Генетика, анализ экспрессии генов подтверждают наличие ГАМК-дефицитов при шизофрении.
Перевод текста с schizophreniaforum.org: Genetics, Expression Profiling Support GABA Deficits in Schizophrenia.
25 июня 2007 года. Данные, полученные по нескольким направлениям исследований, в частности, при анализе экспрессии генов в посмертных тканях, говорят о том, что дефициты ГАМК-нейротрансмиссии тесно связаны с патофизиологией шизофрении. Три недавно вышедших публикации подкрепляют эту идею.
Наиболее свежее из этих исследований, за авторством Френсин Бенес (Francine Benes) из Госпиталя McLean, Belmont, Massachusetts, опубликовано в PNAS 12 июня. В работе описываются специфичные для шизофрении и биполярного расстройства паттерны экспрессии генов, связанных с ГАМК-синтезирующим ферментом GAD67, в субрегионах и различных слоях гиппокампа. Исследователи предполагают, что информация о подобных эндофенотипах, различных по зональной экспрессии, может помочь различить разные корни, ведущие к схожей ГАМК-связанной дисфункции при шизофрении и биполярном расстройстве.
В одном из двух более ранних исследований, опубликованном в онлайн-выпуске Molecular Psychiatry от 1 мая, Рихард Страуб (Richard Straub) с коллегами из NIMH также делают упор на GAD67. Они сообщают, что некоторые наследуемые генетические полиморфизмы кодирующего фермент гена чаще обнаруживаются у больных шизофренией и их родственников. Эти результаты говорят о том, что изменение уровней ГАМК может быть частью болезни; также есть намек на то, что генетические вариации, затрагивающие допаминергическую нейротрансмиссию, способны усиливать патологию.
Еще одна публикация, вышедшая в Molecular Psychiatry, посвящена исследованию расширенного набора генов, кодирующих белки, связанные с биологическими механизмами ГАМК, особенно в дорсолатеральном префронтальном кортексе (DLPFC). Исследование проведено в Университете Питтсбурга, штат Пеннсильвания, под руководством Дэвида Льюиса. Первый автор Таканори Хашимото и коллеги сообщают о том, что при шизофрении изменены гены, связанные с синтезом ГАМК, гены, кодирующие определенные нейромодуляторы, а также гены некоторых субъединиц рецептора GABA-A. Такой "шизофренический" ГАМК-транскриптом направляет внимание на специфические субпопуляции ГАМКергических нейронов в DLPFC и поднимает вопрос о возможном воздействии болезни на ГАМК-сигналы в пирамидальных нейронах DLPFC.
Что случилось с 5'-окончанием гена GAD?
Свидетельства ГАМКергической дисфункции при шизофрении многофакторны (сжатое описание было дано во введении к публикации Straub et al.; см. также Akbarian and Huang, 2006), и несколько исследований были посвящены изучению генетических вариаций гена GAD1, кодирующего фермент GAD67, в попытке обьяснить нарушения, с неоднозначными результатами (см. запись в генетической базе данных по шизофрении). В своей работе, Страуб и коллеги сфокусировались на генетических вариациях, способных повлиять на производство GAD67, в особенности на однонуклеотидных полиморфизмах (SNP) поблизости от промотора, или «включателя-выключателя», этого гена. Они генотипировали 19 полиморфизмов из двух независимых банков данных, содержащих информацию от тройках «родители-ребенок». Данные первой базы, составленной по результатам исследования, проведенного клиническим отделением заболеваний мозга NIMH, были получены от различных этнических групп (но в основном от американцев европейского происхождения). В этой базе было выявлено три SNP, значительно ассоциированных с шизофренией, но только у лиц женского пола. В отличие от этой базы, наборы данных NIMH Genetics Initiative (только от американоевропейских семей) предоставили шесть различных SNP, значительно ассоциированных с шизофренией у лиц женского пола, но вдобавок и шесть SNP, ассоциированных с болезнью у лиц мужского пола.
Ожидается, что генетический компонент шизофрении окажется сложным, зависящим от вариации многочисленных генов, поэтому исследователи решили углубиться в данные и найти вариации GAD1, более типичные для лиц с генетическими вариациями COMT, уже известного гена-кандидата. Показателен один полиморфизм гена COMT, при котором на позиции 158 в структуре фермента метионин заменен валином. Валин-изоформа более активна, и, как предполагается, усиливает предрасположенность к шизофрении, способствуя ускоренной деградации допамина. В связи с этим интересно то, что Страуб с коллегами, стратифицировав данные по генотипу COMT, обнаружили дополнительные SNP GAD1, ассоциированные с заболеванием - восемь из 19 полиморфизмов GAD1 показали позитивную ассоциацию с шизофренией в семьях с генотипом Val/Val.
Каким образом эти однонуклеотидные полиморфизмы GAD1 могут увеличивать риск заболевания? Учитывая то, что они расположены поблизости от регуляторной зоны гена, они могут влиять на транскрипцию и уровни GAD67. Чтобы проверить эту догадку, исследователи проанализировали экспрессию GAD1 в посмертных образцах тканей мозга. Они обнаружили, что один из SNP ассоциирован с пониженными уровнями мРНК GAD1 в дорсолатеральном префронтальном кортексе. Неясно, как другие SNP могут влиять на ген GAD1 или на предрасположенность к шизофрении, но авторы установили ассоциацию генотипа с когнитивными показателями. Проанализировав 15 различных нейрокогнитивных фенотипов, они обнаружили, что 11 из них ассоциированы по крайней мере с одним из 19 SNP, причем корреляция была как позитивная, так и негативная. Также оказалось, что один из трех проверенных SNP ассоциируется с повышенной активацией DLPFC в одном из когнитивных тестов с использованием fMRI.
Транскриптом, связанный с ГАМК
Хашимото с коллегами более широко рассмотрели экспрессию ГАМК-связанных генов, используя специальные ДНК-матрицы, детектирующие 85 различных ГАМК-связанных мРНК, включая те, что кодируют GAD и другие белки, вовлеченные в процесс синтеза, захвата, деградации и связывания ГАМК. Исследователи использовали матрицы для сравнения профилей экспрессии генов в DLPFC у 14 скончавшихся пациентов с контрольными тканями подходящих по возрасту и полу людей, не страдавших шизофренией.
Исследователи сообщают, что экспрессия 10 из 85 генов значительно отличалась в тканях мозга пациентов. Все десять генов были сильнее экспрессированы в контрольных, "здоровых", образцах. Данные гены кодируют белки трех типов: нейропептиды, выделяемые ГАМК-нейронами; субъединицы ГАМК рецептора, и пресинаптические регуляторы ГАМК. Последние включают GAD67 - уровни мРНК этого фермента в образцах пациентов были приблизительно на 33 процента ниже.
Исследователи сообщают, что наибольшая разница была обнаружена в экспрессии нейропептида соматостатина (SST), чье содержание в образцах мозга больных шизофренией оказалось ниже в 1.6 раза. Экспрессия двух других нейропептидов, холецистокинина (CCK) и нейропептида Y (NPY) была также ниже в этих образцах. Исследователи подтвердили полученные на матрицах данные с помощью real-time quantitative PCR и гибридизации in situ в расширенной когорте из 23 пар.
За изменениями экспрессии гена GAD67 близко следовала экспрессия SST, NPY, и CCK. Поскольку ГАМКергические нейроны, экспрессирующие CCK, формируют субпопуляцию отдельную от тех, что экспрессируют одновременно SST и NPY, Хашимото с коллегами предположили, что связанные с шизофренией дефициты ГАМКергической трансмиссии могут затрагивать две отдельные популяции клеток. Указанные две популяции также отличаются от парвальбумин-содержащих ГАМКергических клеток, о которых поступали сообщения из лаборатории Дэвида Льюиса (эти клетки при шизофрении содержат сниженное количество парвальбумина, а GAD67 выявить не удается совсем. См. обзор в Lewis et al., 2005)
Исследователи также сообщают, что экспрессия дельта-субъединицы рецептора ГАМК-А снижена у пациентов - как на экстрасинаптических, так и на синаптических рецепторах. Они делают вывод, что патофизиология DLPFC при шизофрении отличается не только изменениями нейротрансмиссии ГАМК, но и изменениями в экстрасинаптических ГАМК-рецепторах. Это наводит на мысль, пишут авторы, что при шизофрении снижена как «синаптическая (фазовая) так и экстрасинаптическая (тоническая) способность к ингибированию... в дендритак пирамидальных клеток».
Два пути ведут к ГАМК-дисфункции?
В своей статье в PNAS Бенес и коллеги описывают продолжение своих исследований ГАМКергической дисфункции в лимбических кортикальных структурах, таких как гиппокамп и передняя часть поясной извилины. Они делают упор на сравнение ГАМКергических нарушений при шизофрении и биполярном расстройстве (см. обзор в Benes and Berretta, 2001). На этот раз для анализа посмертных тканей они избрали целевой подход, изолируя микроскопические образцы гиппокампа с помощью лазерной захватывающей микродиссекции (laser-capture microdissection). После изолирования было проведено профилирование экспрессии генов для обнаружения изменений в сети белков, связанных с GAD67 - ферментом, чье содержание снижено в гиппокампе при обоих заболеваниях, как показали предыдущие исследования. В качестве объектов для забора тканей гиппокампа выступили три группы скончавшихся - семеро были больны шизофренией, семеро - биполярным расстройством, и семеро не страдали от этих заболеваний.
Полученные находки подчеркивают ценность метода лазерной захватывающей микродиссекции. Хотя при анализе всего гиппокампа в целом не было обнаружено разницы в экспрессии GAD67 у больных шизофренией по сравнению с контрольными образцами, а в образцах больных биполярным расстройством было обнаружено лишь 1.8-кратное снижение экспрессии, значительные различия открылись при микроскопическом исследовании. В зонах CA2 и CA3, особенно во втором верхнем слое - stratum oriens, где располагаются ГАМКергические нейроны, исследователи обнаружили почти 10-кратное снижение экспрессии GAD67 у больных биполярным расстройством. Разница у больных шизофренией - почти в три раза меньше - оказалась не столь драматична в слое stratum oriens, и была аналогична степени снижения экспрессии в более глубоких слоях гиппокампа (stratum radiatum и stratum pyramidale) при обоих заболеваниях. В зоне CA1 было лишь одно отличие от здоровых образцов: в группе больных шизофренией, но не в биполярной, экспрессия GAD67 в stratum oriens оказалась снижена втрое.
Сфокусировавшись на слое stratum oriens, в котором нарушение экспрессии отмечается при обоих заболеваниях, Бенес с коллегами обнаружили, что 18 из 25 генов, связанных с GAD67 сетью взаимодействий, имеют отличные от нормальных паттерны экспрессии либо при шизофрении, либо при биполярном расстройстве. Некоторые из них участвуют в нейротрансмиссии - это субъединицы глутаматных рецепторов, но в списке также оказались факторы транскрипции, цитокины, хроматин-модифицирующие белки. Интересно то, что при шизофрении и биполярном расстройстве обнаруженные профили экспрессии были различны, и авторы привлекают внимание к этим отличиям - транскрипты белков, вовлеченных в эпигенетическую модификацию генов, были повышены при шизофрении, но не при биполярном расстройстве, в то время как транскрипты факторов клеточной дифференциации были изменены лишь при биполярном расстройстве. Это наводит авторов на предположение о том, что «общий клеточный фенотип при шизофрении и биполярном расстройстве - снижение экспрессии GAD67 в ГАМКергических интернейронах - может вызываться различными молекулярными механизмами, отчасти связанными с генами риска для указанных заболеваний, а также активно-зависимыми изменениями в специфических афферентных сигналах, поступающих в данные интернейроны». Том Фаган, schizophreniaforum.org.
25 июня 2007 года. Данные, полученные по нескольким направлениям исследований, в частности, при анализе экспрессии генов в посмертных тканях, говорят о том, что дефициты ГАМК-нейротрансмиссии тесно связаны с патофизиологией шизофрении. Три недавно вышедших публикации подкрепляют эту идею.
Наиболее свежее из этих исследований, за авторством Френсин Бенес (Francine Benes) из Госпиталя McLean, Belmont, Massachusetts, опубликовано в PNAS 12 июня. В работе описываются специфичные для шизофрении и биполярного расстройства паттерны экспрессии генов, связанных с ГАМК-синтезирующим ферментом GAD67, в субрегионах и различных слоях гиппокампа. Исследователи предполагают, что информация о подобных эндофенотипах, различных по зональной экспрессии, может помочь различить разные корни, ведущие к схожей ГАМК-связанной дисфункции при шизофрении и биполярном расстройстве.
В одном из двух более ранних исследований, опубликованном в онлайн-выпуске Molecular Psychiatry от 1 мая, Рихард Страуб (Richard Straub) с коллегами из NIMH также делают упор на GAD67. Они сообщают, что некоторые наследуемые генетические полиморфизмы кодирующего фермент гена чаще обнаруживаются у больных шизофренией и их родственников. Эти результаты говорят о том, что изменение уровней ГАМК может быть частью болезни; также есть намек на то, что генетические вариации, затрагивающие допаминергическую нейротрансмиссию, способны усиливать патологию.
Еще одна публикация, вышедшая в Molecular Psychiatry, посвящена исследованию расширенного набора генов, кодирующих белки, связанные с биологическими механизмами ГАМК, особенно в дорсолатеральном префронтальном кортексе (DLPFC). Исследование проведено в Университете Питтсбурга, штат Пеннсильвания, под руководством Дэвида Льюиса. Первый автор Таканори Хашимото и коллеги сообщают о том, что при шизофрении изменены гены, связанные с синтезом ГАМК, гены, кодирующие определенные нейромодуляторы, а также гены некоторых субъединиц рецептора GABA-A. Такой "шизофренический" ГАМК-транскриптом направляет внимание на специфические субпопуляции ГАМКергических нейронов в DLPFC и поднимает вопрос о возможном воздействии болезни на ГАМК-сигналы в пирамидальных нейронах DLPFC.
Что случилось с 5'-окончанием гена GAD?
Свидетельства ГАМКергической дисфункции при шизофрении многофакторны (сжатое описание было дано во введении к публикации Straub et al.; см. также Akbarian and Huang, 2006), и несколько исследований были посвящены изучению генетических вариаций гена GAD1, кодирующего фермент GAD67, в попытке обьяснить нарушения, с неоднозначными результатами (см. запись в генетической базе данных по шизофрении). В своей работе, Страуб и коллеги сфокусировались на генетических вариациях, способных повлиять на производство GAD67, в особенности на однонуклеотидных полиморфизмах (SNP) поблизости от промотора, или «включателя-выключателя», этого гена. Они генотипировали 19 полиморфизмов из двух независимых банков данных, содержащих информацию от тройках «родители-ребенок». Данные первой базы, составленной по результатам исследования, проведенного клиническим отделением заболеваний мозга NIMH, были получены от различных этнических групп (но в основном от американцев европейского происхождения). В этой базе было выявлено три SNP, значительно ассоциированных с шизофренией, но только у лиц женского пола. В отличие от этой базы, наборы данных NIMH Genetics Initiative (только от американоевропейских семей) предоставили шесть различных SNP, значительно ассоциированных с шизофренией у лиц женского пола, но вдобавок и шесть SNP, ассоциированных с болезнью у лиц мужского пола.
Ожидается, что генетический компонент шизофрении окажется сложным, зависящим от вариации многочисленных генов, поэтому исследователи решили углубиться в данные и найти вариации GAD1, более типичные для лиц с генетическими вариациями COMT, уже известного гена-кандидата. Показателен один полиморфизм гена COMT, при котором на позиции 158 в структуре фермента метионин заменен валином. Валин-изоформа более активна, и, как предполагается, усиливает предрасположенность к шизофрении, способствуя ускоренной деградации допамина. В связи с этим интересно то, что Страуб с коллегами, стратифицировав данные по генотипу COMT, обнаружили дополнительные SNP GAD1, ассоциированные с заболеванием - восемь из 19 полиморфизмов GAD1 показали позитивную ассоциацию с шизофренией в семьях с генотипом Val/Val.
Каким образом эти однонуклеотидные полиморфизмы GAD1 могут увеличивать риск заболевания? Учитывая то, что они расположены поблизости от регуляторной зоны гена, они могут влиять на транскрипцию и уровни GAD67. Чтобы проверить эту догадку, исследователи проанализировали экспрессию GAD1 в посмертных образцах тканей мозга. Они обнаружили, что один из SNP ассоциирован с пониженными уровнями мРНК GAD1 в дорсолатеральном префронтальном кортексе. Неясно, как другие SNP могут влиять на ген GAD1 или на предрасположенность к шизофрении, но авторы установили ассоциацию генотипа с когнитивными показателями. Проанализировав 15 различных нейрокогнитивных фенотипов, они обнаружили, что 11 из них ассоциированы по крайней мере с одним из 19 SNP, причем корреляция была как позитивная, так и негативная. Также оказалось, что один из трех проверенных SNP ассоциируется с повышенной активацией DLPFC в одном из когнитивных тестов с использованием fMRI.
Транскриптом, связанный с ГАМК
Хашимото с коллегами более широко рассмотрели экспрессию ГАМК-связанных генов, используя специальные ДНК-матрицы, детектирующие 85 различных ГАМК-связанных мРНК, включая те, что кодируют GAD и другие белки, вовлеченные в процесс синтеза, захвата, деградации и связывания ГАМК. Исследователи использовали матрицы для сравнения профилей экспрессии генов в DLPFC у 14 скончавшихся пациентов с контрольными тканями подходящих по возрасту и полу людей, не страдавших шизофренией.
Исследователи сообщают, что экспрессия 10 из 85 генов значительно отличалась в тканях мозга пациентов. Все десять генов были сильнее экспрессированы в контрольных, "здоровых", образцах. Данные гены кодируют белки трех типов: нейропептиды, выделяемые ГАМК-нейронами; субъединицы ГАМК рецептора, и пресинаптические регуляторы ГАМК. Последние включают GAD67 - уровни мРНК этого фермента в образцах пациентов были приблизительно на 33 процента ниже.
Исследователи сообщают, что наибольшая разница была обнаружена в экспрессии нейропептида соматостатина (SST), чье содержание в образцах мозга больных шизофренией оказалось ниже в 1.6 раза. Экспрессия двух других нейропептидов, холецистокинина (CCK) и нейропептида Y (NPY) была также ниже в этих образцах. Исследователи подтвердили полученные на матрицах данные с помощью real-time quantitative PCR и гибридизации in situ в расширенной когорте из 23 пар.
За изменениями экспрессии гена GAD67 близко следовала экспрессия SST, NPY, и CCK. Поскольку ГАМКергические нейроны, экспрессирующие CCK, формируют субпопуляцию отдельную от тех, что экспрессируют одновременно SST и NPY, Хашимото с коллегами предположили, что связанные с шизофренией дефициты ГАМКергической трансмиссии могут затрагивать две отдельные популяции клеток. Указанные две популяции также отличаются от парвальбумин-содержащих ГАМКергических клеток, о которых поступали сообщения из лаборатории Дэвида Льюиса (эти клетки при шизофрении содержат сниженное количество парвальбумина, а GAD67 выявить не удается совсем. См. обзор в Lewis et al., 2005)
Исследователи также сообщают, что экспрессия дельта-субъединицы рецептора ГАМК-А снижена у пациентов - как на экстрасинаптических, так и на синаптических рецепторах. Они делают вывод, что патофизиология DLPFC при шизофрении отличается не только изменениями нейротрансмиссии ГАМК, но и изменениями в экстрасинаптических ГАМК-рецепторах. Это наводит на мысль, пишут авторы, что при шизофрении снижена как «синаптическая (фазовая) так и экстрасинаптическая (тоническая) способность к ингибированию... в дендритак пирамидальных клеток».
Два пути ведут к ГАМК-дисфункции?
В своей статье в PNAS Бенес и коллеги описывают продолжение своих исследований ГАМКергической дисфункции в лимбических кортикальных структурах, таких как гиппокамп и передняя часть поясной извилины. Они делают упор на сравнение ГАМКергических нарушений при шизофрении и биполярном расстройстве (см. обзор в Benes and Berretta, 2001). На этот раз для анализа посмертных тканей они избрали целевой подход, изолируя микроскопические образцы гиппокампа с помощью лазерной захватывающей микродиссекции (laser-capture microdissection). После изолирования было проведено профилирование экспрессии генов для обнаружения изменений в сети белков, связанных с GAD67 - ферментом, чье содержание снижено в гиппокампе при обоих заболеваниях, как показали предыдущие исследования. В качестве объектов для забора тканей гиппокампа выступили три группы скончавшихся - семеро были больны шизофренией, семеро - биполярным расстройством, и семеро не страдали от этих заболеваний.
Полученные находки подчеркивают ценность метода лазерной захватывающей микродиссекции. Хотя при анализе всего гиппокампа в целом не было обнаружено разницы в экспрессии GAD67 у больных шизофренией по сравнению с контрольными образцами, а в образцах больных биполярным расстройством было обнаружено лишь 1.8-кратное снижение экспрессии, значительные различия открылись при микроскопическом исследовании. В зонах CA2 и CA3, особенно во втором верхнем слое - stratum oriens, где располагаются ГАМКергические нейроны, исследователи обнаружили почти 10-кратное снижение экспрессии GAD67 у больных биполярным расстройством. Разница у больных шизофренией - почти в три раза меньше - оказалась не столь драматична в слое stratum oriens, и была аналогична степени снижения экспрессии в более глубоких слоях гиппокампа (stratum radiatum и stratum pyramidale) при обоих заболеваниях. В зоне CA1 было лишь одно отличие от здоровых образцов: в группе больных шизофренией, но не в биполярной, экспрессия GAD67 в stratum oriens оказалась снижена втрое.
Сфокусировавшись на слое stratum oriens, в котором нарушение экспрессии отмечается при обоих заболеваниях, Бенес с коллегами обнаружили, что 18 из 25 генов, связанных с GAD67 сетью взаимодействий, имеют отличные от нормальных паттерны экспрессии либо при шизофрении, либо при биполярном расстройстве. Некоторые из них участвуют в нейротрансмиссии - это субъединицы глутаматных рецепторов, но в списке также оказались факторы транскрипции, цитокины, хроматин-модифицирующие белки. Интересно то, что при шизофрении и биполярном расстройстве обнаруженные профили экспрессии были различны, и авторы привлекают внимание к этим отличиям - транскрипты белков, вовлеченных в эпигенетическую модификацию генов, были повышены при шизофрении, но не при биполярном расстройстве, в то время как транскрипты факторов клеточной дифференциации были изменены лишь при биполярном расстройстве. Это наводит авторов на предположение о том, что «общий клеточный фенотип при шизофрении и биполярном расстройстве - снижение экспрессии GAD67 в ГАМКергических интернейронах - может вызываться различными молекулярными механизмами, отчасти связанными с генами риска для указанных заболеваний, а также активно-зависимыми изменениями в специфических афферентных сигналах, поступающих в данные интернейроны». Том Фаган, schizophreniaforum.org.