Структурные вариации генома при аутистических расстройствах с умственной отсталостью

Аутизм - одно из наиболее часто встречаемых психических расстройств у детей (частота - 1:100 и больше), характеризующихся нарушениями в сферах социализации и коммуникации, а также наличием необычных стереотипий в поведении. Около 70% пациентов с аутистическими расстройствами имеют умственную отсталость [1].

Среди генетических причин аутизма ведущее место (более 10% случаев) занимает геномная патология в виде микроскопических и субмикроскопических аномалий хромосом (изменения генома размером более 0,5 млн пн) [2-4], а также вариации числа копий последовательности ДНК - copy number variations, или CNV (изменения генома размером от 1 тыс. пн до 0,5 млн пн) (10-25% случаев) [5-8]. Кроме того, аутизм часто связывают с численными аномалиями хромосом (анеуплодии аутосом и гоносом) в мозаичных формах. Более того, считается, что около 100 генетически обусловленных болезней, ассоциированных со структурными геномными вариациями («геномные болезни»), являются причиной аутистических расстройств [9]. Среди структурных изменений генома при аутизме также распространены и вариации гетерохроматиновых участков хромосом [10]. В целом широкий спектр геномной вариабельности при аутизме и умственной отсталости позволяет предположить, что в основе этих форм психопатологии лежат нарушения многих молекулярных и клеточных процессов, являющихся результатом генетической патологии и/или ее взаимодействия с факторами окружающей среды [11]. Следует отметить, что к расстройствам психики могут приводить как внешние факторы, вызывающие хромосомную (геномная) нестабильность [12], так и мутации генов, нарушающие каскады молекулярных и клеточных процессов [13-15]. Сочетание нескольких структурных изменений в индивидуальном геноме также может вносить значительный вклад в патогенез аутизма и умственной отсталости [14-17].

Генетические исследования детей с аутизмом и умственной отсталостью проводились и ранее [4, 10, 16, 17]. Тем не менее изучение структурных вариаций генома с помощью высокоразрешающих методов молекулярного кариотипирования и биоинформатического анализа в контексте оценки роли геномной вариабельности в патогенезе заболевания в российских когортах до настоящего времени осуществлено не было. В связи с этим проведение подобного исследования является крайне актуальным как для фундаментальной молекулярной медицины и нейробиологии, так и прикладной медицинской генетики, неврологии и психиатрии.

Цель настоящей работы - изучение структурных вариаций генома у детей с аутизмом и умственной отсталостью.

Анализ структурных вариаций генома проводился на 200 образцах ДНК, выделенной из периферической крови детей с аутистическими расстройствами, входящих в российскую когорту детей с аутизмом, описанную ранее [4, 10, 16, 17]. У всех детей наблюдалась также умственная отсталость.

Полногеномное сканирование осуществлялось молекулярным кариотипированием на высокоразрешающих чипах Affymetrix (CytoScan HD) для SNP (single nucleotide polymorphism)/олигонуклеотидного анализа CNV, хромосомных аномалий и эпигенетических мутаций потери гетерозиготности в соответствии с ранее описанными протоколами [17, 18]. Чипы содержат примерно 2,7 млн маркеров для оценки CNV и около 750 тыс SNP-маркеров, что позволяет достичь разрешения более 1000 пн [18]. Геномная локализация и гены, расположенные в перестроенных участках, были определены с использованием референсной последовательности ДНК генома человека по версии NCBI Build GRCh37/hg19.

Структурные вариации генома исследовались с помощью биоинформатической технологии, подробно описанной ранее [19, 20], представляющей собой анализ геномных, эпигеномномных, протеомных и метаболомных баз данных для приоритизации генов-кандидатов и CNV, а также идентификации процессов-кандидатов патологии.

Численные аномалии хромосом (анеуплоидии) исследовались методом флюоресцентной гибридизации insitu по ранее описанной методике [4, 8].

Хромосомные и геномные аномалии, затрагивающие участки ДНК более 0,5 млн нп, были выявлены в 51 (25,5%) из 200 случаев и представляли собой в основном делеции и дупликации. Среди 51 случая перестроек хромосом в 2 (3,9%) - была выявлена анеуплоидия (трисомия хромосомы Х и мозаичная трисомия хромосомы 8), в 7 (13,7%) - сочетанные аномалии (в 4 - вовлечены различные хромосомы), в 16 (31,4%) - мозаицизм (наличие нескольких генетически отличных популяций клеток в организме). Все хромосомные и геномные аномалии представлены в таблице. Примечательно, что полученные данные в определенной степени коррелируют с результатами ранее опубликованных работ, в которых отмечались высокие значения выявления хромосомных и геномных аномалий [4, 8, 12, 13, 16, 17, 21-24].

CNV размером менее 0,5 млн пн были обнаружены практически у всех детей. С помощью биоинформатического анализа [19, 20, 23] CNV без патологического значения были выявлены в 16 (8%) из 200 случаев. Патогенные CNV размером менее 0,5 млн пн выявлялись у 70 (35%) детей. В 24 (12%) случаев из 200 были обнаружены CNV, функционально соответствующие генным мутациям (интрагенные CNV). Важно, что практически все затронутые гены были ранее ассоциированы с аутизмом и/или умственной отсталостью [14, 25]. В предыдущих работах генные мутации преимущественно являлись вариацией последовательности ДНК размером от одного до нескольких десятков пн. В нашем исследовании в 30 (15%) из 200 случаев были обнаружены CNV (от 1,5 до 333 тыс. пн), затрагивающие от 1 до 13 генов (общее количество генов - 153), изменение копийности которых с высокой вероятностью могло иметь негативное влияние на фенотип.

В оставшихся 79 (39,5%) из 200 случаев были выявлены интрагенные CNV и CNV, затрагивающие гены целиком (общее количество генов - 570). Однако патогенная роль этих CNV остается пока неопределенной. Можно предположить, что в данной группе детей эти CNV приводят к изменению копийности определенного числа генов, которые прямо или косвенно связаны с аутизмом и умственной отсталостью [25, 26]. С помощью биоинформатического анализа в представленных выше группах нами были определены CNV, которые составляют своего рода «серую зону», обладая условно-патогенным эффектом (см. рисунок). Отметим, что, несмотря на регулярное использование в литературе понятия «серая зона» в контексте патогенности CNV [23-27], определенные критерии включения в нее выявленных изменений генома до настоящего времени не предлагались. В «серую зону» нами были включены 19 случаев, в которых CNV затрагивали гены целиком, и 68 - сочетания интрагенных и неинтрагенных CNV. С учетом феномена «серой зоны», а также гетерогенности клинических последствий CNV геномная патология, ассоциированная с нарушениями психики, наблюдалась в 97 случаях. На рисунке обобщены структурные вариации генома, выявленные у детей с умственной отсталостью и аутизмом.

При помощи оригинальной биоинформатической технологии приоритизации геномных вариаций нами были выявлены 24 гена-кандидата аутистических расстройств и умственной отсталости: AFF2, AKT3, AR, ATRX, ATXN3, CDKL5, EP300, EPHA3, FLNA, FMR1, GPC3, HDAC4, HDAC9, НЕХВ, MAPT, МЕСР2, OPHN1, RBFOX1, RXRB, SHANK3, SMC1A, TSC1, WT1, WTAP. Мутации в данных генах были описаны ранее [8, 9, 25-27] при моногенных заболеваниях (например, экспансия тринуклеотдиных повторов в генах AFF2 и FMR1 при синдроме умственной отсталости, сцепленной с ломкой хромосомой Х), среди симптомов которых отмечается аутизм и умственная отсталость. Перечисленные гены также включены в геномные (генные) сети (pathways), изменения которых непосредственно сказываются на функционировании мозга [8, 11, 13, 15, 24, 26]. Некоторые из них участвуют в процессах регуляции транскрипционной активности (ATRX, EP300, HDAC4, HDAC9, МЕСР2) и сохранения стабильности генома (SMC1A), влияя на развитие головного мозга в эмбриональном периоде.

В литературе [12, 28] отмечается значительная роль соматических структурных вариаций генома (соматический мозаицизм) в патогенезе нервных и психических заболеваний. В частности, идиопатический аутизм был ранее ассоциирован с низкопроцентной мозаичной анеуплоидией [4, 10, 24, 28]. В данной когорте также обнаружены мозаичные формы CNV и мозаичная анеуплоидия в 8% случаев из 200 (16% клеток с мозаичным геномом). Эти мозаичные структурные вариации генома в виде хромосомных микроделеций и микродупликаций (см. таблицу) при аутизме в сочетании с умственной отсталостью описаны нами впервые. Полученные данные свидетельствуют о том, что не менее 8% случаев хромосомных аномалий при идиопатических формах аутизма и умственной отсталости возникает в соматических клетках, являясь, вероятно, следствием отрицательного воздействия неблагоприятных экзогенных факторов на клеточный геном в пренатальном или раннем постнатальном периоде. Следует также упомянуть ранее выдвинутое предположение о том, что вариации генома, наблюдаемые во всех клетках организма, при психических расстройствах также могут вызывать предрасположенность к соматическому мозаицизму и/или хромосомной нестабильности [28].

Структурные вариации генома в виде хромосомных аномалий и CNV вносят значительный вклад в патогенез болезней мозга и наиболее часто ассоциируются с умственной отсталостью и/или аутистическими расстройствами [5-8, 13-17, 21-27]. Это неудивительно, поскольку многие из них имеют непосредственное влияние на психическое развитие в раннем постнатальном периоде [29], а также нарушают различные геномные сети, которые непосредственно связаны с развитием и функционированием головного мозга или обладают, по-видимому, плейотропным эффектом [27, 30]. Следует отметить, что на основе данных о структурной вариабельности генома возможен успешный поиск молекулярных и клеточных механизмов заболевания посредством выделения процессов-кандидатов психопатологии [19, 30, 31]. Обладая информацией о патогенности совокупности геномных вариаций, становится возможным экзогенное терапевтическое воздействие на патологически измененные процессы в организме больных с психическими заболеваниями. Подобные процедуры будут являться научно обоснованной молекулярной терапией аутистических расстройств и умственной отсталости [19, 31]. Несмотря на то что потенциал этого вида терапевтических вмешательств может быть пока что оценен только теоретически, подобные виды терапии генетически обусловленной патологии мозга являются наиболее безопасными и менее радикальными из ныне доступных [20, 21, 32].

Суммируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что 48,5% случаев аутистических расстройств в сочетании с умственной отсталостью связано со структурными вариациями генома в виде хромосомных аномалий и CNV (25,5 и 23% соответственно) (см. таблицу). Причем CNV могут представлять собой как изменение копийности целых генов, так и соответствовать генным мутациям, затрагивая отдельные экзоны. Часть CNV часто относят к так называемой «серой зоне» спектра генетической патологии, хотя каждый из затронутых генов может обладать плейотропным эффектом. Важно, что CNV генов этой зоны, по-видимому, не следует рассматривать как не имеющие фенотипических последствий, что нередко можно встретить в посвященной генетическим исследованиям болезней мозга литературе. Это связано с тем, что полноценные исследования с использованием биоинформатических технологий явно свидетельствуют о том, что они также вносят вклад в фенотип психических расстройств посредством изменения генных (геномные) сетей, чья функциональная активность прямо или косвенно связана с развитием головного мозга.

Молекулярно-цитогенетические исследования геномных аномалий при аутизме выполнены с помощью технологии серийной сравнительной геномной гибридизации (array CGH) при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 14−35−00060). Клинико-генетические и цитогенетические исследования сочетанных форм умственной отсталости и аутизма частично поддержаны грантом № 14−15−00411 Российского научного фонда.

Конфликт интересов отсутствует.