Мелатонин — это наиболее известный регулятор циркадных ритмов всех живых организмов, синтезируемый в темное время суток. На сегодняшний день в литературе описано несколько мест и путей синтеза мелатонина в организме человека: в сетчатке [1], костном мозге [2], желудочно-кишечном тракте [3]. Однако основным остается эпифизарный путь [4—6], включающий в себя 4 основные реакции (рис. 1): первые две — образование промежуточного продукта — серотонина; вторые две — образование непосредственно мелатонина.

Рис. 1. Синтез мелатонина (в эпифизе — основной путь).

TPOH-триптофангидроксилаза (триптофан-5-монооксигеназа); AAAD-5-гидрокситриптофандекарбоксилаза; AANAT -серотонин-N-ацетилтрансфераза; HIOMT-гидроксииндол-O-метилтрансфераза.

Синтез мелатонина начинается с гидроксилирования незаменимой аминокислоты триптофана под действием фермента триптофангидроксилазы (триптофан-5-монооксигеназы, TPOH, EC* 1.14.16.4 (*ЕС — Enzyme Classification). В ходе данного процесса образуется 5-гидрокситриптофан. Триптофангидроксилаза — ключевой фермент биосинтеза серотонина, предшественника мелатонина. Соответственно, TPOH катализирует первую и лимитирующую стадию биосинтеза данных нейротрансмиттеров (см. рис. 1). Существует две изоформы триптофангидроксилазы — триптофангидроксилаза-1 и триптофангидроксилаза-2, кодирующиеся генами TPH1 и TPH2 соответственно [7—9].

Второй этап синтеза мелатонина в эпифизе головного мозга — это образование серотонина (предшественника мелатонина) из 5-гидрокситриптофана путем декарбоксилирования с помощью фермента 5-гидрокситриптофандекарбоксилазы (декарбоксилазы ароматических аминокислот — AAAD (Aromatic Amino-acid Decarboxylase), EC 4.1.1.28), использующего в качестве кофермента активную форму витамина В₆ (пиридоксальфосфат) (см. рис. 1) [10]. Этот фермент играет важную роль не только промежуточного продукта синтеза мелатонина — серотонина, но и дофамина. Изучаются гены, ответственные за дофаминергический путь и гены, ответственные за серотонинергический путь [11,12]. Все эти соединения являются нейротрансмиттерами (химическими посредниками, передающими сигналы между нейронами), и, соответственно, нарушение экспрессии кодирующих генов и последующей выработки данных ферментов представляет большой интерес как фактор развития расстройств психоневрологического спектра.

Фермент 5-гидрокситриптофандекарбоксилаза экспрессируется в эпифизе, преимущественно в светлое время суток, а также в сетчатке глаз и на периферии: в тонкой и толстой кишке, надпочечниках [13]. Этот фермент кодируется геном DDC (другое название этого гена — AADC). Ген DDC (AADC) был открыт в 1992 г. C. Sumi-Ichinose и соавт. [14]. Он локализован на коротком плече (р) хромосомы 7, между позициями 12.2 и 12.1 (7р12.2—р12.1) (рис. 2а) [15], охватывает 85 тыс. пар нуклеотидов, включает 15 экзонов и существует в виде единственной копии в гаплоидном геноме [14].

Рис. 2. Локализация гена DDC (AADC) на хромосоме 7 (а), локализация гена AANAT на хромосоме 17 (б) и локализация гена ASMT на хромосоме Х (с) [15].

Третий этап синтеза мелатонина в эпифизе — это переход серотонина в N-ацетилсеротонин при помощи серотонин-N-ацетилтрансферазы (арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы — AANAT (Arylalkylamine-N-acetyltransferase) — EC 2.3.1.87), которая катализирует перенос ацетильной группы из ацетил-СоА в ариламин. Фермент кодируется одноименным геном AANAT, состоящим из 2,5 тыс. пар нуклеотидов и содержащим 4 экзона [16]. AANAT локализован на длинном плече (q) хромосомы 17, в позиции 25.1 (17q25.1) (см. рис. 2 в) [15].

Фермент образуется во многих тканях, но в основном в пинеалоцитах эпифиза [5]. Причем интересно, что экспрессия мРНК происходит преимущественно днем (рис. 3) [13], а транскрипция белка — ночью [17, 18].

Рис. 3. Экспрессия гена AANAT (pineal day — в эпифизе днем, pineal night — в эпифизе ночью).

Таким образом, AANAT является стартовым ферментом перехода серотонина в мелатонин при наступлении темноты. Также фермент образуется в фоторецепторах сетчатки [5], где его функция пока не уточнена (предполагается — нейротрансмиссивная и детоксикационная) [19, 20].

На четвертом этапе синтеза мелатонина происходит образование самого мелатонина (N-ацетил-5-метокситриптамина) при помощи гидроксииндол-O-метилтрансферазы (HIOMT, EC 2.1.1.4), которая метилирует гидроксильную группу ароматического кольца N-ацетилсеротонина. Увеличение активности этого фермента осуществляется за счет его фосфорилирования циклической формой аденозинмонофосфата (АМФ). Гидроксииндол-O-метилтрансфераза кодируется геном ASMT, состоящим из 47 тыс. пар нуклеотидов и локализованным (Xp22.33 и Yp11.2) [15]. H. Yi и соавт. показали его псевдоаутосомную локализацию [21].

Цель настоящего обзора — анализ отечественных и зарубежных публикаций, отражающих результаты молекулярно-генетических ассоциативных исследований роли однонуклеотидных полиморфизмов генов DDC (AADC), AANAT и ASMT, кодирующих ферменты синтеза мелатонина, в патогенезе социально значимых психоневрологических расстройств у человека.

Проанализированы доступные полнотекстовые статьи в отечественной (ELibrary.ru) и зарубежных (Web of Science, Scopus, Clinical Case, PubMed) базах данных, а также материалы электронных ресурсов (SNPedia, GeneCard, BioGPS, OMIM, KEGG) по ключевым словам: мелатонин, синтез, ген, DDC (AADC), AANAT, ASMT, 5-гидрокситриптофандекарбоксилаза, серотонин-N-ацетилтрансфераза, гидроксииндол-O-метилтрансфераза, однонуклеотидный полиморфизм (ОНП), синдром задержки фазы сна (СЗФС), синдром дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ), расстройство аутистического спектра (РАС), мигрень, болезнь Паркинсона, тревога, депрессия, биполярное аффективное расстройство (БАР), шизофрения, melatonin, synthesis, gene, DDC (AADC), AANAT, ASMT, 5-hydroxytryptophandecarboxylase, serotonin-N-acetyltransferase, hydroxyindole-O-methyltransferase, single nucleotide polymorphism (SNP), delayed sleep phase disorder (DSPD), attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), migraine, Parkinson’s disease, depression, anxiety, bipolar affective disorder (BAD), schizophrenia. Глубина поиска составила 15 лет (2003—2018 гг.). Всего найдено 187 статей, цели настоящего исследования соответствовали 43.

Ген DDC (AADC)

Мутации в гене DDC (AADC), а также ряд ОНП этого гена приводят к снижению активности фермента 5-гидрокситриптофангидроксилазы, в результате чего снижается синтез серотонина, дофамина и мелатонина в нейронах [22], что приводит к расстройствам ментальных функций, поведения, психомоторного развития и вегетативной дисфункции. В частности, наследственное моногенное заболевание — дефицит 5-гидрокситриптофангидроксилазы дебютирует на первом году жизни ребенка и может сопровождаться серьезной задержкой психомоторного развития, мышечной гипотонией, мышечной слабостью, локомоторными расстройствами, нарушением сна (вплоть до летаргии). Кроме того, пациенты имеют осложнения в виде так называемых окулогирных кризов, которые сопровождаются эпизодической аномальной тонической девиацией (отклонением) глазных яблок (обычно направленной вверх и латерально, редко — вниз или строго латерально) длительностью от нескольких минут до нескольких часов, возбуждением (ажитацией), болью, мышечными спазмами, неконтролируемыми движениями мышц (гиперкинезами), преимущественно головы и шеи [23]. Вегетативные расстройства преимущественно заключаются в нарушении регуляции артериального давления и температуры тела, а также проявляются в виде гипогликемии, возможно развитие обмороков и остановки сердечной деятельности. Однако серьезные осложнения развиваются по мере прогрессирования заболевания в более позднем возрасте [24].

В течение последнего десятилетия результаты проведенных ассоциативных молекулярно-генетических исследований демонстрируют также связь носительства ряда ОНП гена DDC (ADDC) с риском развития или изменением течения (возраст дебюта, тяжесть) психоневрологических расстройств, таких как СДВГ, РАС, мигрень, болезнь Паркинсона, тревожно-депрессивные расстройства, БАР, шизофрения.

Нами найдены ассоциативные молекулярно-генетические исследования, отражающие связь ОНП rs2329340, rs11974297, rs2044859, rs11761683 с риском развития мигрени. Так, R. Corominas и соавт. [25], изучая ассоциацию генов серотониновой системы, включая вышеуказанные ОНП гена DDC (AADC), с мигренью в испанской популяции, включили в свое исследование 528 пациентов (308 — с мигренью без ауры, 220 — с мигренью с аурой) и 528 здоровых добровольцев. Авторы показали значимую ассоциацию носительства 4-ОНП гаплотипа (rs2329340A—rs11974297C—rs2044859T—rs11761683G) с риском развития мигрени с аурой.

Ассоциация носительства ОНП гена DDC (AADC) с расстройствами аутистического спектра показана на примере rs6592961, rs2329340, rs2044859, rs11761683. Обследование 326 пациентов с РАС и 350 здоровых добровольцев в испанской популяции провели C.Toma и соавт. [26]. Авторы показали статистически значимую ассоциацию гетеро- и гомозиготного носительства минорной аллели А rs6592961 (p=0,00047) с риском развития аутизма, а также прогностически неблагоприятную роль в развитии рассматриваемой психоневрологической патологии 4-ОНП гаплотипа (rs2329340C—rs2044859T—rs6592961A—rs11761683T, p=0,000049). Однако H.Yu и соавт. [27], повторяя исследование в китайской популяции (на примере 211 детей с аутизмом и 250 здоровых добровольцев), не выявили значимой ассоциации между частотами аллелей A и G и генотипами AA, AG, GG rs6592961 и ранним детским аутизмом, а также тяжестью его течения. B. Anderson и соавт. [28] в популяции американцев европейского происхождения (на примере 252 больных аутизмом пробандов и 231 здорового сибса в возрасте от 3 лет до 21 года из 403 семей) провели исследование ассоциации 45 ОНП генов серотонинергической системы, включая 7 ОНП гена DDC (AADC) (rs730092, rs12718541, rs7790758, rs3823674, rs998850, rs4947644, rs921451). Диагноз аутизма ставился на основании диагностических критериев Diagnostic and Statistical Manual IV (DSM-IV) и Autism Diagnostic Interview-Revised (ADI-R). Авторы не нашли ассоциации изучаемых ОНП гена DDC (AADC) с риском развития РАС.

M. Ribasés и соавт. [29] на выборке из 451 пациента с СДВГ (263 детей и 188 взрослых) и 400 здоровых добровольцев, представителей испанской популяции, сопоставимого возраста продемонстрировали статистически значимую ассоциацию, сохраняющуюся после корректировки на погрешность, между носительством минорной аллели А rs6592961 гена DDC (AADC) и риском СДВГ (p=0,0003; отношение шансов (ОШ) — 2,02; 95% доверительный интервал (ДИ) 1,42—2,88). Авторы также выявили ассоциацию 4-ОНП гаплотипа (rs11238131С—rs6592961А—rs1982406А—rs2044859T, p=0,0003, ОШ 2,04; 95% ДИ 1,40—2,99) в общей выборке и СДВГ, которая, однако, нивелировалась после корректировки на погрешность.

Так как ген DDC (AADC) кодирует фермент, участвующий в пути образования не только серотонина (предшественника мелатонина), но и дофамина, S. Redenšek и соавт. [30], заинтересовавшись возможным влиянием ОНП генов дофаминергического пути, включая DDC (AADC), на течение болезни Паркинсона, провели обследование 231 пациента из Словении с диагнозом болезни Паркинсона. Авторы показали, что носительство аллели С rs921451 гена DDC (AADC) статистически значимо повышает риск развития ортостатической гипотензии (гомозиготное носительство: ОШ 1,86; 95% ДИ 1,07—3,23; p=0,028; гетерозиготное носительство: ОШ 2,30; 95% ДИ 1,26—4,20; p=0,007) [30].

А. Børglum и соавт. [31] выдвинули две гипотезы относительно молекулярно-генетических ассоциаций между ОНП гена DDC (AADC) и шизофренией: 1) DDC (AADC) — ген-кандидат, повышающий риск развития шизофрении; 2) модуляция возраста начала расстройства. В выборку из популяции шотландцев были включены 173 пациента с шизофренией и 204 здоровых добровольца. Частоты аллелей и генотипов как в образцах пациентов, так и в контрольных образцах были схожи, тогда как между генотипами DDC (AADC) и возрастом начала расстройства была обнаружена статистически значимая взаимосвязь, особенно среди мужчин (p=0,03). Генотипы были разделены авторами на три группы по их возможному относительному влиянию на возраст дебюта: «ранний», «нейтральный» и «поздний». Разница в среднем возрасте у пациентов мужского пола с «ранними» генотипами по сравнению с пациентами с «поздними» генотипами была близка к 5 годам (95% ДИ 0,7—8,8). Таким образом, DDC, возможно, может выступать в качестве модулятора возраста у мужчин с шизофренией. B. Zhang и соавт. [32] подтвердили первую гипотезу А. Børglum и соавт. Они провели поиск ассоциации трех ОНП гена DDC (AADC) с риском развития параноидной шизофрении в китайской популяции. В исследование были включены 80 пациентов с параноидной шизофренией и 108 здоровых добровольцев. Авторы не обнаружили различий в частоте встречаемости аллелей и генотипов в сравниваемых группах. Не было обнаружено гаплотипов, повышающих риск развития данного психического расстройства.

Поиск молекулярно-генетических ассоциаций между ОНП гена DDC (AADC) с тревожно-депрессивными расстройствами также вызывает интерес у исследователей, так как фермент AAAD, кодируемый этим геном, катализирует реакцию образования серотонина — «гормона хорошего настроения» и «гормона счастья» [33]. J. Costas и соавт. [34] обследовали 1804 женщины послеродового периода в испанской популяции. Женщины были протестированы трижды (через 2—3 дня, через 8 нед и 32 нед после родов) с помощью двух методик, таких как Эдинбургская шкала послеродовой депрессии (Edinburgh Post-partum Depression Scale — EPDS) и шкала тревожности Спилбергера (Spielberger State-Trait Anxiety Inventory — STAI). Образцы ДНК обследуемых генотипированы по 508 ОНП 44 генов-кандидатов, связанных с изменением настроения. Связь с оценками выраженности депрессивных и тревожных нарушений по вышеуказанным шкалам была проверена с использованием линейных смешанных моделей, чтобы учесть повторяющиеся измерения во времени. Авторы показали статистически значимую взаимосвязь уровня тревожности по шкале Спилбергера и ОНП rs17733244 гена DDC (AADC), сохраняющуюся после множественной коррекции.

Изменение настроения на фоне стрессовых событий у каждого человека носит индивидуальный характер. X. Gao и соавт. [11] провели исследование, посвященное проблемам framing-эффекта, косвенно демонстрирующего уровень личностной тревожности и мнительности человека. Этот эффект срабатывает в ситуациях, связанных с риском и необходимостью принятия решения (например, финансовые траты, голосование, согласие на проведение операции и т.д.). Человек склонен избегать рисков, если варианты представлены положительно, и, напротив, стремиться к риску, когда те же варианты представлены негативно во время принятия решения. Были обследованы 1317 представителей китайской популяции. Авторы проанализировали 47 ОНП гена DDC (AADC) и показали их вклад в развитие framing-эффекта. Ни один из других исследуемых генов не был связан с данным феноменом (p=0,031). Таким образом, по мнению авторов, ген DDC (AADC) является возможной генетической основой аффективного принятия решений. Также было отмечено [35], что некоторые антидепрессанты являются ингибиторами распада мелатонина, это делает их препаратами выбора при сниженном уровне его синтеза.

А. Børglum и соавт. [36] также провели ассоциативное молекулярно-генетическое исследование, отражающее связь мутаций и ОНП гена DDC (AADC) с риском развития БАР в европейской популяции. Проведя скрининг 10 пациентов, авторы идентифицировали два довольно частых варианта у своих пациентов: делецию в 1 п.н. в промоторе и делецию в 4 п.н. в нетранслируемом нейронном экзоне 1. Далее в исследование были включены 80 пациентов с БАР и 223 здоровых добровольца из Дании, а также 112 пациентов с БАР и 349 здоровых добровольцев из Англии. Анализируя объединенный из двух популяций материал, авторы обнаружили статистически значимую связь между делецией в 1 п.н. в промоторе и БАР как по частоте носительства аллели (p=0,037), так и по частоте носительства генотипа (p=0,021). Частота делеции в 1 п.н. в промоторе составила 13,3% у пациентов и 9,4% в контроле (ОШ 1,48; 95% ДИ 1,02—2,15). Было выдвинуто предположение, что ген DDC (AADC) может выступать в качестве гена малой восприимчивости к БАР. Через 4 года эта же группа ученых расширила выборку представителями Шотландии: 140 пациентов с БАР и 204 здоровых, а также включила в исследование 100 пробандов с БАР и их родителей (выборка «трио»), однако авторы не смогли воспроизвести полученных ранее статистически значимых результатов. Тем не менее преобладание делеции в 1 п.н. в промоторе значимо увеличилось при анализе только семейных случаев отдельно для всех исследуемых выборок «случай — контроль» (комбинированный анализ, p=0,02). В выборке «трио» наблюдали преимущественно отцовскую передачу делеции в 4 п.н. в нетранслируемом нейронном экзоне 1 (p=0,006). Таким образом, авторы пришли к выводу, что ген DDC (AADC) может повышать риск развития БАР, особенно в случае отягощенного по отцовской линии анамнеза [37].

Ген AANAT

Показаны ассоциации некоторых точечных мутаций и гаплотипов ОНП гена AANAT со таким заболеванием ЦНС, как СЗФС — синдром «совы», и депрессивными расстройствами, являющимися частыми коморбидными состояниями при эпилепсии.

H. Hohjoh и соавт. [38] провели сравнение 129 пациентов с СЗФС и здоровых из японской популяции и показали статистически значимую взаимосвязь между rs28936679, кодирующим замену аланина (G-аллель) треонином (A-аллель) в позиции 129 AANAT (G619A), и СЗФС (p=0,0029). Однако впоследствии их коллеги D. Pereira и соавт. [39] в бразильской популяции, включающей 551 пациента с СЗФС, аналогичных результатов не получили, обнаружив только двух гетерозигот по данному ОНП в исследуемой выборке.

V. Soria и соавт. [40] провели исследование в испанской популяции (445 пациентов с большим депрессивным расстройством (БДР) и 440 здоровых), направленное на поиск ассоциации депрессии и ОНП гена AANAT, и выяснили, что rs3760138 (p=0,00006) и rs4238989 (p=0,005) статистически значимо ассоциированы с БДР, а носительство 3-ОНП гаплотипа (rs3760138T—rs4238989C—rs8150C) ведет к повышению риска развития депрессивного расстройства.

Выше, при обсуждении гена DDC (AADC), нами уже было описано исследование B. Anderson и соавт. [28], проведенное в популяции американцев европейского происхождения (252 больных аутизмом пробанда и 231 здоровый сибс из 403 семей). В исследование также было включено 45 ОНП генов серотониновой системы, в том числе и ген AANAT (два его ОНП: rs3760138 и rs8150). В общей выборке не было найдено ассоциации изучаемых ОНП гена AANAT с риском развития аутизма. Однако авторы получили статистически значимую ассоциацию ОНП rs3760138 с риском наследования аутизма по мужской линии (p=0,01) при анализе выборки семей, в которых болели исключительно мужчины.

Ген ASMT

Изменение концентрации мелатонина в крови было отмечено у пациентов с депрессивными расстройствами. Соответственно, было обнаружено, что применение мелатонина или его аналогов эффективно при терапии депрессии. Исходя из этого, а также с учетом вклада генетических факторов в развитие депрессии, P. Gałecki и соавт. [41] предположили, что ген ASMT может являться геном-кандидатом для развития реккурентного депрессивного расстройства. Авторами обследованы 181 пациент с данным депрессивным расстройством и 149 здоровых добровольцев в польской популяции, генотипированы 2 ОНП гена ASMT: rs4446909 и rs5989681. Частота встречаемости генотипов по обоим изучаемым ОНП различалась между пациентами и контрольной группой. Гомозиготные генотипы по минорным аллелям А (rs4446909) и G (rs5989681) были статистически значимо связаны с более низким риском рецидива депрессивного расстройства (ОШ 0,1; 95% ДИ 0,03—0,58; p=0,007) [41]. D. Kripke и соавт. [42], пытаясь воспроизвести исследование P. Gałecki и соавт., включили в свое исследование 4 группы пациентов: 1) 768 пациентов с СЗФС; 2) 853 пациента с нарушениями сна (апноэ, бессонница и др.); 3) 4271 здоровых или со смешанными соматическими диагнозами; 4) 80 пациентов с БАР. Авторам не удалось получить значимой ассоциации с депрессией в общей выборке по 12 ОНП гена ASMT, однако ОНП rs4446909 в значительной степени ассоциировался с симптомами депрессии по данным самоопросника «Быстрый опросник самооценки депрессивной симптоматики» (Quick Inventory of Depressive Symptomatology Self-Report — QIDS-SR) в группе с СЗФС по сравнению с группой контроля (p<0,01, r²=0,007).

Низкий уровень мелатонина также определялся у пациентов с расстройствами аутистического спектра, но основная причина этого дефицита была неизвестна. Так, J. Melke и соавт. [43] провели исследование, в рамках которого секвенировали все экзоны и промоторы гена ASMT у 250 пациентов с аутизмом и 255 здоровых добровольцев во французской популяции. Два ОНП, локализованные в промоторе (rs4446909 и rs5989681), чаще встречались при расстройствах аутистического спектра по сравнению с контролем (p=0,0006) и были связаны с резким снижением транскриптов ASMT в клеточных линиях крови (p=2×10^–10). Биохимические анализы, проведенные на тромбоцитах крови и/или культивируемых клетках, выявили значительное снижение активности фермента ASMT (p=2×10^–12) и уровня мелатонина (p=3×10^–11) у пациентов.

Заключение

Результаты проведенного обзора доступной отечественной и зарубежной литературы демонстрируют несомненный научный и клинический интерес к изучению прогностической роли полиморфизмов генов, кодирующих ферменты, участвующие в синтезе мелатонина. Однако вклад генетических и средовых факторов недостаточно изучен, что обусловливает возрастающий интерес исследователей к данной проблеме.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.