Генетика психических заболеваний: роль ретротранспозиции и рнкредактирующих белков Aid / Apobec (обзор литературы)

факторов наследственной предрасположенности к данным заболеваниям, генетическая природа большинства из них остается неизвестной (3, 4). Поиск точечных маркеров, отдельных генов предрасположенности не привел к формированию законченной и обоснованной гипотезы наследования психических заболеваний. Это дает основания полагать, что в патогенезе эндогенных психических заболеваний играют роль не столько точечные мутации, сколько нарушения функционирования генома, приводящие к глобальной дизрегуляции экспрессии нейрональных генов. Одно из таких явлений – перемещение мобильных элементов генома, активизирующееся, как показано в недавних исследованиях, в процессе развития мозга человека (5).

Подавляющую часть сателлитных последовательностей генома человека составляют транспозоны и ретротранспозоны – мобильные ДНК-элементы, способные к перемещениям в различные участки генома (6). У млекопитающих они представлены 3 основными типами, наиболее распространенным из которых является тип элементов класса LINE1 (long interspersed nuclear elements, L1), составляющие около 20 % генома человека. Несмотря на то что количество копий L1 элементов составляет около 500 000, большинство их являются неактивными в результате точечных мутаций, перестроек или усечений. При этом, по разным оценкам, от 80 до 500 мобильных L1 элементов остаются способными к самостоятельной ретротранспозиции (7). Процесс перемещения мобильных элементов является мутагенным, и в настоящее время в человеческой популяции известно около 400 миллионов хромосомных перестроек и более 70 заболеваний, связанных с de novo и наследуемыми событиями ретротранспозиции (8). Помимо очевидного механизма внесения мутаций в кодирующие участки генов, L1 элементы, попавшие в интроны или регуляторные области генов, также могут оказывать значительное влияние на уровень экспрессии генов (9,10). Именно по причине мутагенности большинство копий потенциально активных ретротранспозонов находятся в репрессированном состоянии за счет работы эпигенетических механизмов (11,12).

Тем не менее ряд недавних работ показал, что L1 ретротранспозиция активно осуществляется в нервных клетках мозга человека. Показано, что каждый нейрон содержит в среднем на 80 копий L1 больше, чем клетки соматических тканей. (5, 13, 14). Более того, недавно было продемонстрировано, что ретротранспозоны чаще встраиваются именно в локусы генов, активных в мозге человека (15). Учитывая количество нервных клеток в организме человека (число нейронов составляет около 100 млрд), слож- но переоценить потенциальное значение ретротранспозиции для внесения новых, соматических изменений в имеющиеся нейронные контуры. Интересным фактом, косвенно указывающим на то, что ретротранспозиции являются важным и неотъемлемым свойством генома нервных клеток, является то, что наиболее активно перемещения мобильных элементов происходят в гиппокампе – структуре головного мозга, имеющей ключевое значение в консолидации памяти, то есть при переходе от кратковременной памяти к долговременной.

Связь активных перемещений ретроэлементов и развития эндогенных психических расстройств представляет огромный научноисследовательский и практический интерес. Генетическая природа большинства психических заболеваний в настоящий момент неизвестна (16). Однако еще в 1999 г. группе исследователей удалось продемонстрировать, что в postmortem образцах мозга пациентов, страдавших шизофренией наблюдалось повышенное количество копий кДНК, соответствовавших последовательности ретротранспозона SINE-R. C2 (17). Тогда же в независимом исследовании, проводимом на трех парах однояйцевых близнецов, различавшихся по признаку наличия диагноза «шизофрения», была выявлено наличие множественных копий эндогенного ретровируса SZRV-1, перемещения которого, по предположению авторов, приводили к сбоям в работе нейрональных генов (18). Более поздние исследования уже более наглядно и достоверно демонстрируют взаимосвязь между активацией ретровирусов и развитием психических заболеваний. Так, в 2001 г. было показано, что множественные копии различных эндогенных ретровирусов активно экспрессируются в лобном отделе коры головного мозга у больных шизофренией. Также РНК-интермедиаты данных ретровирусов были обнаружены в цереброспинальной жидкости (19). Интересно отметить, что у пациентов, страдающих шизофренией, наиболее активно экспрессируется определенный тип ретровирусов, HERV-W (Human Endogenous RetroVirus, type W) – несмотря на огромное разнообразие ретровирусных последовательностей в геноме человека, у больных шизофренией количество его РНК копий составляет до 65 % от общего количества ретровирусных РНК. Позднее была показана ассоциация повышенной экспрессии этого ретровируса также и с развитием биполярного расстройства (20).

Ретротранспозоны класса SINE (Short Interspersed Nuclear Element), или Alu повторы, также являются очень распространенными элементами генома – суммарная длина их последовательностей составляет десятую часть генома человека (6).

При этом, учитывая их небольшой (300 пар нуклеотидов) по сравнению c ретровирусами и LINE-элементами (от 3000 до 6000 пар нуклеотидов) размер, по количеству копий их можно назвать преобладающими мобильными элементами генома. Важным отличием Alu элементов от других ретротранспозонов является то, что они не способны к самостоятельным перемещениям, а используют для этого обратно транскрипционный аппарат LINE элементов. Тем не менее их роль в развитии многих онкологических и тяжелых наследственных заболеваний была неоднократно показана (21). Взаимосвязь активации Alu элементов с развитием психических расстройств исследовалась в меньшей степени, однако было показано, что Alu элементы у больных шизофренией и биполярным расстройством располагаются в зонах открытого, транскрипционно активного хроматина, тогда как в норме транскрипция Alu элементов, как правило, репрессирована (22).

Вышеупомянутые элементы L1 относятся к ретротранспозонам класса LINE (Long Interspersed Nuclear Element). Они являются наиболее изученным классом ретротранспозонов – в настоящее время механизмы их транскрипции и перемещения описаны достаточно подробно (23). Несмотря на то что количество функциональных копий в геноме невелико (около 150), их транскрипция и активные перемещения являются характерными признаками многих злокачественных опухолей (24). В свете изучения роли LINE элементов в возникновении психической патологии, в частности аддиктивных расстройств, интересной представляется работа 2010 г., посвященная исследованию изменений компактизации хроматина у мышей, подвергавшихся воздействию кокаина (25). Мыши подвергались либо единовременному (одна доза), либо многократному (семь ежедневных доз) воздействию кокаина. После этого проводилось препарирование мозга и выделялось прилежащее ядро головного мозга (nucleus accumbens), являющееся так называемым центром удовольствия. Анализ распределения участков эу-и гетерохроматина показал, что после продолжительного употребления кокаина статус хроматина подвергался значительным флуктуациям, при этом 99 % участков генома, где имели место изменения, несли в себе последовательности ретроэлементов. Дополнительный анализ транскрипционной активности этих элементов подтвердил, что длительное употребление кокаина приводит к явно выраженной активации перемещений ретротранспозиций в nucleus accumbens (25).

Тот факт, что ретротранспозоны могут полностью обеспечивать себя ферментативным механизмом, необходимым для их самовоспроизведения и амплификации, является основной причиной того, что они составляют половину генома человека. При этом открытым остается вопрос: какая же система «внутриклеточного иммунитета» предотвращает неограниченную экспансию мобильных элементов в рамках генома нервных клеток? Ранее считалось, что основным механизмом является подавление транскрипции. Однако этому противоречит тот факт, что ретроэлементы класса LINE-1 остаются транскрипционно активными в клетках нейральных предшественников, которые продолжают делиться и давать начало новым нейронам на протяжении всей жизни человека (5, 13, 14). Это наводит на мысль о существовании дополнительного механизма защиты от неограниченной амплификации последовательностей ретротранспозонов в тканях головного мозга. Одной из наиболее актуальных гипотез считается предположение о том, что вторым уровнем защиты от нежелательной обратной транскрипции в клетке служит система РНК-редактирования, представленная двумя классами белков – ADAR (Adenosine Deaminase Acting on RNA) и APOBEC (Apolipoprotein B mRNA-Editing Catalyst). Белки группы ADAR (РНК-специфичные аденозин-деаминазы) могут вносить нуклеотидные замены A-C в РНК-матрицы дочерних копий ретротранспозонов и тем самым инактивировать их. В свою очередь белки группы APOBEC могут деаминировать цитозин в молекулах РНК или одноцепочечной ДНК, превращая его в урацил и, соответственно в аденин в ДНК копии ретротранспозона (26). Это приводит к тому, что дочерние копии становятся неактивными в результате присутствия нуклеотидных замен в открытых рамках считывания белков, необходимых для их репликации, или же в результате мутаций, нарушающих вторичную структуру их инвертированных повторов, необходимых для эффективного прохождения обратной транскрипции. Группа APOBEC представлена одиннадцатью различными белками, каждый из которых характеризуется тканеспецифичной экспрессией, а также специфичностью в отношении редактирования и, соответственно, подавления активности определенных типов ретровирусов и ретротранспозонов (27). Было показано, что белок APOBEC3G обладает способностью таким образом инактивировать РНК-копии вируса иммунодефицита человека и многих эндогенных ретровирусов (28). Также продемонстрирован ингибирующий эффект этого белка на перемещения Alu повторов (29). Экспрессия белка АPOBEC1 в нейронах, зараженных вирусом простого герпеса, несет защитную функцию, приводя к дезаминированию нуклеотидов в вирусном геноме (30).

Следовательно, можно предположить, что в тканях головного мозга система РНК-редактирующих белков ADAR и APOBEC может осуществлять функцию регуляции активности ретротранспозонов и, вероятно, может быть вовлечена в патогенез многих психических расстройств. Косвенным аргументом в пользу данного предположения является то, что несколько независимых исследований указывает на сцепления признака развития шизофрении с участком хромосомы 22q (31). В частности в качестве генов-кандидатов на ассоциацию с шизофренией выявлены гены COMT, PRODH, HMG2L1 и другие, находящиеся в непосредственной близости от гена белка APOBEC3G (32). Помимо того, сравнительно недавно в литературе появились и первые прямые доказательства участия системы РНК-редактирования с развитием психических патологий. Анализ postmortem образцов коры нижней теменной доли мозга пациентов с психотическими эпизодами в анамнезе показал, что уровень экспрессии генов APOBEC3A и APOBEC3C значительно снижен по сравнению с контролем (33). Изменений экспрессии гена APOBEC3G при этом не наблюдалось, однако это можно объяснить тем, что данная группа генов характеризуется высокой тканевой и функциональной специфичностью. Так, в том же исследовании были проанализированы образцы теменной доли пациентов, страдавших острой депрессией; в данном случае различия между нормой и патологией наблюдались только для гена APOBEC3A. В данном ключе интересно было бы установить – оказывает ли влияние изменение уровня экспрессии генов APOBEC на изменение количества копий ретротранспозонов, однако авторами такие эксперименты проведены не были.

Таким образом, результаты современных исследований позволяют заключить, что белки группы APOBEC играют важную роль в поддержании стабильности генома нервных клеток путем подавления неограниченной экспансии ретроэлементов, способной приводить к возникновению психических заболеваний. Однако эта гипотеза нуждается в дальнейшем экспериментальном подтверждении путем установления корреляций между изменением экспрессии белков группы APOBEC, активизацией ретротранспозиций в различных структурах головного мозга и развитием психической патологии.

Все вышесказанное дает основания предполагать, что соматический мозаицизм, обусловленный перемещениями мобильных элементов, является важным и неотъемлемым свойством клеток нервных тканей в норме. Если бы это было не так, репрессионные механизмы, эффективно подавляющие транспозицию в большинстве соматических клеток, работали бы и в нейронах. Возможно, данный механизм в норме, помимо всего прочего, обеспечивает также и межиндивидуальные различия в реализации высшей нервной деятельности у человека, обусловливая уникальность архитектуры нейронных контуров. С другой стороны, изменения уровня ретротранспозиционного фона в некоторых случаях могут приводить к драматическим последствиям для функционирования головного мозга в целом и реализации психических функций, приводя к возникновению заболевания, о чем свидетельствует взаимосвязь активации перемещений мобильных элементов с возникновением психических заболеваний.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.A18.21.0109. Работа Тощакова С. В. и Богданова Е. А. также поддержана Стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых.