Проблема выбора биологического материала в эпигенетических исследованиях психологических характеристик

Современные исследования свидетельствуют о том, что под влиянием различных факторов в человеческом геноме могут происходить эпигенетические модификации в течение жизни (Petronis, 2010; Rakyan, Down, Balding, Beck, 2011). Эти факторы оказывают влияние на экспрессию и инактивацию генов, модифицируя их активность, но при этом не изменяют последовательность генетического кода. Исследования эпигенетических изменений играют все более важную роль, поскольку они могут привести к выявлению новых механизмов возникновения серьезных заболеваний и расстройств (диабета, рака, зависимостей, депрессии, шизофрении и др.), а также пониманию механизмов происхождения индивидуальных различий. В силу этого анализ метилирования дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляется перспективным методом в исследованиях функционирования психики и особенностей поведения человека.

Для извлечения ДНК в эпигенетических исследованиях используются различные ткани: клетки периферической крови, слюна

(буккальный эпителий), сперма, лимфобла-стоидные клеточные линии, посмертные срезы мозговой ткани, пуповинная кровь, плацентарная ткань и другие клеточные структуры организма. Поскольку ткани мозга живых людей по очевидным основаниям недоступны для такого рода исследований, возникает необходимость выбора периферической ткани, в которой наиболее полно отражаются происходящие в головном мозге эпигенетические процессы, определяющие психологические феномены.

Эпигенетические профили являются тканеспецифичными, поэтому выбор типа ткани особенно важен для изучения эпигенетических процессов. Исследования показали, что эпигенетические различия в разных тканях одного человека значительно больше межиндивидуальных различий в одном типе ткани (Jiang, Jones, Chen, et al., 2015).

Сравнение глобального уровня ДНК-метилирования в клетках периферической крови и слюны здоровых людей и в лимфо-бластоидных клетках, полученных путем со- культивирования лимфоцитов тех же людей с вирусом Эпштейна-Барр, показало сходство между образцами слюны, цельной крови и лимфобластоидными клетками. При этом значения коэффициентов корреляции для слюны и цельной крови (r2 = 0,967) были несколько выше, чем для лимфобластоидных клеток (по сравнению с аналогичными данными для корреляции показателей с цельной кровью и лимфобластоидных клеток и слюны между собой (r2 = 0,880 и 0,844 соответственно). Уровень метилирования в лимфобластоидных клетках оказался достоверно выше (p = 0,01) по сравнению с уровнем метилирования в слюне и в крови. Сходные уровни метилирования наблюдались для клеток цельной крови и слюны по генам, общим для всех клеток.

Различия в характеристиках ДНК-метилировании могут быть объяснены тканевой специфичностью: большая часть различий приходилась на гены, кодирующие мембранные комплексы иммунного ответа, а также на гены, экспрессирующиеся непосредственно в белых кровяных клетках и слюнных железах. Более высокий уровень метилирования в клетках лимфобластоидной линии (по сравнению с клетками крови и буккального эпителия) может быть следствием процесса культивирования клеток.

Таким образом, описанные выше результаты свидетельствуют о том, что лимфобла-стоидные клетки не могут быть надежным источником информации об эпигенетическом статусе в других тканях в отличие от клеток периферической крови и слюны (Thompson, Sharfi, Lee et al., 2013).

В исследовании глобального и ген-специфичного ДНК-метилирования у детей раннего грудного возраста анализировался эпигенетический статус в трех образцах тканей (средний возраст младенцев при сборе образца слюны составлял 18 недель). Выделение ДНК производилось из образцов тканей плаценты, пуповинной крови и слюны младенцев. Выбранные гены для анализа ДНК-метилирования были разделены на 2 группы. Первая группа генов – HSD11B2 (3 CpGs), NR3C1 (13 CpGs), и LEP (23 CpGs). Вторую группу составили находившиеся во взаимодействии с первой группой гены и гены с высоким уровнем экспрессии в плацентарной ткани – DDIT4 (4 CpGs), KLF15 (3 CpGs), CEBPB (7 CpGs), и DEPTOR (4 CpGs). Также оценивалось метилирование CpG для DEPTOR и DDIT4, и двух повторяющихся регионов LINE-1 и AluYb8. В описываемом исследовании D.A. Armstrong, C. Lesseur, E. Conradt et al. (2014) не было найдено значительных корреляций ДНК-метилирования по перечисленным выше локусам между образцами пуповинной крови, слюны и плаценты. Исключение составляют регионы AluYb8, ДНК-метилирование которых в образцах пуповинной крови и плацентарной ткани демонстрировали положительную корреляцию (r = 0,57; p = 0,03). Кроме того, ДНК-метилирование NR3C1 в образцах слюны и пуповинной крови показало отрицательную корреляцию (r = -0,58; p = 0,02) (Hannona, Lunnona, Schalkwykb, Millac, 2015).

В эпигенетических исследованиях различных заболеваний (хронический лимфолей-коз, изменение уровня кальция и иммуноглобулина А, ревматоидный артрит и др.), выявлено, что в клетках буккального эпителия наблюдается достоверно большее (р < 0,001) число гипометилированных регионов по сравнению с клетками крови (Lowe, Gemma, Beyan et al., 2013). Исследование, проведенное на посмертных образцах тканей мозга пожилых людей (не страдавших какими-либо нейропатологическими и нервно-психическими заболеваниями), и образцах крови, полученных у них при жизни, показало, что наблюдаемые в крови межиндивидуальные различия в ДНК-метилировании сильно и значимо коррелируют с различиями, наблюдаемыми в мозжечке (r = 0,76, p < 0,001) и коре головного мозга (r = 0,66, p < 0,001) у одних и тех же людей. В исследовании M.N. Davies, M. Volta, R. Pidsley et al. (2012) показано, что интраиндивидуальные межтканевые различия в метилировании намного ( р < 0,001) превышают межиндивидуальные различия в метилировании генов, отвечающих за развитие нервной системы и нейрональную дифференциацию (BDNF, BMP4, CACNA1A, CACA1AF, EOMES, NGFR, NUMBL, PCDH9, SLIT1, SLITRK1 и SHANK3) .

Подобные межтканевые различия в уровне метилирования были показаны в ряде других исследований. Например, при сравнении профилей ДНК-метилирования образцов цельной крови и посмертных срезов четырех областей мозга: префронтальной коры, энто-ринальной коры, верхней височной извилины и мозжечка пациентов с неврологическими и нейропсихиатрическими расстройствами, выявлено, что кора, мозжечок и кровь характеризуются очень разными профилями метили- рования ДНК. Межиндивидуальные различия и пол исследуемых вносят гораздо меньший вклад в различия ДНК-метилирования, чем тканевая специфичность. Уровни ДНК-метилирования в крови и всех областях коры и мозжечке значимо различались (p < 0,0001). Однако только в ограниченном числе сайтов1 были найдены положительные корреляции между уровнями ДНК-метилирования в префронтальной коре и крови (r = 0,799, р < 0,001), энторинальной коре и крови (r = 0,755, р < 0,001), верхней височной извилине и крови (r = 0,788, р < 0,001), мозжечке и крови (r = 0,845, р < 0,001). Можно предположить, что использование образцов цельной крови для исследования психических расстройств дает ограниченную информацию о протекающих патологических процессах (Hannona, Lunnona, Schalkwykb, Millac, 2015). Однако для отдельных фенотипов кровь может быть более информативной периферической тканью, поскольку в ней отражаются воспалительные процессы. Так, в ряде исследований показано, что воспалительные процессы, возможно, являются одним из фактором развития большого депрессивного расстройства (БДР). Повышение продукции цитокинов в клетках крови при воспалении приводит к усилению выделения цитокинов в мозговой ткани, что может оказывать влияние на нейромедиаторные системы и целостность нейронов и, как следствие, на изменение поведенческих реакций. Усиление продукции цитокинов может находить отражение в эпигенетических процессах, протекающих как в клетках крови, так и в мозговой ткани (Felger, Lotrich, 2013).

Возможно, что разные ткани отражают эпигенетические процессы, связанные с различными опосредующими механизмами, поэтому каждый тип ткани может быть по-своему информативным. Так, в исследовании эпигенетических модификаций при БДР проводился анализ метилирования ДНК в белых кровяных и в половых клетках, в срезах префронтальной коры головного мозга. Образцы тканей мозга были получены посмертно от людей с верифицированным депрессивным расстройством (биобанк Медицинского исследовательского института Стэнли и Банк мозга жертв суицида Квебека). Периферическая кровь была получена от дискордантных по БДР монозиготных близнецов из Австра- лии, Нидерландов и Британии, половые клетки – от пациентов с биполярным расстройством, которое может быть этиологически связано с БДР. Контрольную группу составили образцы крови и спермы, полученные у здоровых людей, и образцы тканей мозга, взятые из биобанков. Люди с психическими заболеваниями в анамнезе, наркоманией, токсикоманией и семейной историей шизофрении были исключены из выборки. В клетках крови у близнецов с БДР доминировали гиперметилированные локусы по сравнению с контрольной группой (р = 2,2 × 10-16). В мозге и сперме пациентов с БДР преобладали гипометилиро-ванные регионы по сравнению с контрольной группой (p = 4,5 × 10-3 и p = 6,8 × 10-2, соответственно) (Oha, Wangb Sun-Chong, Palb et al., 2015). В некоторых исследованиях показано, что метилирование в клетках мозга более схоже с метилированием в клетках буккального эпителия, чем с метилированием в клетках крови. Так, в исследовании людей с эмоциональными и поведенческими проблемами выявлено частичное совпадение гиперметилирования сайтов в клетках буккального эпителия и посмертных тканях мозжечка. Особенно интересно, что совпадение было получено при сравнении разных выборок. Первую выборку составляли близнецы 12–19 лет из Великобритании (у которых была собрана слюна). В этой группе выявлены множественные различия в ДНК метилировании CpG сайтов по всему геному у близнецов, дискордантных по уровню эмоциональных и поведенческих трудностей. Во второй выборке исследовались посмертные материалы (срезы мозжечка) пациентов с диагнозом БДР и людей без психических расстройств (в качестве контрольной группы). Часть гиперметилированных сайтов, выявленных в буккальном эпителии близнецов, совпала с гиперметилированными сайтами в посмертных тканях мозжечка людей с БДР (Dempster, Wong Chloe, Lester et al., 2014). Эти результаты могут объясняться общим эктодермальным происхождением эпителиальных клеток и клеток мозговой ткани в эмбриогенезе. В то же время клетки крови имеют мезодермальное происхождение и более гетерогенны по сравнению с клетками мозговых тканей.

В другом исследовании эпигенетических модификаций генов, связанных с психическими расстройствами, было показано большее сходство между метилированием ДНК в клетках буккального эпителия и срезах тканей мозга, по сравнению с ДНК-метилированием в клетках крови (Smith, Kilaru, Klengel et al., 2015). Образцы слюны и крови были получены от 64 взрослых афроамериканцев, ткани мозга (мозжечок, лобная кора, энторинальная кора, верхняя височная извилина) взяты из общедоступных баз данных. Корреляция в уровне ДНК-метилирования между данными по образцам слюны и крови составила r = 0,51 (p < 0,05), а корреляция между данными по буккальному эпителию и образцами мозга была выше (r = 0,73, p < 0,05) (Thompson, Sharfi, Lee et al., 2013).

Резюмируя вышеизложенное, можно предположить, что для исследования роли эпигенетических факторов в формировании психологических фенотипов слюна является более предпочтительным материалом для анализа ДНК-метилирования, чем клетки крови. Возможно, что метилирование ДНК в клетках буккального эпителия сходно с метилированием ДНК в клетках мозговой ткани благодаря единому эктодермальному происхождению. Кровь может являться дополнительным источником информации в эпигенетических исследованиях, так как ДНК-метилирование в клетках крови и клетках мозговой ткани имеет совпадения по некоторым сайтам. Кроме того, возможно, что для изучения разных психологических фенотипов, наиболее информативными являются разные ткани, в которых реализуются различные биологические процессы, опосредующие связь между фенотипом и метилированием.

Данная работа была и выполнена в рамках базовой части Государственного задания Министерства образования и науки РФ (грант № 17.7255.2017/8.9).