во времени — определённые типы клеток проходят через нужные стадии раньше или позже, чем следует. В постнатальном мозге нейроны верхних слоёв демонстрируют повышенную транскрипционную нагрузку, связанную с синаптической передачей, — паттерн, общий с идиопатическим аутизмом.
Половые различия в ответе на мутации
Среди всех открытий последних лет особого внимания заслуживает обнаруженная разница между самцами и самками в ответ на мутации, связанные с аутизмом. Самки мышей демонстрируют отличные реакции на мутации, связанные с РАС, по сравнению с самцами. Это не просто любопытный факт — он указывает на то, что молекулярные механизмы аутизма зависят от биологического пола, и игнорирование этого фактора может приводить к ошибочным выводам.
Половой диморфизм в распространённости аутизма — один из наиболее устойчивых эпидемиологических паттернов: у мальчиков аутизм диагностируют примерно в три-четыре раза чаще, чем у девочек. Но молекулярные основания этой разницы оставались тёмным пятном. Новые данные начинают это пятно освещать: не только распространённость, но и сами молекулярные последствия генетических мутаций могут различаться в зависимости от пола.
Охрана здоровья и медицинская помощь в Республике Казахстан: правовые основы, проблемы и перспективыТехнологии которые сделали это возможным
Ещё десять лет назад провести анализ такого масштаба было бы технически невозможно. Ключевым инструментом стали методы одноядерного мультиомного секвенирования — подход, позволяющий одновременно изучать несколько уровней информации внутри отдельного клеточного ядра. Это и сама ДНК, и активность генов через РНК, и эпигеном — химические модификации на ДНК, регулирующие, какие гены включены, а какие выключены.
Принципиальное преимущество такого подхода в том, что он позволяет работать не с усреднёнными данными по целому куску ткани, а с отдельными клетками. Только так можно понять, какие именно типы клеток затрагивают те или иные мутации — и как гены, связанные с аутизмом, проявляют разные паттерны в зависимости от типа ткани и стадии развития. Технологии органоидов и ассамблоидов позволяют учёным наблюдать раннее развитие мозга и выявлять, где именно пути развития расходятся при аутизме.
Конвергенция есть — но не у всех
Важная оговорка, которую нужно учитывать: конвергенция молекулярных путей была чётко выявлена у носителей конкретных генетических мутаций высокого риска. В клетках, выращенных от пациентов с идиопатическим аутизмом — то есть без известного гена риска — общего генетического сигнала обнаружено не было. Это, скорее всего, отражает принципиально иную и значительно более сложную генетическую архитектуру идиопатических форм, а не отсутствие конвергенции как таковой. Для понимания этих случаев потребуются гораздо более масштабные исследования.
Было выявлено множество изменений паттернов экспрессии генов при аутизме, при этом наблюдалась определённая конвергенция дисрегулированных генов и путей, включая мозг при РАС. Но механизмы у разных пациентов могут значительно различаться — что лишний раз подчёркивает, насколько гетерогенно это расстройство.
Как курение влияет на зрение и ускоряет старение глаз через изменения в генахРемоделирование хроматина
Среди всех молекулярных процессов, на которых сходятся разные генетические пути при аутизме, особое место занимает ремоделирование хроматина. Гены, модифицирующие и ремоделирующие хроматин — CHD8, ARID1B, ASH1L, KMT2A и SETD5 — часто мутируют у пациентов с аутизмом, что указывает на то, что изменения в структуре хроматина оказывают влияние на регуляторные сети генов, перекрывающиеся с другими генами, связанными с РАС.
Ремоделирование хроматина — это процесс перестройки упаковки ДНК: в зависимости от того, насколько «плотно» ДНК намотана на белковые катушки (гистоны), те или иные гены оказываются доступны или недоступны для считывания. Гены-регуляторы хроматина стоят высоко в иерархии управления генной активностью — поэтому их дисфункция тянет за собой нарушения во множестве нижестоящих процессов. Именно в этом, по всей видимости, и кроется механизм конвергенции: разные мутации ведут к общим последствиям, потому что все они — так или иначе — нарушают регуляторные сети, контролирующие раннее формирование коры мозга.
Анализ обогащения наборов генов показал, что гены, ассоциированные с аутизмом, сходятся на путях и процессах, вносящих вклад в эмбриональное развитие мозга, включая ремоделирование хроматина, нейрогенез и корковую ламинацию; физиологическое поддержание нейронов; и синаптические процессы.
