Эпигенетическая гипотеза патофизиологии шизофрении.
Перевод текста An Epigenetic Hypothesis for Schizophrenia Pathophysiology.
Гипотеза опубликована на сайте Schizophrenia Research Forum 17 января 2008 года.
Авторы - Dennis R. Grayson, Alessandro Guidotti, Erminio Costa (Деннис Грейсон, Алессандро Гуидотти, Эрминио Коста).
Шизофрения (Sz) - тяжелое нарушение работы мозга, поражающее почти 1% населения. Генетические факторы заболевания исследованы, пожалуй, наиболее дотошно, однако упор на анализ сцеплённого наследования и ассоциаций генов в масштабах целого генома обеспечил нас лишь частичным пониманием этиологических факторов, лежащих в основе недуга (Harrison, Weinberger, 2005). Наряду с другими факторами, препятствием для генетических исследований стали неменделевский характер наследования шизофрении, гетерогенность фенотипов и отсутствие специфических биомаркеров. Проаналировав базу данных SchizophreniaGene сайта Schizophrenia Research Forum по состоянию на январь 2008, мы обнаруживаем, что в ходе проведенных 1200 генетических исследований значительные суммарные показатели получены для нескольких локусов, включая гены метилтетрагидрофолатредуктазы (MTHFR), допаминового рецептора D2, допаминового рецептора D4, различных субъединиц рецептора NMDA (NR2A, GRIN2A) и серотонинового транспортера A4 (SLC6A4). Дисбиндин и нейрегулин также продемонстрировали позитивную ассоциацию в некоторых работах. Однако, несмотря на информативность анализа сцепленного наследования и генетических ассоциаций, интерпретацию данных усложняет комплексный характер генетики Sz. Действительно, несовпадение результатов недавних мета-анализов цельногеномного сканирования с результатами крупных исследований сиблинговых пар свидетельствует об отсутствии реплицированного свидетельства в пользу любого из нынешних генов-кандидатов (Crow, 2007).
По современному представлению, истоки болезни, возможно, не укладываются лишь в вариации последовательностей ДНК; наряду с последними, ключевую этиопатогенетическую роль могут играть эпигенетические нарушения (Petronis, 2004; Costa et al., 2006). В 1960-х и 1970-х годах была проведена важная серия исследований, данные которых были уже в наше время дополнены посмертным анализом тканей мозга больных и здоровых людей, что и навело нас на новую гипотезу о причинах этого заболевания (см. Costa et al., 2002). Представленный механизм, являющийся модификацией ГАМКергической гипотезы (см. Guidotti et al., 2005; Lewis et al., 2005), предполагает, что аберрантная экспрессия генов (напр., рилина, глутаматдекарбоксилазы-1 - GAD1 или GAD67, везикулярного ГАМК-транспортера - VGAT, ГАМК транспортера - GAT-1, NMDA-рецепторов - субъединицы NR2, и других - см. Benes et al., 2007; Huang et al., 2007), наблюдаемая в ГАМКергических нейронах у больных шизофренией, происходит вследствие гиперметилирования промоторов, опосредованного чрезмерной экспрессией ДНК-метилтрансферазы I (и, возможно, других ДНК-метилтрансфераз). В вышеизложенном виде гипотеза метилирования довольно узка; однако мы хотели бы расширить ее дополнительными механизмами, согласующимися с характером изменений эпигенетической регуляции ключевых промоторов, экспрессированных в ГАМКергических нейронах (Costa et al., 2007). Мы полагаем, что каждый из механизмов снижает экспрессию соответствующих мРНК, заглушая промоторы, и в сумме это вызывает симптомы, наблюдаемые у психотических пациентов. С другой стороны, возможно, гиперметилирование промоторов вызывает вторичные эффекты, косвенно влияющие на ГАМК-функцию. Например, было показано, что нейрегулин позитивно регулирует NMDA рецепторы (Gu et al., 2005), что, в свою очередь, может моделировать количество ГАМК, высвобождаемой в ГАМКергические синапсы (Beneyto and Meador-Woodruff, 2007; Homayoun and Moghaddam, 2007). Таким образом, снижение количества нейрегулина может вызывать гипофункцию NMDA рецепторов, усугубляя ГАМКергическую гипофункцию, связанную с недостатком GAD1. В совокупности, нужно исследовать каждый из этих вариантов в контексте представленной гипотезы для того, чтобы разобраться в соотношениях, о которых пишут разные исследователи. В то же время рассмотрение эпигенетической гипотезы, вероятно, поможет свести воедино многие нестыкующиеся находки, до того смущавшие умы ученых.
Связь метионина с психозом
Эпигенетическая гипотеза отчасти основана на результатах серии клинических испытаний, проведенных в конце 1960-х годов с целью поиска лучшей терапии для больных шизофренией (Park et al., 1965; Antun et al., 1971; обзор в работе Costa et al., 2002). Основанием для проведения эксперимента послужил следующий довод: галоперидол блокирует допаминовые рецепторы, следовательно, можно добиться улучшения понижением уровня допамина в мозге. Для этого больным шизофренией и контрольной группе давали в большом количестве метионин (Мет.). Ожидалось, что Мет. повысит активность ферментов, метаболизирующих допамин посредством метилирования, и вызовет снижение уровней допамина в мозге. Исследователи ожидали, что конечным эффектом станет улучшение состояния пациентов либо ослабление симптоматики. Вместо этого оказалось, что Мет. вызывает острые психотические эпизоды у пациентов, демонстрировавших в прошлом симптомы шизофрении (Antun et al., 1971; Costa et al., 2002). Первым предположением было то, что Мет индуцировал синтез одного из метаболитов допамина, способного вызвать психотический эпизод. Однако уровни различных метаболитов допамина оставались неизменными. Механизм Мет-обусловленного рецидива психотических симптомов оставался загадкой до тех пор, пока наши лаборатории не смогли повторить этот опыт на мышах. Нам удалось продемонстрировать, что Мет. опосредует изменения в экспрессии генов и метилировании промоторов у мышей как in vivo, так и in vitro (Tremolizzo et al., 2005; Noh et al., 2005; Dong et al., 2005; 2007). Интересно то, что Мет. повышал в мозге уровни S-аденозилметионина, и это повышение совпадало с изменениями в степени метилирования промоторов и экспрессии генов. К тому же мы наблюдали усиленное связывание метилцитозин-связывающих белков, таких как MeCP2, с этими промоторами (Dong et al., 2007; Kundakovic et al., 2007). Стоит отметить, что у больных шизофренией кортикальные уровни S-аденозилметионина (SAM) повышены почти вдвое (Guidotti et al., 2007), что сочетается с гипотезой о нарушенном метилировании, сопровождающем болезнь. Некоторые из клинических работ по Мет. десятки лет были преданы забвению и лишь недавно, когда мы начали исследовать эпигенетическую гипотезу, были включены в неё (Costa et al., 2002).
Отклонения в экспрессии ДНК-метилтрансфераз (Dnmt: Dnmt1, 3a, и\или 3b) в ГАМКергических нейронах больных шизофренией могут вызывать глобальные изменения геномного метилирования, что в итоге понижает экспрессию большого числа промоторов. В то время как Dnmt1, 3a и 3b экспрессированы в постмитотических клетках, вероятно, лишь Dnmt1 высоко экспрессирована в ГАМКергических, но не в пирамидальных нейронах (Veldic et al., 2004; 2005; 2007). У больных шизофренией наблюдается чрезмерная экспрессия Dnmt1 в ГАМКергических нейронах 1 и 2 слоя коры и в густоветвистых средних шипиковых нейронах (medium spiny neurons) хвостатого ядра и скорлупы (Veldic et al., 2007). Заметных изменений в экспрессии Dnmt3a или 3b как при шизофрении, так и у больных биполярным расстройством установить не удалось. Однако не было проведено достаточно детальных исследований точной нейрональной локализации соответствующих мРНК. Роль этих белков в постмитотических нейронах выяснена не до конца, и многочисленные исследования показали, что каждый из них выполняет свою функцию, работая в спарке с метилцитозин-связывающими белками и дезацетилазами гистонов (Van Emburgh and Robertson, в печати). В согласии с повышенной экспрессией Dnmt1 в кортикальных ГАМКергических нейронах пациентов (Guidotti et al., 2005), наша (Grayson et al., 2005) и другие группы (Abdolmaleky et al., 2005) показали, что у больных шизофренией частично гиперметилированы промоторы рилина. Мы выдвигаем предположение о том, что сниженная экспрессия мРНК рилина, GAD1 и других генов приводит к снижению ингибиторного тона ГАМКергических интернейронов (ГАМКергической гипофункции), описанному у больных шизофреней и, судя по всему, имеющему отношение к нарушению ритмов пирамидальных клеток (Benes and Berretta, 2001; Guidotti et al., 2005; Lewis et al., 2005, Levenson and Sweatt, 2005). Этим можно объяснить множество наблюдений, связывающих нарушенное ингибирование гипервозбудимых аудио- и визуальных сетей с возникновением галлюцинаций (восприятием неподходящей сенсорной информации) при психозе. Отсев указанной избыточной сенсорной информации осуществляют ГАМК-сети, и скорее всего их работа становится неэффективной (Loh et al., 2007).
Процессы метилирования и деметилирования могут включать и выключать экспрессию генов в нейронах
Хотя точная комбинация ДНК-метилтрансфераз (1, 3a или 3b), активных в специфических нейронах, в настоящее время неизвестна (Veldic et al., 2004; Levenson et al., 2006), очевидно происходящее в наши дни раскрытие роли метилирования в нормальной работе мозга. Например, при осуществлении груминга некоторыми крысами у их детенышей изменяется статус метилирования гена глюкокортикоидного рецептора в гиппокампе (Weaver et al., 2004; 2005; Meaney and Szyf, 2005). В более свежем исследовании, с использованием условно-рефлекторного замирания, была обнаружена связь изменений метилирования промоторов рилина и протеинфосфатазы-1 (PP1) с консолидацией памяти (Miller and Sweatt, 2007). Некоторые исследователи считают, что паттерны метилирования в контексте реконструкции хроматина могут быть обратимыми, а также могуть быть тесно связаны с дезацетилированием гистонов. Действительно, ингибитор дезацетилазы гистонов, вальпроевая кислота, обычно прописываемая психотическим пациентам как стабилизатор настроения, может отчасти действовать через усиление процессов деметилирования ДНК (Cervoni and Szyf, 2001; Mund et al., 2006; Milutinovic et al., 2007; Dong et al., 2007). Хотя вопрос об экспрессии ДНК-деметилаз все еще вызывает противоречия, представляется очевидным то, что ингибиторы дезацетилазы гистонов, такие как вальпроевая кислота и MS-275, действуют, ингибируя дезацетилазы и изменяя паттерны метилирования промоторов в клеточной ДНК. Концепция регулирования нейрональной экспрессии генов посредством деметилирования была предложена в контексте когнитивного развития (Hong et al., 2000) и формирования памяти (Levenson and Sweatt, 2005).
Мы предлагаем схему, представленную на рис. 1, для объяснения эпигенетических причин шизофрении в свете вышеизложенных концепций. Как было сказано, предполагается связь повышенной экспрессии Dnmt1 с выборочным гиперметилированием промотора и снижением количества мРНК. В число генов, чей мРНК понижен в ГАМКергических нейронах, входят рилин, GAD1, SST, VGAT, Gat-1, NR2-субьединицы рецептора NMDA, и транскрипционные факторы Dlx (Guidotti et al., 2005; Beneyto and Meador-Woodruff, 2007; Benes et al., 2007). Наблюдение избыточной экспрессии Dnmt1 в ГАМКергических нейронах больных шизофренией сочетается с идеей о том, что в основе заболевания может лежать дисфункция механизма эпигенетического гиперметилирования промоторов (Veldic et al., 2004; 2005). Мы также показали, используя антисенсные к Dnmt1 олигонуклеотиды, что нокдаун белка Dnmt1 предотвращает Met-опосредованное снижение количества мРНК рилина и GAD1 в кортикальных нейронах in vitro (Noh et al., 2005). В то время как роль Dnmt1-, 3a- и 3b-опосредованных изменений в ген-специфичном метилировании хорошо известна в контексте биологии раковых заболеваний (Szyf, 2005), очень мало известно о метилировании как о нейрональном регуляторном механизме. На данный момент мы не понимаем, чем вызвано это повышение (количества Dnmt1) при шизофрении, но оно может быть связано с пока нерасследованным механизмом усиления экспрессии гена Dnmt1 в ответ на гормональные всплески, свойственные пубертатному или раннему постпубертатному периоду (возможно, эстрогена или иных гормонов). Это могло бы объяснить следующие наблюдения: 1) при снижении количества рилина с момента рождения наблюдается более тяжелый патологический фенотип (Hong et al., 2000) и 2) симптомы шизофрении очень редко возникают до пубертатного возраста. Пока что эта идея недоказана, но она обеспечивает подходящий каркас для тестирования гипотез, относящихся к возрастной регуляции экспрессии Dnmt1 под влиянием разнообразных гормонов, вероятно, действующих на уровне соответствующих промоторов. Это предположение также подразумевает возможность того, что ингибиторы Dnmt1 пригодятся при поиске новых антипсихотических средств.
(рисунок 1. "Гипотеза: ГАМКергическая гипофункция при шизофрении." Повышение Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b -> снижение мРНК в ГАМКергических нейронах, в т.ч. GAD1 -> сниженный выброс ГАМК -> снижение плотности дендритных шипиков на пирамидальных клетках, снижение нейропильной плотности + увеличение числа ГАМК-А рецепторов и повышенная возбудимость нейронов => симптомы шизофрении)
Поскольку нейрон-специфичные и возрастные паттерны экспрессии сопровождаются отчетливыми изменениями в структуре хроматина и статусе метилирования ДНК (Razin, 1998; Sharma et al., 2005), важно сосредоточиться на механизме, посредством которого метилирование критических цитозинов в этих последовательностях влияет на доступ транскрипционных факторов к своим сайтам узнавания. На основании наших данных мы предполагаем, что метилирование представляет собой переключатель, используемый для регулирования экспрессии промоторов в определенных условиях (Kundakovic et al., 2007). Важная концепция, подкрепленная многими исследованиями, предполагает то, что повышенное метилирование вызывает усиленное рекрутирование метилцитозин-связывающих белков к промотору, индуцируя репрессивное или молчащее состояние хроматина (Grayson et al., 2005; Dong et al., 2005). Вопрос о возможности переключения этого "тумблера метилирования" в исходное положение до сих пор открыт и подлежит исследованию. Недавно полученные данные говорят о том, что изменения процессов развития, индуцируемые в отсутствие MeCP2 с момента рождения, обратимы, и что они согласуются с ролью метилирования как динамического модулятора экспрессии промоторов (Guy et al., 2007). Теперь важно выяснить, проявляют ли подобную чувствительность к изменениям в процессах метилирования другие промоторы, подавленные при шизофрении.
Разработка новых методов терапии должна быть направлена на ДНК-метилтрансферазы и дезацетилазы гистонов?
Метилирование промоторов, по нашему предположению, можно обратить вспять. Например, гиперметилирование гена глюкокортикоидного рецептора в гиппокампе у крыс, недополучивших в детстве материнской опеки, может быть реверсировано ингибиторами дезацетилаз гистонов (Szyf et al., 2007). Проведенные недавно опыты с мышами, получавшими метионин, свидетельствуют о том, что гиперметилирование промоторов рилина и GAD1 может быть эффективно реверсировано вальпроевой кислотой и ингибиторами дезацетилазы гистонов. Это позволяет нам предположить, что вдобавок к ДНК-метилтрансферазам и S-аденозилметионину ключевую роль в регулировании стабильных уровней метилирования промоторов в нейронах мозга может играть ДНК-деметилаза (Dong et al., 2007). Молекулярная природа, кинетика и экспрессия активности деметилазы в мозге остается важной темой для исследований в области патофизиологической терапии шизофрении. На самом деле, индуцирование этой активности, вызываемое клозапином, но не галоперидолом, может объяснить лучшую антипсихотическую эффективность клозапина по сравнению с ранними антипсихотиками (Erbo Dong et al., неопубликованные данные).
Главная цель эпигенетических исследований в психиатрии сейчас заключается в лучшем понимании регулирования различных генов, экспрессируемых в ГАМКергических нейронах. Это даст возможность идентифицировать цели для терапии шизофрении (Costa et al., 2003a ; 2003b; 2006; 2007; Guidotti et al., 2005; Grayson et al., 2006). Когда научное сообщество достигнет твердого понимания регуляторных каскадов, объединяющих своим действием разнообразные промоторы\единицы транскрипции, можно будет разработать более точные и эффективные способы реактивации экспрессии генов (Mund et al., 2006; Kundakovic et al., 2007; Levenson, 2007). Эпигенетическая гипотеза затрагивает не только шизофрению, она простирается и на другие заболевания, в том числе биполярное расстройство, депрессию, аддикции и заболевания аутистического типа, вызванные нарушением развития мозга (см. свежий обзор в Tsankova et al., 2007)
На фото: авторы гипотезы - Grayson, Guidotti, Costa.
Копия перевода в блоге на neuroscience.ru: Эпигенетическая гипотеза патофизиологии шизофрении.
См. также в моем журнале: