В клеточном ядре ДНК в комплексе с гистоновыми белками образует трехмерную структуру — хроматин, от которой зависит доступ транскрипционного аппарата клетки к ДНК. Эпигенетика изучает механизмы изменения состояния хроматина, не затрагивающие нуклеотидную последовательность ДНК, но влияющие на экспрессию генов — эпигенетические модификации [1]. В узком смысле ее предметом является метилирование ДНК и посттрансляционные модификации гистонов. Однако часто к сфере изучения эпигенетики относят любые локальные свойства хроматина, могущие влиять на активность генома.

Метилирование ДНК представляет собой присоединение метильной группы к основанию цитозина © и имеет место в подавляющем большинстве случаев в участках ДНК, где за цитозином следует гуанин (G), т. е. динуклеотидах CpG. Еще в 60-х годах прошлого века было установлено [2], что в геномах многих организмов CpG-динуклеотиды встречаются реже других видов. Более того, CpG-динуклеотиды распределены в геноме неслучайно. Часто они формируют обогащенные CpG-динуклеотидами компактные области (CpG-островки), расположенные в функционально значимых частях генома. Так, их находят в промоторах большинства генов в геноме человека. Эти особенности связаны с метилированием цитозинов [3]. В типичном случае локальное метилирование ДНК привлекает неспецифические метил-CpG-связывающие белки, что ведет к подавлению транскрипции соседних генов. Напротив, неметилированные сайты CpG в составе СpG-островков привлекают белки, препятствующие подавлению транскрипции. Посттрансляционные модификации определенных аминокислотных остатков гистонов на N-конце (ацетилирование, метилирование и др.) связаны как с активацией, так и с подавлением экспрессии генов [4, 5].

Метилирование ДНК, так же как и другие эпигенетические метки, отражает статус работы гена и может являться интегральным показателем различных средовых и генетически обусловленных сигналов на молекулярном уровне. Таким образом, у эпигенетического подхода к исследованию психических болезней есть преимущества по сравнению с изучением генетической изменчивости: более прямая связь анализируемых молекулярных процессов с функциональными особенностями организма и интеграция генетики и средовых воздействий.

Результаты полногеномного изучения ассоциаций (GWAS), транскриптомные данные и эпигенетические исследования свидетельствуют, что эпигенетические модификации играют важную роль в развитии шизофрении [6, 7]. Большая часть ассоциаций с шизофренией, обнаруженных в GWAS, приходится не на кодирующие, а на регуляторные участки ДНК [8]. В частности, биоинформатический анализ результатов полногеномных и полноэкзомных исследований шизофрении [9, 10] указывает на устойчивую ассоциацию с шизофренией полиморфных локусов, связанных с метилированием гистонов. В близнецовых эпигенетических исследованиях [11—13] обнаружены различия в метилировании отдельных локусов ДНК в дискордантных по шизофрении монозиготных парах. Обобщенные результаты кандидатных и полногеномных эпигенетических исследований (EWAS) свидетельствуют об отличии уровней метилирования (в большинстве случаев речь идет о гиперметилировании) ДНК в клетках крови [14] и аутопсийных образцах мозга больных шизофренией от нормы [15]. Использование модельных животных позволило продемонстрировать связь между пренатальным стрессом, метилированием промоторов генов-кандидатов для шизофрении, включая рилин (RELN), нейротрофический мозговой фактор (BDNF) и глутаматдекарбоксилазу 67 (GAD67), и развитием нескольких характерных для психозов нарушений поведения [16].

Особенности эпигенетических процессов при шизофрении позволяют предположить, что эпигенетические механизмы играют роль и в формировании сопутствующих заболеванию когнитивных нарушений. Кроме того, основанием для этого предположения являются данные о роли эпигенетических модификаций в собственно когнитивных процессах [17, 18] и вызванных стрессом изменениях строения и работы мозга [19—21]. Не вызывает сомнения, что высшие психические функции подвержены существенному эпигенетическому контролю [17], причем наибольшие успехи достигнуты в изучении эпигенетических механизмов памяти и обучения [22, 23]. В частности, установлено согласованное участие модификации гистонов и метилирования ДНК в обеспечении долговременной потенциации. Многочисленные исследования свидетельствуют, что формирование и поддержание следов памяти вовлекают эпигенетическую регуляцию транскрипции генов, имеющую свою специфику относительно задачи, региона, гена, времени и сигнального пути. В недавнем исследовании A. Zheutlin и соавт. [24] нашли снижение транскрипции ряда генов, связанных как с вариативностью вербальной памяти — одной из основных характеристик когнитивного дефицита при шизофрении, так и заболеванием у страдающих шизофренией близнецов относительно их здоровых соблизнецов и контроля. Дальнейшее изучение этих различий методами эпигенетики могло бы пролить свет на механизмы формирования нарушений вербальной памяти после манифестации шизофрении. В ряде исследований показана роль пренатального метилирования отдельных генов в раннем нейроразвитии и особенностях поведения младенцев и детей младшего возраста [25—27] и связь между метилированием ДНК и снижением когнитивных функций в пожилом возрасте [28], что представляет интерес для изучения причин снижения преморбидного интеллекта и дальнейшей траектории изменений IQ в ходе болезненного процесса.

В опытах на экспериментальных животных было выявлено действие эпигенетических механизмов, запускаемых средовыми факторами риска шизофрении, на когнитивные процессы и особенности работы мозга. Например, M. Labouesse и соавт. [29] обнаружили, что пренатальная инфекция (инфекция матери в период беременности) ведет к увеличению в префронтальной коре головного мозга уровня метилирования в промоторе гена GAD1, связанного с синтезом γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), что в свою очередь коррелирует с выраженностью вызванных пренатальной инфекцией нарушений рабочей памяти и социальных взаимодействий. J. Xu и соавт. [30] изучали последствия такого модулирующего риск развития шизофрении пренатального стрессора, как недостаточное питание в период беременности, для экспрессии генов в префронтальной коре и гиппокампе мышей и нашли, что в результате пренатальной нехватки пищи происходит перепрограммирование постнатальной экспрессии генов. В префронтальной коре отмечали изменение экспрессии генов, вовлеченных в нейротрансмиссию и обоняние, а в гиппокампе — связанных с синаптической передачей. При этом в гиппокампе имело место изменение профиля метилирования, преимущественно (в 87% случаев) заключавшееся в гиперметилировании ДНК.

Данные об отдельных генах-кандидатах шизофрении также указывают на возможную роль эпигенетических модификаций в развитии и изменчивости когнитивных нарушений у больных. Более того, эпигенетическими изменениями отчасти объясняется высокая вариативность результатов исследований ассоциаций. Например, однонуклеотидная замена (SNP от англ. Singlenucleotidepolymorphism) в локусе rs6265 (полиморфизм Val66Met) в гене BDNF, который рассматривается как модификатор ряда проявлений шизофрении, является так называемым CpG-полиморфизмом внутри CpG-динуклеотида (CpG-SNP): аллель Val содержит CpG, аллель Met — нет. Оказалось, что у здоровых людей с генотипом ValVal метилирование этого участка ассоциировано с гипоксией и ведет к снижению точности рабочей памяти, а у гетерозигот ValMet имеют место противоположные тенденции. Более того, были обнаружены зависимые от генотипа эффекты взаимодействия между метилированием в локусе rs6265 и гипоксией на риск развития шизофрении и префронтальную активность мозга во время выполнения задачи на рабочую память [31]. Полиморфный локус rs4680 (Val158Met) в гене катехол-О-метилтрансферазы (COMT), ассоциациям которого с когнициями посвящены многочисленные исследования^​1​᠎, также представляет собой CpG-SNP: аллель Val содержит CpG, аллель Met — нет. При изучении влияния метилирования этого локуса в клетках крови на рабочую память и связанную с ней активность мозга у здоровых людей было показано, что метилирование отрицательно коррелирует с уровнем стрессовых событий в раннем онтогенезе (включая родовые осложнения) и положительно — с продуктивностью рабочей памяти, а при взаимодействии со стрессом оказывает эффект на активацию префронтальной коры во время выполнения задачи на рабочую память: чем больше стрессовых событий и ниже уровень метилирования, тем выше активация, т. е., в интерпретации авторов, меньше эффективность работы мозга [32] (важно, что метилирование этого хромосомного участка в периферической крови может быть индикатором его метилирования в префронтальной коре). Вслед за этой работой E. Walton и соавт. [33] проанализировали связь между метилированием промотора гена СОМТ, кодирующего MB-COMT — изоформу, которая преимущественно экспрессируется в мозге, с активацией префронтальной коры во время выполнения задачи на рабочую память у больных шизофренией и здоровых. Были найдены независимая от диагноза положительная корреляция с активацией левой дорсолатеральной префронтальной коры, а также тенденция к связи между повышением метилирования и улучшением выполнения задачи. При этом у больных уровень метилирования был снижен.

Одним из когнитивных эндофенотипов шизофрении является нарушение распознавания эмоциональной мимики. L. Rubin и соавт. [34] изучили связь метилирования участка, расположенного вблизи кодона гена окситоцина, с распознаванием эмоций и параметрами мозга у больных c эндогенными психозами (шизофрения и биполярные аффективные расстройства) и здоровых. Было обнаружено, что как у здоровых, так и страдающих шизофренией женщин уровни метилирования коррелируют с распознаванием эмоций и объемом мозга в префронтальных и височно-лимбических отделах. При этом все женщины характеризовались более высокими уровнями метилирования относительно мужчин и все больные шизофренией — относительно биполярных больных.

Данные эпигенетики уже стали важным компонентом в комплексе данных, на основании которых исследователи пытаются восстановить путь от гена-кандидата к нарушениям когнитивной деятельности и от них к шизофрении. Примером может служить модель, использованная в работе I. Negrо́n-Oyarzo и соавт. [35], в которой дефицит регуляторно-исполнительских функций, являющийся важной характеристикой больных шизофренией, объясняется эпигенетическими изменениями гена RELN под действием пренатального стресса. RELN является одним из традиционных кандидатов для шизофрении и сопутствующих ей нарушений рабочей памяти. Он кодирует рилин — белок внеклеточного матрикса, вовлеченный в кортикогенез в эмбриональном периоде и в синаптическую пластичность, имеющую место после рождения. В ряде работ было выявлено снижение экспрессии RELN и гиперметилирование CpG-островка в его промоторе в префронтальной коре больных шизофренией. При этом на модельных животных продемонстрирована роль пренатального стресса в гиперметилировании промотора RELN в префронтальной коре. Основываясь на этих данных и учитывая место патологии префронтальной коры в патогенезе шизофрении и роль пренатального стресса в аномалиях развития этого региона мозга, I. Negrón-Oyarzo и соавт. [35] высказали предположение, что пренатальный стресс вызывает гиперметилирование в промоторе RELN, которое ведет к снижению его пренатальной транскрипции. Это влечет за собой сокращение числа интернейронов, синтезирующих ГАМК, нарушение размещения интернейронов в корковых слоях и редукцию длины дендритов пирамидных нейронов в префронтальной коре. Таким образом, пренатальный стресс нарушает эмбриональное развитие префронтальной коры, что проявляется аномалиями организации нервных сетей в этом регионе мозга. На уровне поведения патология работы префронтальных отделов выражается в нарушениях регуляторно-исполнительских функций и повышает риск развития шизофрении.

Говоря об эпигенетике когнитивного дефицита при шизофрении, важно отметить, что изучение эпигенетических процессов должно пролить свет на механизмы не только нарушений развития нервной системы, ведущие к аномалиям когнитивных процессов, но и на механизмы резистентности когнитивных функций к действию патологических факторов, лежащих в основе возникновения и течения психоза. Известно, что когнитивная дисфункция при шизофрении характеризуется высокой вариативностью как выраженности, так и динамики после манифестации заболевания [36, 37]. При этом существует группа больных, общий интеллект которых остается стабильно высоким в ходе болезни [36]. Резистентность когнитивных процессов к развитию ведущей к психическому расстройству церебральной патологии нередко объясняют возможностью привлечения дополнительных нейрональных ресурсов, которые получили название мозговых или когнитивных резервов [38]. Их существование связывают с высокой пластичностью мозга, обусловленной количеством нейронов и/или мощностью существующих и возможностью образования новых нейронных сетей. Полагают, что когнитивные резервы формируются в процессе генотип-средового взаимодействия под влиянием обогащенной среды [39]. Показано [40], что физическая и умственная активность улучшает память у человека и животных и ведет к возрастанию когнитивных резервов и снижению риска потери памяти при нейродегенеративных заболеваниях. Описаны [41, 42] некоторые эпигенетические процессы, опосредующие влияние обогащенной среды на когнитивные функции. В частности, установлена роль ацетилирования гистонов в улучшении памяти в обогащенной среде как на ранних, так и поздних стадиях онтогенеза. Показано в том числе [43], что ацетилирование гистонов тесно связано с транскрипцией промотора гена BDNF — важнейшего молекулярного посредника действия обогащенной среды на синаптическую пластичность.

У больных шизофренией интегральным, хотя и непрямым индикатором когнитивных резервов может быть уровень образования или преморбидный интеллект [36, 38]. В последнее время накапливаются данные о роли эпигенетических механизмов в развитии общего интеллекта человека [27, 44, 45]. Так, C. Yu и соавт. [44] исследовали 17 пар монозиготных близнецов, у которых имелась большая внутрипарная разница в IQ — не менее одного стандартного отклонения, или 15 баллов (обычно она составляет около 6 баллов). Изучив метилирование 25 500 промоторов в этих дискордантных по интеллекту парах, авторы предложили 27 генов, несовпадение в метилировании которых может влиять на дискордантность по интеллекту, и выявили умеренную положительную корреляцию между различиями в метилировании и интеллекте. Полученные данные, однако, оказались не очень убедительными и противоречивыми, поскольку в этих работах использовались различные методы. В частности, между близнецами с высоким и невысоким интеллектом не было выявлено различий в транскрипции генов. K. Lillycrop и соавт. [27] в небольшой выборке нашли ассоциацию между пренатальным метилированием ряда участков генома (при использовании ДНК, выделенной из пуповины) с общим интеллектом ребенка, оцененным в 4-летнем возрасте. Эти участки были связаны как с генами, которые ранее рассматривались в качестве кандидатов для когниций (например, гены, кодирующие транскрипционный фактор TCF4, антагонист рецептора интерлейкина-1 (IL1RN), ядерный эритроидный фактор (NFE2L2)), так и новыми. Причем многие из них кодируют транскрипционные факторы, вовлеченные в развитие диэнцефалона (ETS1, HES1, TCF4, NR4A2). Дальнейшее изучение одного из них — HES1 — на расширенных до 150—200 человек выборках подтвердило, что более высокий уровень перинатального метилирования некоторых участков его промотора ассоциирован с более высоким IQ в 4 года и лучшим выполнением тестов на регуляторно-исполнительские функции в 7 лет. Изменение в уровне метилирования HES1 на одно стандартное отклонение было связано с изменением IQ на 3,2 балла, в то время как самый большой эффект генетического полиморфизма (в гене транскрипционного фактора HMGA2 [46]) на интеллект составил 1,29 балла. A. Córdova-Palomera и соавт. [45] показали, что на внутрипарные различия монозиготных близнецов по общему интеллекту и рабочей памяти может влиять генетический полиморфизм гена ДНК-метилтрансферазы 3 (DNMT3B), кодирующего один из осуществляющих метилирование ДНК ферментов. Авторы интерпретируют результаты в пользу роли этого фактора эпигенетических модификаций как посредника в отклике интеллекта на обогащенную или обедненную среду.

Подобные данные могут быть использованы для изучения и понимания механизмов сохранения высокого уровня когнитивного функционирования у некоторых больных шизофренией. Однако пока опубликована лишь одна работа [47], в которой авторы попытались непосредственно оценить связь между эпигенетическими маркерами и уровнем когнитивного дефицита больных. Был изучен статус метилирования 19 генов в аутопсийных образцах мозга 29 больных шизофренией пожилого возраста, который сравнили с премортальным когнитивным дефицитом. Изменений в уровне метилирования у больных ни с относительно сохранной, ни с нарушенной когнитивной функцией найдено не было. Этот негативный результат, однако, следует рассматривать с осторожностью, поскольку в работе оценивали грубые когнитивные нарушения (с помощью Mini Mental State Examination и опросников), которые не являются типичными для шизофрении.

Исследования влияния обогащенной среды на когнитивные функции важны для понимания механизмов действия когнитивно-поведенческой терапии и нейрокогнитивных тренингов больных шизофренией. Кроме того, эпигенетические модификации представляют собой обратимые процессы, в связи с чем являются привлекательными мишенями медикаментозного лечения [48, 49]. В модельных опытах на животных было установлено, что фармакологическое воздействие ведет к восстановлению активности генома и нормализации поведения, в том числе тех изменений, которые связаны с особенностями метилирования генов дофаминергического пути, вызванных стрессом или мутациями [50, 51]. Так, K. Brami-Cherrier и соавт. [51] продемонстрировали, что у мышей с мутацией, ответственной за отсутствие D2-ауторецепторов в мезенцефальных дофаминергических нейронах, изменяется геномный ландшафт в нейронах, получающих дофаминергические проекции и расположенных в разных регионах коры. В частности, в префронтальной коре наблюдалось снижение экспрессии 1930 генов и повышение — 2 генов. Существенная часть из них оказалась вовлечена в регуляцию транскрипции, включая моделирование хроматина. Мутантные мыши при этом демонстрировали изменения поведения, которые считаются характерными для психозов, в том числе нарушения рабочей памяти. Лечение в течение 2 нед агонистом рецепторов D2 квинпиролом вело предположительно через стимуляцию постсинаптических D2-рецепторов к восстановлению экспрессии генов в нейронах префронтальной коры и повышенных у мутантных мышей уровней H3K9me3 — индикатора метилирования гистонов до значений, наблюдаемых у животных без мутации.

Приведенные результаты дают основание надеяться, что эпигенетические процессы послужат новой платформой для развития терапевтических подходов к коррекции когнитивных нарушений при шизофрении [52]. В качестве потенциальных средств в эпигенетической фармакологии рассматривают ингибиторы деацетилаз гистонов (HDAC) — ферментов, катализирующих удаление ацетильной группы с гистоновых N-концов и тем самым связанных с репрессией генов. Кроме того, внимание привлечено к ингибиторам ферментов, катализирующих метилирование ДНК, — ДНК-метилтрансферазам (DNMT), а также веществам, способствующим деметилированию ДНК. Некоторые из этих препаратов, уже использующиеся в лечении рака и сердечной аритмии, представляются перспективными и в отношении воздействия на симптомы шизофрении. Например, ингибиторы DNMT снижают ферментативную активность DNMT и гиперметилирование ДНК в промоторах генов RELN и GAD1, тем самым нормализуя ГАМКергическую нейротрансмиссию [53]. Ряд авторов [54, 55] указывают, что ингибиторы деацетилаз гистонов могут быть использованы для коррекции когнитивной сферы больных шизофренией. Следует отметить, что в механизмы действия уже существующих антипсихотических препаратов вовлечены эпигенетические процессы [49, 56, 57]. Галоперидол связан с рядом модификаций, включая ацетилирование, фосфорилирование и фосфоацетилирование гистонов и метилирование ДНК[57]. Клозапин и сульпирид связаны с ацетилированием гистонов и метилированием ДНК [57]. Эти препараты, в частности, способствуют деметилированию гена RELN in vivo; а при назначении вместе с этими препаратами вальпроата (ингибитор деацетилазы гистонов) их способность к деметилированию гена RELN усиливается [56]. При этом вальпроат и клозапин улучшают когнитивные функции у животных, на которых моделируют сходные с шизофренией нарушения [53]. Перспективным подходом является целевое изменение эпигенетического статуса конкретных терапевтических мишеней с помощью гибридных систем на основе метода редактирования генома CRISPR/CAS9 [58].

За 15 лет с начала молекулярно-генетических исследований когнитивных нарушений при шизофрении были достигнуты большие успехи в развитии молекулярно-генетических технологий и накоплены данные о генетических коррелятах связанных с заболеванием когнитивных нарушений. Однако до установления генетических основ нейрокогнитивного дефицита, которые могли бы пролить свет на его биологические механизмы и сделать возможным проведение персонифицированного обследования больных на этапе манифестации первого приступа психоза с целью подбора соответствующей терапии, предстоит еще много работы. Важную роль в достижении поставленных целей должна сыграть эпигенетика. Можно ожидать, что для такого сложного мультифакторного признака, как когнитивный дефицит, эпигенетические маркеры станут более точными предикторами, чем генетические. Хотя эпигенетика и эпигеномная медицина представляют собой новые отрасли науки о поведении и пока лишь приблизились к изучению когнитивного дефицита при шизофрении, в их рамках уже получен ряд интересных данных, проливающих свет на механизмы генотип-средового взаимодействия, определяющие развитие и функционирование мозга, которые лежат в основе когниций. Фармакоэпигенетика должна способствовать поиску путей устранения, казалось бы, безвозвратно утерянных когнитивных, поведенческих, сенсомоторных функций посредством эпигенетического репрограммирования судьбы стволовых клеток, способствуя восстановлению целостности нейронных сетей, пластичности и связности [52]. Однако когнитивный дефицит представляет собой результат сложного взаимодействия патологических и компенсаторных процессов, происходящих в мозге под действием как генетических, так и средовых факторов. Поэтому следует ожидать, что вариативность эпигенетических меток окажется весьма высокой, а следовательно, воспроизводимость результатов и размеры эффектов отдельных маркеров — еще более низкими, чем при исследовании структурных изменений последовательности ДНК. Возможно, эта проблема будет решена в комплексных исследованиях геномной организации отдельных индивидов. На это как на основную перспективу развития генетических подходов в психиатрии указывают I. Houston и соавт. [59]. Как отмечают эти авторы, следует ожидать все более широкого применения картирования эпигенетических меток с высоким разрешением в аутопсийном мозге и культурах нейрональных клеток, происходящих из плюрипотентных клеток, вместе с транскрипторным профилированием и полногеномным секвенированием для выявления молекулярной патологии конкретных случаев с диагнозами шизофрении, аутизма и других психиатрических расстройств.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16−15−00056).

Конфликт интересов отсутствует.