Роль транскрипционных факторов в патогенетических процессах, связанных с шизофренией

Шизофрения — это тяжелое психическое расстройство, характеризующееся позитивными (бред, галлюцинации, дезорганизация мышления) и негативными (алогия, социальная замкнутость, притупленный аффект) симптомами, которые ассоциированы с серьезными функциональными нарушениями [1]. В ходе глобального исследования болезней, травм и факторов риска (Global Burden of Disease, GBD, 2022) по состоянию на 2019 г. более 24 млн людей (примерно 0,3% населения планеты) страдают шизофренией [2]. В патогенез шизофрении вовлечены как генетические факторы, так и факторы окружающей среды. По данным близнецовых и семейных исследований, вклад генетических факторов в развитие этого заболевания может достигать 85% [3], что указывает на актуальность их изучения для выявления вариантов риска. В последнее время идентификация геномных локусов, ассоциированных с повышенным риском развития шизофрении, проводится с помощью полногеномных исследований ассоциаций (Genome Wide Association Studies, GWAS). Результатом проведения данных исследований стало понимание того, что в патогенезе шизофрении может быть задействовано множество генов. Так, возникла гипотеза о шизофрении как полигенном заболевании [4]. Введена полигенная оценка риска развития шизофрении (Polygenic Risk Scores, PRS, [5]), которая представляет собой статистическую оценку риска, основанную на наличии или отсутствии множества геномных вариантов (делеций, дупликаций, однонуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphism, SNP)), ассоциированных с шизофренией, без учета факторов окружающей среды. Результаты наиболее масштабного на сегодняшний день GWAS по шизофрении опубликованы в 2022 г. [6]. Это исследование стало возможным благодаря совместным усилиям международных консорциумов, включая консорциум психиатрической геномики. В ходе исследования изучены геномы 76 755 человек и обнаружено 342 независимых SNP, картированных на 287 отдельных геномных локусах [6]. Вопреки ожиданиям оказалось, что большинство из этих SNP находится в областях генома, не содержащих гены, что побудило исследователей задуматься над генетической архитектурой шизофрении и сфокусировать внимание на этих некодирующих участках генома. В ряде случаев удалось выяснить, что эти участки генома содержат регуляторные области генов [7, 8]. Взаимодействие с регуляторными областями и далее регуляцию экспрессии генов реализуют специфичные транскрипционные факторы (ТФ).

Цель настоящего обзора — анализ роли ТФ в молекулярных механизмах, связанных с патогенезом шизофрении. Будут рассмотрены общая структура регуляторных областей и механизмы контроля экспрессии генов с участием ТФ, ассоциированных с высоким риском развития этого заболевания.

Транскрипция эукариотических генов контролируется, как правило, с помощью двух видов регуляторных областей. Одна из них прилегает к гену, т.е. находится в пределах обычно 1000 пар нуклеотидов (п.н.) от старта транскрипции, и называется промоторной областью (или промотором). Другая область, называемая энхансером или «усилителем транскрипции» [9], может находиться на значительном удалении от старта транскрипции (десятки и сотни тысяч п.н.) перед геном, после гена или внутри гена в его белок-некодирующей части (интроне). Энхансер содержит большое количество коротких нуклеотидных последовательностей длиной 8—12 п.н., с которыми специфично взаимодействуют ТФ. В свою очередь ТФ связываются с крупным медиаторным белковым комплексом, который служит мостом между энхансером и промотором гена, формируя контакты с ТФ, которые связываются с промотором гена, а также с РНК-полимеразой. Взаимодействие всех этих белков приводит к образованию петли ДНК, содержащей последовательности, находящиеся между энхансером и промотором гена. Эта петля дополнительно стабилизируется белковым комплексом когезина [10]. Когези́н — это комплекс белков, который регулирует процесс разделения сестринских хроматид в ходе деления клетки (как мейоза, так и митоза). Несколько энхансеров, расположенных недалеко друг от друга, могут объединяться в суперэнхансер длиной в несколько тысяч п.н. [9]. Суперэнхансеры контролируют активность ключевых клеточных генов, которые поддерживают плюрипотентное состояние эмбриональных стволовых клеток, участвуют в репрограммировании клеток и контролируют экспрессию генов клеточной идентичности [11]. В случае суперэнхасеров характерна высокая плотность связанных белков-активаторов транскрипции (в 10 раз больше, чем на обычных энхансерах) и кооперативность в связывании ТФ, когда связывание одного фактора стимулирует связывание второго, третьего и т.д. Суперэнхансеры действуют тканеспецифично и поэтому обеспечивают тканеспецифичную экспрессию контролируемых ими генов. Установлено, что архитектура суперэнхансеров и их функционирование очень чувствительны к малым изменениям последовательности ДНК. Даже одиночные SNP могут вызывать значительное снижение или усиление их активности [12]. SNP могут затрагивать сайт узнавания какого-либо ТФ, участвующего в функционировании энхансера или суперэнхансера, тем самым менять силу этого ТФ, что может нарушать формирование регуляторного комплекса и в конечном итоге менять экспрессию генов-мишеней регуляции данного энхансера или суперэнхансера. Приведенный выше механизм вполне может быть задействован в патогенетических процессах, лежащих в основе шизофрении.

В пользу участия механизмов, регулирующих экспрессию генов, в патогенезе шизофрении свидетельствуют данные широкомасштабных транскриптомных исследований генома (Transcriptome-wide association study, TWAS). Сопоставление SNP и других элементов генетической архитектуры шизофрении с вариациями в экспрессии генов на уровне мРНК в рамках TWAS позволяет выявить приоритетные гены, дисфункция которых вносит решающий вклад в молекулярные механизмы, ассоциированные с высоким риском возникновения шизофрении [13, 14]. Например, в работе [13] с помощью TWAS выявлено несколько новых генов, сверхэкспрессия которых ассоциирована с высоким риском шизофрении. Белки, кодируемые некоторыми из этих генов, обнаружены на поверхности глутамат- и ГАМКергических нейронов (где часть из них участвует в синаптической передаче сигнала GLT8D1 и PCDHA8), а также микроглии. Белки, кодируемые другой частью генов, вовлечены в поддержание стабильности генома (THOC7), процессинг тРНК (TYW5), функционирование митохондрий (ELAC2), регуляцию апоптоза (CORO7). Полиморфизмы в этих генах, как и нарушение их экспрессии, наблюдали и в посмертных образцах мозга больных шизофренией. Таким образом, TWAS позволяют обнаружить новые гены и, вероятно, новые механизмы, ассоциированные с шизофренией.

Поскольку ТФ опосредуют связь между SNP в регуляторных областях генов и нарушением экспрессии генов, ассоциированных с риском развития шизофрении, далее рассмотрим подробнее некоторые известные из них и обсудим их вклад в молекулярные механизмы, ассоциированные с развитием шизофрении.

Одну из главных ролей в развитии центральной нервной системы человека, а значит, и в патогенезе ряда психических заболеваний, включая шизофрению, играет пионерный ТФ ASCL1, необходимый для нормальной пролиферации нейральных предшественников и их дифференцировки в ГАМКергические нейроны и олигодендроциты в телэнцефалоне [15]. ASCL1 может функционировать в одиночку или в комплексе с другими ТФ, например Neurogenin 2 (NEUROG2), контролируя экспрессию генов ТФ, регуляторов клеточного цикла и сигналинга, связанных с нейрогенезом [16]. На моделях животных показано участие гомологов ASCL1 в формировании нервной трубки и в процессе развития вентрального телэнцефалона [17] в раннем эмбриогенезе. С помощью GWAS установлена связь между ASCL1 и шизофренией [18], а более детальные исследования, проведенные на модели линии нейробластомы человека, показали, что нокаут ASCL1 вызывает изменение экспрессии ряда ассоциированных с шизофренией генов [19].

Ген Early response gene, EGR1, кодирующий одноименный пионерный ТФ, активно экспрессируется в разных областях головного мозга, особенно в гиппокампе, и регулирует формирование памяти и нейрональную пластичность в ответ на стимуляцию нейронов, например посредством сигнального пути нейротрофического фактора мозга (Brain Derived Neurotrophic Factor, BDNF) [20]. Интересно, что EGR1 расположен в довольно большом регионе GWAS, ассоциированном с шизофренией, включающем, помимо него, более десятка генов. Кроме того, по данным анализа коэкспрессии генов, EGR1 является одним из ключевых генов модуля gene21/isoM30, который ассоциирован с риском развития шизофрении [21]. Вовлеченность EGR1 в патогенез шизофрении подтверждается также разницей уровня экспрессии гена в дорсолатеральной префронтальной коре пациентов по сравнению со здоровыми людьми [22].

Ген Forkhead box protein 1 (FOXP1) кодирует один из четырех ТФ подсемейства FOXP, связанных с контролем развития головного мозга человека. ТФ этого подсемейства работают как поодиночке, так и образуют комплексы друг с другом и другими белками большого семейства FOX. Можно предположить, что различия в уровнях экспрессии FOX в участках развивающегося головного мозга создают градиент из разных комбинаций ТФ, которые активируют наборы генов, специфичные для нейронов в данной области мозга. FOXP1 играет важную роль в координации сигнальных путей, задействованных в нейрогенезе. Он экспрессируется в пирамидальных нейронах коры, гиппокампе и MSN-нейронах стриатума, поэтому вносит важный вклад в образование нейронов коры и клеток радиальной глии [23]. Нужно отметить, что геномные локусы, ассоциированные с шизофренией по данным GWAS, расположены вблизи генов, специфически активных именно в пирамидальных нейронах коры и MSN-нейронах стриатума, т.е. генетические факторы риска шизофрении напрямую нарушают транскрипцию именно в этих клетках [21]. В экспериментах на мышах установлено, что нокаут FOXP1 вызывает изменения экспрессии генов-регуляторов эмбрионального развития и синаптической передачи, что ведет к уменьшению объема гиппокампа и последующему снижению когнитивных функций и памяти [24]. Нарушение экспрессии FOXP1, которое может быть вызвано, например, антагонистами глутаминового рецептора NMDA, ассоциировано с шизофренией [25]. Мутации в гене связаны с нарушениями речи, обучения, памяти, низким IQ и являются также факторами риска развития аутизма [26]. Важно отметить, что мутации в генах FOX группы P являются специфичными для человека. У мышей, гуманизированных по человеческому гену FOXP2, повышается обучаемость за счет более быстрого ответа нейронов стриатума на предъявляемые стимулы [27].

Ген ТФ Krüppel-like factor-6 (KLF6) экспрессируется в предшественниках олигодендроцитов и инициирует их дифференцировку [28]. KLF6 регулирует также экспрессию генов, участвующих в регенерации тканей, кодирующих белки ремоделирования цитоскелета и ферменты липидного обмена [29], что делает его одним из основных регуляторов миелинизации и регенерации аксонов. KLF6 обнаружен среди генов, ассоциированных с шизофренией [6]. Предполагают, что нарушение функции KLF6 может вызывать изменения липидного метаболизма мозолистого тела и нарушения взаимоотношений между микроглией и олигодендроцитами белого вещества, наблюдающимися у пациентов с шизофренией [30].

POU3F2 принадлежит к группе ТФ, функционирующих преимущественно в развивающейся и зрелой центральной нервной системе. В модели на мышах показано, что ген POU3F2 активно работает в клетках-предшественниках вентрикулярной области на ранних этапах развития головного мозга [31]. Сам фактор POU3F2 регулирует экспрессию ряда генов, участвующих в нейрогенезе (Hes5, пронейральных ТФ Tbr1 и Tbr2 и нейротропина-3, Ntf3), а также вовлечен в регуляцию миграции кортикальных нейронов и формирование слоев коры [32]. Мутации в POU3F2 вызывают снижение экспрессии триптофангидроксилазы и тирозингидроксилазы, участвующих в синтезе серотонина и дофамина — важных нейромедиаторов, нарушение метаболизма которых связывают с развитием шизофрении. Также эти мутации связаны со снижением активности нейрогенеза в зубчатой извилине и нарушениями материнского поведения и когнитивных функций у мышей [33]. Ряд исследований, включая GWAS и экспрессионный анализ, указывает на ассоциацию повышенной экспрессии POU3F2 и отдельных SNP, влияющих на его функцию, с биполярным расстройством и шизофренией; более того, данные исследования указывают на ключевую роль POU3F2 в регуляции сети взаимодействий генов в головном мозге пациентов с этими психическими заболеваниями [34]. Показано, что ассоциированный с шизофренией SNP rs5011218 в промоторе гена убиквитин-лигазы TRIM8 при участии POU3F2 вносит вклад в этиологию шизофрении путем изменения пролиферации и дифференцировки нейральных предшественников, а также функции синапсов [35].

SATB2, или «второй специальный белок», является важным ТФ, принимающим участие в организации и функционировании неокортекса. Во взрослом мозге он связан с долговременной памятью, по-видимому, через контроль генов раннего ответа в гиппокампе, в том числе EGR1 [36]. В эмбриональном мозге мышей SATB2 контролирует в числе прочего локализацию проекций созревающих нейронов коры, репрессируя ТФ Ctip2 [37], еще один из генов ТФ, попадающих в регион сцепления для GWAS на шизофрению. Показано, что гены, регулируемые SATB2 (например, BCL11B и GATAD2A), связаны с шизофренией и уровнем образования [38]. В масштабной работе консорциума PsychENCODE, посвященной интеграции результатов исследований по функциональной геномике развивающегося и взрослого головного мозга человека [36], показано, что SATB2 играет важную роль в формировании проекций возбуждающих нейронов в коре головного мозга.

Ген TCF4 кодирует ТФ, активно экспрессирующийся в развивающейся нервной системе. Сигнал GWAS и связь редких мутаций в гене TCF4 с синдромом Питта—Хопкинса недвусмысленно указывают на роль нарушения экспрессии TCF4 в развитии шизофрении. В крови и посмертных образцах головного мозга пациентов с шизофренией обнаруживается повышение содержания транскрипта TCF4 [39]. Некоторые SNP, затрагивающие TCF4, ассоциированы с шизофренией и клинической депрессией. В последние годы ведутся активный поиск нейрональных генов, регулируемых TCF4, и изучение вклада этих генов в риск развития психотических расстройств. В целом гены-мишени TCF4 предпочтительно экспрессируются в пирамидальных нейронах коры и связаны с развитием нервной системы, передачей сигналов в синапсе и ионным транспортом [40]. Регулируя экспрессию гена пресинаптического белка клеточной адгезии RIMBP2 и репрессируя гены ионных каналов SCN10A и KCNQ1, TCF4 служит модулятором развития интернейронов коры на ранних этапах эмбриогенеза [41]. В экспериментах на мышах установлено, что сверхэкспрессия TCF4B (одной из изоформ TCF4) в развивающемся мозге плода или сниженная экспрессия TCF4 вызывают нарушения в развитии слоистой структуры и другие пороки формирования коры головного мозга [42]. Интересно отметить, что среди генов-мишеней регуляции TCF4 имеются гены риска развития шизофрении, например кластер генов субъединиц никотиновых ацетилхолиновых рецепторов CHRNA3/CHRNA5/CHRNB4, ген, кодирующий лизин-метилтрансферазу гистонов SETD1A и т.д. [43]. Наконец, на особую роль этого ТФ указывает тот факт, что de novo мутации, возникающие у больных шизофренией, перепредставлены в группе генов, регулируемых TCF4 [43].

Современные подходы для функциональной характеризации генетических вариантов, ассоциированных с шизофренией, указывают на большую роль регуляторных областей генов и ТФ, взаимодействующих с этими областями. В пользу этого утверждения свидетельствуют данные, полученные международным консорциумом PsychENCODE, согласно которым 100 000 энхансеров префронтальной коры образуют порядка 500 000 потенциальных регуляторных связей с генами. Каждая такая связь предполагает, что в энхансере, расположенном в одном топологическом домене с регулируемым им геном, имеется сайт связывания хотя бы одного из 673 проанализированных ТФ, а также то, что уровень экспрессии связываемого энхансером ТФ в префронтальной коре коррелирует с уровнем экспрессии регулируемого этим энхансером гена. При этом 13 304 гена оказались связанными с хотя бы одним энхансером, из них 388 связаны с энхансерами, расположенными в регионах GWAS на шизофрению, что может указывать на роль этих генов в развитии болезни [44]. В этом аспекте шизофрения в определенной степени может рассматриваться как болезнь, относящаяся к классу энхансеропатий наряду с некоторыми онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями. Иначе говоря, это заболевание может быть связано не только с нарушением функций важных белков из-за мутаций в кодирующих областях генов, но и с изменением экспрессии генов, которая регулируется в том числе ТФ. Поскольку ТФ обычно имеют большое количество генов-мишеней регуляции, то нарушение функции даже одного такого фактора может быть связано с серьезным нарушением процесса нейрогенеза и функционирования нейронов, что находится в основе патогенеза шизофрении. Поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на выявление генов, экспрессия которых регулируются ТФ. При проведении такого рода поисковых исследований перспективным является использование методов геномного редактирования, в том числе с применением технологии CRISPR/Cas9. В качестве примера успешности такого подхода можно упомянуть недавнее исследование, в котором было установлено, что среди генов, изменивших уровень своей активности за счет нокаута ТФ ASCL1, были перепредставлены гены, ассоциированные с шизофренией, в том числе гены синаптических белков и рецепторов нейромедиаторов [19].

В целом понимание причинно-следственной связи между ТФ и регулируемыми ими генами является важной предпосылкой для поиска фармакотерапевтических мишеней в структуре белка ТФ, способных модулировать его активность и тем самым оптимизировать нейрохимические процессы, нарушение которых ведет к развитию шизофрении.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.