В начале 70-х годов в результате широкомасштабных генетико-эпидемиологических исследований с использованием близнецового и семейного методов было установлено, что генетические факторы вносят значительный вклад в развитие шизофрении. Были предложены генетические модели, базировавшиеся на диаметрально противоположных представлениях о числе генов, связанных с заболеванием. Одна из моделей объясняла возникновение заболевания действием одного, главного, гена, другая — была полигенной.

T. Crow [1—3] является наиболее ярким приверженцем представлений о том, что в основе шизофрении лежит один ген. Аргументы в пользу этого были сформулированы им следующим образом: 1) частота возникновения шизофрении, если рассматривать проявление ее основных симптомов, постоянна во всех популяциях; 2) структурные изменения в головном мозге, наблюдаемые при этом заболевании, например расширение боковых желудочков, также встречаются с одинаковой частотой во всех популяциях; 3) возраст начала болезни имеет специфическое распределение в течение репродуктивной фазы; 4) отмечены половые различия в течении и исходе болезни — у мужчин шизофрения начинается раньше, чем у женщин, и имеет более неблагоприятный исход; 5) основные симптомы психоза связаны с речью, т.е. специфичны только для человека. По мнению автора гипотезы, ни одно из перечисленных наблюдений нельзя объяснить как результат случайных мутаций в большом числе генов.

T. Crow предположил, что главный ген следует искать в так называемом псевдоаутосомном участке, который образован в результате переноса части хромосомы X на хромосому Y и обнаружен только у человека¹. В пользу гипотезы свидетельствовало обнаружение моносомии псевдоаутосомного участка половой хромосомы, повышенная частота кариотипа XXY у больных шизофренией, наличие сцепления шизофрении с несколькими локусами псевдоаутосомного участка. Расшифровка его нуклеотидной последовательности позволила обнаружить ген, кодирующий белок протокадхерин (protocadherin X/Y, или PCDHX и PCDHY) [4]. Этот ген проявляет свою активность в основном в головном мозге и связан с синаптогенезом. Показано, что у человека протокадхерин был подвержен ускоренной эволюции (16 замен аминокислот на хромосоме Y и 5 — на хромосоме Х) по сравнению с человекообразными обезьянами, у которых участок на хромосоме Х остается относительно стабильным. Возраст образования транслокации, давшей начало образованию двух гомологичных форм гена, оценивается примерно в 3 млн лет. Таким образом, этот ген (точнее пара, поскольку ген присутствует на каждой из половых хромосом) вполне можно было считать одним из кандидатов, определяющих асимметрию головного мозга, связанную с речью [5]. Кроме того, продукты его экспрессии были обнаружены в критических для патогенеза шизофрении участках головного мозга [6]. Описано несколько однонуклеотидных замен (полиморфизмы) в структуре этого гена, ведущих к замене аминокислот в соответствующем белке, однако связи этих полиморфизмов с шизофренией найдено не было [7].

Гипотеза о главном гене шизофрении подвергалась критике сторонников полигенной модели. Так, N. Risch [8], используя методы математического моделирования, не нашел подтверждения модели с участием главного гена. Основным контраргументом являлось уменьшение величин рекуррентного риска шизофрении с увеличением отдаленности родства с больным, что противоречило моногенному наследованию мутации, имеющей большой эффект. В пользу неправомерности использования моногенной модели по отношению к шизофрении свидетельствовало и то, что это заболевание не является клинически гетерогенным.

В результате стали рассматриваться альтернативные модели. Согласно одной из них, за возникновение шизофрении ответственны несколько взаимодействующих между собой основных генов [9] — так называемая олигогенная гипотеза. Другая модель базировалась на гипотезе, что болезнь является результатом совместного влияния многих распространенных генетических вариантов с небольшим эффектом. Под влиянием факторов окружающей среды на эти варианты происходит преодоление определенного биологического порога [10]. Позднее эта модель была трансформирована и получила название «распространенная болезнь — распространенный аллель» (common disease — common allele) [11]. При ее обосновании A. Chakzavarti апеллировал к эвристическим, т.е. не полученным опытным путем данным, полагая, что, поскольку шизофрения встречается относительно часто в популяции и распространена во всем мире, то и предрасполагающие к ней гены также могут быть распространены во всех популяциях. Модель «распространенная болезнь — распространенный аллель» получила широкое признание. В ее пользу свидетельствуют данные многих работ, в которых на основании анализа ассоциаций обнаружены различные гены, связанные с шизофренией. Исследования с помощью широкомасштабного сканирования генома и проведенные на их основе метаанализы показывают, что количество вносящих вклад в развитие шизофрении генов может достигать трехзначных чисел [12]. В последней работе, обобщающей данные геномного сканирования десятков тысяч больных [13], было выявлено более ста генов-кандидатов. Наряду с генами-кандидатами, связанными с нейрохимическими процессами, нарушение которых имеет место при шизофрении, выявлены и неизвестные ранее гены, роль которых еще предстоит установить.

Оказалось, однако, что модель «распространенная болезнь — распространенный аллель» не может объяснить противоречие между данными молекулярно-генетических и генетико-эпидемиологических исследований. Статистические расчеты показывают, что суммарный вклад генов в развитие шизофрении не превышает 30%. По данным эпидемиологических исследований, проведенных с помощью методов близнецового и семейного анализов, вклад генетического фактора составляет 60—80%. Получается, что бо`льшая часть вклада генетических факторов остается не выявленной. Эта часть названа в англоязычной литературе «потерянная наследуемость» (missing heritability). Причины ее также остаются неясными. И в качестве одного из вариантов было предложено фактически вернуться к моногенной модели.

По аналогии с моделью «распространенная болезнь — распространенный аллель» ее было предложено назвать «распространенная болезнь — редкие аллели». Авторы этой гипотезы — J. McClellen и соавт. [14] считают, что болезнь может быть обусловлена редкими мутациями, обладающими высокой пенетрантностью, при этом каждая по отдельности встречается редко, являясь специфичной только для определенного больного или семьи. Согласно этой модели, в различных семьях встречаются различные мутации — либо в том же гене, либо в разных, однако на одну семью может приходиться не более одной-двух мутаций. При этом не исключается, что мутации могут быть образованы de novo, т.е. вновь, в результате влияния таких факторов, как аддитивный эффект генов, недостаток питательных веществ в организме матери, поздний возраст отца, эпигенетические изменения. В пользу возможности возникновения вновь образованных мутаций свидетельствует то, что распространенность шизофрении в различных популяциях находится примерно на одном и том же уровне, несмотря на сниженные репродуктивные возможности больных шизофренией по сравнению с нормальной популяцией. Известно, что вследствие такого снижения имеет место так называемая негативная селекция — феномен, при котором наследуемые варианты вымываются из популяции.

Теория так бы и осталась теорией, если бы новые методы исследования генома не позволили сделать одно открытие. Оказалось, что в геноме человека присутствуют значительные по длине (от нескольких тысяч до нескольких миллионов пар нуклеотидов) участки. Они могут встраиваться в ген, образуя две копии (такое явление получило название дупликация) или, наоборот, выпадать из его структуры (так называемые делеции). Эти вариации обозначили термином «copy number variations», или вариации числа копий (CNVs). Важность их для функционирования генома заключается в следующем: 1) они настолько велики по длине, что могут включать в себя отдельные гены, в этом случае при дупликации появляется лишняя копия этого гена; 2) наоборот, при выпадении (делеция) большого участка одной копией гена становится меньше; 3) CNVs могут встраиваться в нуклеотидную последовательность гена или выпадать из нее, вызывая разрыв. Протяженность этих участков довольно велика — в целом она составляет до 12% всего генома, т.е. вклад CNVs в вариативность генома сопоставим с вкладом однонуклеотидных полиморфизмов или даже превышает его. Более того, как отмечалось выше, обусловленные CNVs мутации могут не только наследоваться, но и возникать de novo. Этот факт обнаружили при сравнении геномов семейных трио. Несмотря на непреложную истину, что мы наследуем по одной копии каждого гена от отца и матери, оказалось, что число копий у разных людей может отличаться от положенных двух, и процент такой вариативности гораздо выше ожидаемого. Тот же эффект наблюдался и у монозиготных близнецов.

Причины, вызывающие вариации числа копий, пока остаются невыясненными. Возможно, CNVs возникают в участках генома, включающих в себя повторяющиеся последовательности, или эти последовательности примыкают к ним в виде дублированных или многократных копий. В таких участках чаще могут возникать сбои при сближении родительских хромосом в процессе обмена генетическим материалом. По предварительной оценке, около 10% CNVs являются патогенетическими. Они могут быть причиной нескольких десятков спорадических заболеваний, вызванных геномными перестройками, а также обнаружены в семьях с моногенными наследственными болезнями.

Известно о связи CNVs с широко распространенными заболеваниями, в том числе психическими (шизофрения, аутизм, биполярное аффективное расстройство).

Механизмы, посредством которых CNVs могут оказывать влияние на фенотип, весьма разнообразны. В числе наиболее существенных можно отметить: 1) изменение активности гена вследствие числа копий по принципу доза-эффект, потеря функции гена или слияние генов, когда ген разрывает последовательность ДНК; 2) связанное с делецией усиление экспрессии рецессивной мутации на одной из хромосом в случае гемизиготного носительства; 3) аномальная экспрессия генов, прилегающих к мутации. Недавно было выдвинуто и экспериментально подтверждено предположение о том, что встраивание CNVs в участок генома приводит к образованию «химерных» генов, экспрессия которых в головном мозге может нарушать критические для шизофрении нейрохимические процессы [15]. Интересно что обусловленные CNVs мутации могут взаимодействовать между собой. Например, у людей с задержкой умственного развития, кроме делеции большого участка на хромосоме 16p12.1, в 25% случаев была обнаружена еще одна мутация, усиливающая эффект первой [16]. Накопление CNVs в семьях было проиллюстрировано [17] на примере семьи, в которой пробанду были поставлены диагнозы умственной отсталости, аутизма и эпилепсии, его отец страдал шизофренией, у матери обнаружены субклинические проявления аутизма, а у брата имело место психическое расстройство. Молекулярно-генетическое исследование выявило в этой семье наследуемые CNVs в гене нейрексина (NRXN1): у пробанда выявлены две мутации, одна из которых унаследована от матери, а у его брата — мутация, предположительно унаследованая от отца. Поскольку отец был недоступен для проведения генотипирования, предположение было сделано только на основании сходных фенотипических проявлений.

Отметим, что одна из обнаруженных мутаций в гене нейрексина 1 (NRXN1) была описана ранее [18]. Она представляет собой делецию в участке 2p16.3, которая разрывает последовательность в одном из экзонов. Частота этой мутации у больных шизофренией была почти на порядок выше, чем в контрольной группе психически здоровых. Эта же мутация часто встречалась и у больных аутизмом.

Следует отметить, что мутации, обусловленные CNVs, имеют очень низкую популяционную частоту (в некоторых случаях это единицы процента, в других — десятые доли и ниже). Поэтому для их обнаружения нужно провести генотипирование в группах численностью 1000 человек и более. Это обстоятельство является существенным препятствием на пути поиска CNVs, связанных с шизофренией. К настоящему времени список наиболее значимых вариаций, обнаруженных у больных шизофренией [19—25], включает в себя следующие хромосомные участки: 1q21.1 (делеция); 15q11 (делеция); 15q13 (дупликация, делеция); 16p11 (дупликация, делеция); 22q11 (делеция); 3q29 (микродупликации); 7q11.23 (микроделеция),17q2 (дупликация). Не все перечисленные мутации являются специфическими для шизофрении, например мутация на хромосоме 15 обнаружена и при аутизме. На некоторых из хромосомных участков выявлены конкретные гены, содержащие мутацию. Так, микроделеция на участке 7q11.23 изменяет сигнальную функцию вазоактивного интестинального пептида (VPAC2), который является нейромедиатором. Дупликация на 16p11 включает в себя 29 генов, из которых 22 проявляют свою активность в головном мозге, и по крайней мере 9 имеют отношение к патогенезу шизофрении, т.е. связаны с процессами дифференциации и пластичности нейронов, нейротрансмиссией глутамата [26].

Поиск новых CNVs и уточнение роли уже известных вариаций активно продолжается. Не исключено, что в будущем развитие геномных технологий (соответственно снижение стоимости поиска CNVs в геноме), будет способствовать их более широкому использованию для исследования семей с отягощенной наследственностью по шизофрении.

¹Появление его можно объяснить следующим образом: в результате произошедших в процессе эволюции хромосомных перестроек могла иметь место транслокация (перенос) части хромосомы Х на хромосому Y с последующей ее инверсией (поворот на 180°) на коротком плече хромосомы Y, что привело к возникновению гомологичного (идентичный по последовательности тринуклеотидов) участка между положением Xq21.3 и двумя блоками на Yp. Действительно, у человека, в отличие от обезьян, описанный выше участок обнаруживается на обеих хромосомах.