Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Юров И.Ю. 2, 3, 1 Ворсанова С.Г. 2, 3, 4 Васин К.С. 2, 3 Коростелев С.А. 5 Юров Ю.Б. 2, 3, 4

---

1 Российская медицинская академия последипломного образования

2 ФГБУ «Научный центр психического здоровья РАМН» Российской академии медицинских наук

3 ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова

4 Московский городской психолого-педагогический университет

5 Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России

Поиск генетических причин аутистических расстройств в значительной степени продвинулся благодаря внедрению в исследовательскую практику постгеномных технологий. Применение полногеномного сканирования и биоинформатических методов для характеристики широкого спектра вариаций генома и определения их функциональных последствий позволяет выявлять новые гены-кандидаты психических болезней, открывая новые возможности для определения патогенетических механизмов такого распространенного и клинически гетерогенного заболевания, как аутизм. В настоящей работе в ходе сканирования генома 64 детей с аутистическими расстройствами методом SNP/олигонуклеотидного молекулярного карио­типирования у двоих были обнаружены частичные делеции гена FOXK1. С помощью оригинальной биоинформатической технологии было показано, что нарушения последовательности ДНК этого гена могут отрицательно влиять на функционирование головного мозга и на процессы, изменения которых были ранее ассоциированы с аутизмом. Суммируя данные полногеномного сканирования и биоинформатической оценки патогенности обнаруженных перестроек, был сделан вывод о том, что FOXK1 является новым геном-кандидатом аутистических расстройств.

Статья в формате PDF

388 KB

аутизм

полногеномное сканирование

биоинформатика

геномные вариации

FOXK1

1. Ворсанова С.Г., Юров И.Ю., Соловьев И.В., Юров Ю.Б. Гетерохроматиновые районы хромосом человека: клинико-биологические аспекты. – М.: Медпрактика, 2008. – 300 с.

2. Ворсанова С.Г., Юров И.Ю., Куринная О.С. и др. Геномные аномалии у детей с умственной отсталостью и аутизмом: использование технологии сравнительной геномной гибридизации на хромосомах in situ (HRCGH) и молекулярного кариотипирования на ДНК микроматрицах (array CGH) // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. – 2013. – № 8. – С. 46–49.

3. Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б., Сильванович А.П. и др. Современные представления о молекулярной генетике и геномике аутизма // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (Часть 2). – С. 356–367.

4. Юров И.Ю., Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б. Трансляционные молекулярно-генетические исследования аутизма // Психиатрия. – 2013. – 1(57). – С. 51–57.

5. Юров И.Ю., Ворсанова С.Г., Юров Ю.Б. Геномные и хромосомные болезни центральной нервной системы: молекулярные и цитогенетические аспекты. – М.: Медпрактика, 2014. – 384 с.

6. Huguet G.., Ey E., Bourgeron T. The genetic landscapes of autism spectrum disorders // Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. – 2013. – Vol. 14. – P. 191–213.

7. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. Chromosomal variation in mammalian neuronal cells: known facts and attractive hypotheses // Int. Rev. Cytol. – 2006. – Vol. 249. – Р. 143–191.

8. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Yurov Y.B. Molecular cytogenetics and cytogenomics of brain diseases. // Curr. Genomics. – 2008. – Vol.7, № 9. – Р. 452–465.

9. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Liehr T. et al. Increased chromosome instability dramatically disrupts neural genome integrity and mediates cerebellar degeneration in the ataxia-telangiectasia brain // Hum. Mol. Genet. – 2009. – Vol. 18. – P. 2656–2669.

10. Iourov I.Y., Vorsanova S.G., Kurinnaia O.S. et al. Molecular karyotyping by array CGH in a Russian cohort of children with intellectual disability, autism, epilepsy and congenital anomalies // Mol. Cytogenet. – 2012. – Vol. 5. – 46 р.

11. Mullin A.P., Gokhale A., Moreno-De-Luca A. et al. Neurodevelopmental disorders: mechanisms and boundary definitions from genomes, interactomes and proteomes // Transl. Psychiatry. – 2013. – Vol. 3. – e329.

12. Saito R., Smoot M.E., Ono K. et al. A travel guide to Cytoscape plugins // Nat. Methods. – 2012. – Vol. 9. – P. 1069–1076.

13. Sel S., Münzenberg C., Nass N. et al. The transcription factor Foxk1 is expressed in developing and adult mouse neuroretina // Gene Expr. Patterns. – 2013. – Vol. 13. – P. 280–286.

14. Shi X., Wallis A.M., Gerard R.D. et al. Foxk1 promotes cell proliferation and represses myogenic differentiation by regulating Foxo4 and Mef2. J. Cell Sci. – 2012. – Vol. 125. – P. 5329–5337.

15. Vorsanova S.G., Yurov I.Y., Demidova I.A. et al. Variability in the heterochromatin regions of the chromosomes and chromosomal anomalies in children with autism: identification of genetic markers of autistic spectrum disorders // Neurosci. Behav. Physiol. – 2007. – Vol. 37, № 6. – Р. 553–558.

16. Yurov Y.B., Vorsanova S.G., Iourov I.Y. et al. Unexplained autism is frequently associated with low-level mosaic aneuploidy // J. Med. Genet. – 2007. – Vol.44, № 8. – P. 521–525.

Многие работы в области биологической психиатрии и психиатрической генетики последних лет демонстрируют связь между аутизмом и геномными вариациями. У детей с аутистическими расстройствами выявляются регулярные структурные хромосомные аберрации, включая интерстициальные микроделеции/микродупликации, и вариации числа копий последовательностей ДНК (CNV), затрагивающие гены, многие из которых рассматриваются в качестве кандидатов для этого заболевания [3–6, 11]. С внедрением методов, позволяющих сканировать геном с высоким разрешением (в частности, молекулярное кариотипирование), количество позитивных ассоциаций между геномной патологией и аутизмом в значительной степени увеличилось [2, 6, 10]. Помимо этого, применение технологий изучения межклеточных вариаций генома также демонстрирует большое число случаев (до 16 %) аутистических расстройств, связанных с соматическим мозаицизмом (наличие нескольких популяций клеток в организме, отличающихся друг от друга по геномному составу) [7, 8, 16]. Более того, вариабельность участков генома, содержащих последовательности ДНК, которые до сих пор остаются фактически неизвестными (гетерохроматиновые участки хромосом), также считается одним из факторов риска развития аутизма [1, 15]. Создание унифицированного каскада патогенетических процессов, включающего весь широкий спектр вариабельности генома при данных формах нарушения психики, является одним из приоритетов в современной психиатрической генетики, в рамках основной парадигмы которой поиск генов-кандидатов аутизма считается основополагающим. Наличие соответствующих данных также позволяет определять молекулярные механизмы заболевания с целью последующей разработки научно обоснованной терапии [5].

Целью настоящей работы явился поиск генов-кандидатов в группе 64 детей с аутизмом с помощью постгеномных технологий: молекулярное кариотипирование или высокоразрешающее сканирование генома с разрешением не менее 1 тыс. пн и биоинформатический анализ, включающий в себя оценку патогенности вариаций генома с помощью геномных, эпигеномных и протеомных баз данных, а также моделирования белковых взаимодействий (интерактомный анализ).

Материалы и методы исследования

Полногеномное сканирование было использовано для анализа 64-х образцов ДНК периферической крови детей с клиническим диагнозом «аутистические расстройства», входящих в российскую когорту детей с аутизмом, описанную ранее [1, 2, 5, 10, 15, 16]. Молекулярное кариотипирование проводилось с использованием высокоразрешающих чипов Affymetrix (CytoScan HD) для SNP (single nucleotide polymorphism)/олигонуклеотидной сравнительной геномной гибридизации (разрешение 1000 пн и более) в соответствии с протоколами, представленными ранее [2, 10]. Биоинформатический анализ выявленных перестроек включал в себя оценку патогенности с помощью геномных, эпигеномных/транскриптомных, протеомных и метаболических баз данных. Оригинальная биоинформатическая технология подробно описана в предыдущих работах [9, 10]. Интерактомная цепочка для анализа взаимодействий белка, кодируемым геном FOXK1, была получена с использованием программы Cytoscape 2.8.3 [12].

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе анализа генома 64 пациентов у двух (3,1 %) были обнаружены CNV в виде делеций последовательности ДНК гена FOXK1. В первом случае делеция затронула семь экзонов гена FOXK1 (с третьего по девятый) и гены KIAA0415 и RADIL. Биоинформатический анализ этих двух генов показал, что вероятность их ассоциации с аутистическими расстройствами крайне мала. Во втором случае делеция затронула первый экзон гена FOXK1 (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение делеций, затронувших ген FOXK1, которые были выявлены у двух пациентов с помощью полногеномного сканирования, с обозначением геномной и хромосомной локализации, размера перестройки и других генов, вовлеченных в перестройку

Примечательно, что вариации последовательностей ДНК гена FOXK1 ранее не были ассоциированы с какими-либо фенотипическими проявлениями. Ранее было лишь показано, что ген FOXK1 обладает повышенной экспрессией в нервных клетках у млекопитающих [13] и вовлечен в геномную цепочку регуляции пролиферации клеток [14]. С другой стороны, биоинформатический анализ показывает, что данный ген, скорее всего, кодирует белок-регуляции транскрипции. Интерактомный анализ (изучение межбелковых взаимодействий продукта транскрипции гена-мишени) (рис. 2) свидетельствует о том, что нарушение функционирования FOXK1 связано с изменениями в следующих внутриклеточных процессах: регуляция митотического деления клеток, апоптоза и экспрессии генов (за счет нарушения взаимодействия с YWHAB); ремоделирование хроматина (за счет нарушения взаимодействия с BAP1); внутриутробное развитие (за счет нарушения взаимодействия с AMOT); метаболизм ионов металлов (за счет нарушения взаимодействия с FYCO1).

Рис. 2. Результаты интерактомного анализа, демонстрирующего взаимодействие белка, кодируемого геном FOXK1 с помощью программы Cytoscape 2.8.3 [12]

Примечательно, что нарушения регуляции митоза и/или апоптоза рассматриваются как факторы риска при аутизме, являясь причиной хромосомного мозаицизма и нестабильности, наблюдаемых при этом заболевании [4–7, 15, 16], а изменения таких эпигенетических феноменов, как регуляция экспрессии генов и ремоделирование хроматина неоднократно ассоциировались с различными формами аутистических расстройств [1, 5, 6, 11]. Совокупность полученных биоинформатических данных позволяет сделать вывод о том, что мутации в гене FOXK1 могут приводить к нарушениям психики, а вывод о том, что он является геном-кандидатом аутизма, является обоснованным.

Заключение

Анализ генома с целью выявления генов-кандидатов аутистических расстройств и патогенетических процессов, характерных для этого заболевания, является неотъемлемой частью современных исследований в области психиатрической генетики и биологической психиатрии [3–8, 11]. Однако, несмотря на повышенный интерес к генетике аутизма, существует ряд проблем при выявлении молекулярных основ подобных форм нарушения психики, связанных преимущественно с интерпретацией обнаруженных геномных вариаций. Преодоление подобных сложностей, как было показано ранее [9, 10], возможно только при использовании биоинформатических технологий в дополнение к методам высокоразрешающего сканирования генома. Применяя комплекс постгеномных технологий, сочетающий молекулярное кариотипирование и биоинформатический анализ, был обнаружен новый ген-кандидат аутизма. В связи с этим, принимая во внимание потенциал сканирования генома и оригинальных технологий in silico, использованных в настоящей работе, можно с уверенностью утверждать, что описываемый подход к поиску генетических изменений, приводящих к аутизму, является эффективным.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского Научного Фонда (проект № 14-35-00060).

Работа поступила в редакцию 10.10.2014.

Библиографическая ссылка