Ликбез по генетике аутизма
Данный текст не претендует на обзор генетики вообще. Здесь будут разобраны только те факты и данные, которые имеют наибольшее значение для понимания исследований, методов диагностики и прочих генетических аспектов аутизма, и, как я надеюсь, позволят вести осмысленный разговор о них в группе Brainstorm.
Заголовок каждой статьи ведет на соответсвующий пост в группе, где можно (иногда) найти обсуждение
1. Номера и “адресация” хромосом
У человека 23 хромосомы (23 пары хромосом). Их принято различать по размеру — нумерация хромосом идет от самой большой (№1) к самой маленькой (№22), и последней идет пара половых хромосом - X и Y. Есть еще одна структура, содержащая ДНК, передающуюся по наследству - в митохондриях есть своя хромосома, замкнутая в кольцо, как у бактерий. Она передается только от матери к ребенку.
Хромосомы с первой по двадцать вторую состоят из двух неравных половинок (на картинке можно разглядеть перетяжку), короткое плечо называют “p”, длинное - “q”.
Подкрашивая хромосомы специальными реагентами, можно увидеть характерные полоски (bands). Их как раз здесь видно. По ним принято отсчитывать участки хромосом: например, 15q11 — это 15 хромосома, 11 по счету от центра полоска на длинном её плече.
2. Эухроматин и гетерохроматин
Вот эту компактную форму хромосом, как в предыдущем посте, похожую на кривую букву Х можно разглядеть только когда клетка делится (метафаза).
В такой компактной форме ДНК очень плотно намотана на “бобины” и упакована — работать она не может, гены не транскрибируются.
В рабочем состоянии хромосомы разворачиваются в столь тонкие нити, что их уже в обычный микроскоп и не увидеть.
Эта рабочая форма хромосомы называется эухроматин. При этом часть ДНК все равно остается упакованной на бобины-гистоны, и не работает. Эта часть называется гетерохроматин.
На картинке показаны еще метиловые метки, которыми занимается эпигенетика, но это часть отдельного разговора
3. Что каждый должен знать о Human Genome Project
Франсис и Крик открыли структуру ДНК в 1953 году, уже в начале 60-х природа ДНК кодонов, которые кодируют белки была раскрыта Ниренбергом и Маттеи;
С тех пор во всех учебниках и в школе даже преподают универсальный генетический код, и что смысл ДНК — служить шаблоном РНК, а смысл РНК — чтобы рибосомы синтезировали белки. Называется “центральная догма генетики”.
Это — в принципе — правда. Но после публикации результатов титанических усилий Human Genome Project в 2003 году, мы гораздо лучше понимаем, какое место этой правды в хромосомной ДНК.
1.5%.
Именно такая доля ДНК человека действительно кодирует белки и другие гены. Всего порядка 20 тысяч генов. Если в вашей книжке написано, скажем, что генов 100 тысяч и доля их больше — значит она написана до 2003 года.
Еще 4-5% ДНК белки не кодируют, но эволюция их “бережет” так же тщательно, как и белковые гены. Их принято считать управляющими, и, кстати, их значение очень велико при развитии организма, там так и просится искать причины отклоняющегося развития… Беда в том, что в отличие от генов, кодирующих белки, мы гораздо хуже понимаем, как они устроены, и исследований на эту тему пока довольно мало
Остальное — если и не совсем “мусор”, то нечто, смысл чего мы понимаем мало пока...
Совокупность вот этих темно красных 1.5% (с некоторым запасом берут) называют “экзом” (exome), и в исследовательских целях часто ограничиваются только им. Это совсем немного информации — не более 60 мегабайт в компьютерных терминах. Однако для исследований и анализов чаще собирают даже еще меньше информации - про это потом.
4.Еще немного про гены
Давайте присмотримся к тем (относительно маленьким, см часть 3) участкам ДНК, которые называют “гены” (а сама эта концепция была придумана задолго до расшифровки генома, и даже расположение некоторых генов на хромосомах удавалось вычислить - впервые это сделал Альфред Стёртевант ещё в 1913!)
Информация о структуре белка - ген - записана на ДНК не подряд, а кусками, между которыми большие промежутки. Кодирующие куски (цветные) — называют экзоны, а промежутки - интроны. Интроны как правило длиннее, и сильно.
При сборке готовой для синтеза белка РНК экзоны “сшиваются” вместе, образуя матричную РНК (messenger RNA, mRNA) — по ней рибосомы синтезируют белок. Процесс “сшивания” называется сплайсинг (splicing) — и за открытие в 1970х сплайсинга, интронов и экзонов Робертсу и Шарпу дали Нобелевскую премию в 1993г.
Зачем нужны интроны толком никто не знает. В этих промежутках могут оказаться альтернативные версии экзонов, “старые” копии экзонов, участки других генов или вообще неясно что.
Теперь можно уточнить, что именно совокупность всех экзонов называют “экзом”, и очень часто при исследованиях генома аутистов (и не только) ограничиваются расшифровкой (секвенированием) только его. И зря, на мой взгляд (оно так дешевле, конечно, но с водой ребенка выплескиваем).
5. Генетикам очень нужны близнецы
Все наверное слышали про доминантные и рецессивные признаки. Ну или хотя бы смутно помнят. Знаменитые законы Менделя, которые все учат в школе.
Нам они сейчас, однако, не нужны :(. Большинство наследуемых признаков аутизма (и шизофрении, и алкоголизма, и дислексии, и многое другое — рост или IQ, например) наследуется не по менделевским закономерностям. Их природа полигенна.
Точных принципов этого мы толком не знаем; поэтому пока что пользуемся статистическими, популяционными методами.
И главный метод здесь - это близнецы.
Если у одного близнеца диагностирован аутизм, у другого он тоже скорее всего будет. Но вероятность того, что будет (она называется конкордантность, concordance) будет разной.
Для однояйцевых близнецов (MZ twins) порядка 70%
Для разнояйцевых (DZ twins) порядка 10% (хотя последние данные говорят, что больше, и сильно, про это в следующих главах)
Для просто братьев и сестер — почти так же, как и для разнояйцевых
Учитывая то, что у одних “гены” совпадают на 100%, а у других - на 50%, это создает возможность нехитрыми вычислениями выделить “вклад генов”. Его называют наследуемостью (heritability). Остальное, казалось бы - вклад среды.
Для аутизма таким образом наследуемость получается на уровне 70%. Для других наследуемых признаков - другие цифры.
Но все они немного лукавы. “Вклад генов” и “вклад среды” не независимы. Да и “одинаковость” даже однояйцевых близнецов может быть как следствием “одинаковых генов”, так и следствием одинаковой среды — жизненного опыта; они в одной утробе растут, в конце концов.
6. ACE модель
Так как найти статистически значимое количество близнецов с аутизмом (не говоря уже о близнецах, выращенных раздельно) довольно сложно, цифры плавают. На данной картинке показано, насколько сильно они изменились после публикации работы Hallmayer и коллег в 2012 году. И у них количество близнецов измерялось десятками всего (так что если ухитрятся сделать исследование на сотнях или тысячах - они еще поплывут, и уже поплыли)
Классический метод анализа таких групп называется ACE модель, которая раскладывает наблюдаемую статистику диагноза на три компонента
А - additive genetic - аддитивный генетический вклад (то есть маленькие изменения многих генов суммируются в заметный эффект)
С - common environment или shared environment - вклад от среды (считается, она более-менее одинакова у детей в одной семье)
E - unique environment или non-shared environment - влияние среды, которое уникально для каждого ребенка
Что особенно интересно в исследовании Hallmayer и коллег — это то, что у них конкордантность у разнояйцевых близнецов вышла гораздо больше, чем у просто братьев и сестер. 55% против 20%. Можно предположить, что это намекает на то, что аутизм к ним пришел через некую общую среду (компонент С), более общую, чем у просто братьев (а также указать на то, что наследуемость аутизма несколько ниже, чем принято считать) — но как уже говорилось выше, эти цифры плывут, и в последующих других исследованиях такой картины уже не читается. Оставим это как интересный, но малоподтвержденный феномен.
7. Что такое мутация?
Начнем с того, что “правильного” генокода не существует. Поэтому если у меня ген один, а у вас другой, то это не означает еще, что один из нас мутант.
Тем не менее, существуют такие изменения в генокоде, которые приводят к явным проблемам, и обычно они редко встречаются; их и называют мутации. Изменения, которые встречаются у более чем 1% населения, правильнее называть не мутации, а полиморфизмы.
Мутации можно унаследовать у родителей, или же они могут возникнуть только у ребенка — в этом случае их называют de novo.
Мутации могут возникнуть уже при развитии организма, при делении и дифференциации клеток — такие называют соматическими мутациями; их нельзя унаследовать, потому что они “живут” в клетках тела (сома), но не в половых клетках..
Наоборот, мутации, которые затрагивают половые клетки, наследуются, и их называют мутациями в зародышевой линии (germline mutations)
Мутации могут быть молчаливыми — они есть, а эффекта нет. Таких подавляющее большинство — если помните, гены занимают лишь менее 2% всей ДНК. Каждый из нас является носителем как минимум десятков таких мутаций. Если они приходятся на малозначимые участки ДНК, никто ничего не заметит.
Мутации могут затрагивать одну “букву” генокода — а могут и целый огромный фрагмент ДНК. Этот фрагмент чаще всего может быть потерян (делеция) или задвоен (дупликация) — в этом случае клетки изменят количество синтезируемых белков по затронутым генам — изменится их доза
Для разных видов мутаций существуют разные виды анализов и тестов, и мы по ним сейчас попробуем пройтись.
От больших — к маленьким
8. Анеуплодия - аномалия числа хромосом
Самая большая по размеру генетическая аномалия - изменение числа хромосом. Хотя это и не аутизм, но начать стоит с него
50 лет назад было открыто, что синдром Дауна вызывается тремя 21 хромосомами, вместо двух. Это называется трисомией; а изменение вообще числа хромосом - анеуплодией.
Помимо этого встречается трисомия 13 хромосомы (синдром Патау) и 18 (синдром Эдвардса), а также ряд анеуплодий половых хромосом (X и Y)
Все это можно разглядеть в обычный оптический микроскоп — анализ называется “кариотипирование”. Хромосомы делящихся клеток фотографируют, сортируют и описывают. На картинке виден кариотип женщины с тремя 21 хромосомами.
Эффект от трисомий огромен и заметен в очень многих процессах: и в строении тела, и в физиологических процессах, и даже по характерным белкам в крови носящей матери (именно так работают сейчас скрининговые тесты на с. Дауна)
Почему встречаются только трисомии 21, 13 и 18 и половых хромосом? Случиться это может с любой хромосомой, но остальные не выживают даже до стадии заметной беременности. Возможно причина в том, что 21, 13 и 18 хромосомы - одни из самых “бедных” белковыми генами (помните, нумерация там по размеру, они ведь еще и маленькие) и увеличение их дозы относительно переносимо. Это подтверждается таблицей ниже: на ранних фазах развития возможны любые анеуплодии, а по мере приближения к успешным родам — только вот эти 3.
9. Copy Number Variation
CNV - это тоже либо задвоение, либо отсутствие определенной части ДНК, но уже не на уровне целой хромосомы, а несколько миллионов нуклеотидов.
Для их обнаружения применяют тестирование, называемое CGH array: comparative genomic hybridization, также FISH и другие.В нашей практике часто называют также “молекулярное кариотипирование”, микроматричный хромосомный анализ и т.п.
Это все равно огромные куски ДНК, которые могут включать в себя десятки генов и управляющих структур.
Эффект от них очень заметен, почти всегда включает в себя дисморфизмы и измененения когнитивных способностей. Обозначают их по затронутому участку генокода, например 2q32 deletion - потеря участка в полоске 32 на длинной руке 2 хромосомы (вспоминаем часть 1 и “адреса” участков хромосом)
Туда же относятся и многие известные “именные” синдромы, например синдром Вильямса - 7q11.23 deletion
Такие CNV мутации, как считается объясняют от 3% до 10% случаев аутизма. Это практически единственный вид генетической аномалии, который уверенно связан с некоторыми — синдромными — формами аутизма.
Еще раз - основное, что нужно знать про CNV в аутизме: они работают в небольшой доле случаев,но их эффект заметен в очень многих аспектах, от дисморфизмов до интеллекта. Т.е. наличие дефектов в CNV почти всегда можно увидеть либо прямо на лице, либо в виде довольно очевидных нарушений типа системной гипотонии и атаксии...
10. Некоторые известные и документированные CNV
При этом наличие данных CNV не гарантирует аутизма как диагноза. Недавнее эстонское исследование группы людей без каких-либо диагнозов показало, что носители CNV 16p11.2 демонстрируют диcморфизмы головы, ожирение, нарушение когнитивных способностей - но не имеют диагноза аутизма, вопреки данным в таблице выше;
Существует онлайн-база данных CNV, вызывающих аутизм и сходные синдромы http://projects.tcag.ca/autism/
11. SNP
Теперь давайте доберемся до самых маленьких генетических вариаций, заключенных всего в одном нуклеотиде, одной “букве”
В человеческом геноме есть несколько миллионов точек, где распространены вариации в одной “букве” генокода; вокруг все стабильно, а вот в этих конкретных местах — у разных людей по разному.
Причем такие вариации почему-то почти всегда биаллельны, то есть там только два варианта “букв” из четырех, и присутствуют они у очень большой доли населения - часто один вариант у 60%, а другой - у 40%. Это не мутация, а полиморфизм, если вспомнить часть 7. (для того, чтобы SNP официально признали таковым, его распространенность должна быть не менее 1%)
То есть это не “мутации”, не ошибки. Это норма и ее варианты.
Такие вариации называют SNP (читается “снип”), обозначают номерами типа rs2320030 и их найдено и описано порядка 10 миллионов.
12. Genome-wide association studies
Анализ, показывающий какие варианты (аллели) SNP присутствуют у конкретного человека проводят на SNP чипе. Он представляет из себя пластинку, на которой “напечатаны” образцы генома человека вокруг популярных SNP, ДНК испытуемого (часто образец слюны) наносится на эту пластину и далее смотрят, куда она “прилипла”, а куда нет. Популярный анализ 23andme именно такой, и дает около 1 миллиона таких SNP. Это называется “генотипирование” и оно довольно дешево, а поэтому его применяют сейчас часто ( и часто не по делу). Дешево потому, что SNP хорошо известны, и этот анализ удобно делать на потоке, массово.
Эта доступность породила особый вид исследований, Genome-Wide Association Studies (GWAS), при которых берется группа носителей наследуемого признака, и контрольная группа, всех генотипируют, а затем смотрят, нет ли какого-нибудь SNP, который бы у первых был в одном варианте, а у вторых - в другом.
Проблема здесь в статистике: так как SNPов миллионы, велика вероятность того, что мы увидим связь там, где её нет: просто например, на группе в 30 аутистов найдется такой SNP который 30 раз выпадет “правильно” у них. Если монетку бросить миллион раз, она и на ребро встанет :) С этой проблемой можно бороться статистическими же методами, и бороться успешно. Однако в целом GWAS результаты для аутизма отвратительно реплицируются.
13. Что означает наличие SNP
Эффект от одного или другого варианта SNP как правило мизерный. По другому и быть не может, так как они все по определению очень распространены в популяции.
Однако есть заболевания (например муковисцидоз) для которых определяющими являются именно они (но как правило не в одном SNP: обычно наличие “плохого” варианта статистически повышает риск расстройства, скажем, на 2%)
Ни одного SNP, связанного хоть сколь-нибудь значимо с аутизмом, не найдено. Кстати, те, что связаны хоть сколько-нибудь - как правило, сидят не в генах, а в управляющих элементах ДНК - т.е. не в экзоме.
Поэтому все тесты, которые используют SNP генотипирование и рассчитывают значимый “риск аутизма” — шарлатанство скорее всего. Есть не мало сайтов, предлагающих загрузить результаты 23andme и получить “персональные” рецепты лечения аутизма. Самый знаменитый - это “доктор” Yasko, продвигающий рецепты от MTHFR “мутаций”.
Шарлатанство. Еще раз, это не мутации. MTHFR — важный ген в фолатном обмене, и он вероятно связан с аутизмом, но не на SNP уровне это искать.
Справедливости ради надо сказать, что комбинация SNP (сотен разных снипов, каждый из которых дает мизерный вклад, но в сумме набирается что-то существенное) кажется способна объяснить шизофрению (в отличие от аутизма) — что пытаются выявить почти те же люди, что делали Human Genome Project, и почти столь же титаническими усилиями. Но там речь идет именно что о сотне снипов.
14. De novo мутации
“Настоящие” мутации, не живущие постоянно в популяции, мутации, которые появляются у конкретных людей и передаются их детям (или возникают у детей), называются de novo мутациями. Они могут быть как большими участками (CNV), как маленькими вставками и удалениями (indels) так и отдельными “буквами”. Этот пост про последние два вида.
Для их обнаружения тесты на дешевых чипах непригодны, геном надо читать подряд, или, как это называется, секвенировать (sequencing). Можно читать как весь геном вообще — whole genome sequencing (дорого), так и только экзом, только часть, кодирующую белки — exome sequencing, (относительно недорого, $1000 за человека). Соответственно, в клинической практике оно не применяется почти совсем.
Таких de novo мутаций в принципе довольно много — каждый из родителей передает ребенку не менее 100 таких, но только малая часть выпадает на значимые места ДНК.
Свежие уважаемые публикации (Iossifov и коллеги 2012) оценивают ключевой вклад de novo мутаций в приблизительно 10% случаев аутизма.
Если вы были на конференции в мае, там был доклад Nagwa Meguid о “Новом гене и уникальной форме аутизма” — ровно такой случай, de novo мутации (различные) в гене BCKDK.
Однако и в этой простой истории: вот мутация, вот она затронула ген, важный для работы мозга, вот мы продемонстрировали, что этот ген влияет на аутизм — есть большая загадка. Если, в отличие от Ивана Иосифова исследовать семьи не с одним, а с двумя аутистами, как это сделал Yuen и коллеги в этом году, то оказывается, что они ухитряются брать разные мутации от одних и тех же родителей.
15. Обобщаем и классифицируем виды “мутаций”
В предыдущих частях мы кратко прошлись по различным видам генетических вариантов в ДНК.
От больших по размеру, как правило имеющих заметный эффект, до совсем маленьких.
И правило здесь такое:
- большие по размеру аномалии как правило редки, но имеют заметный эффект на многие аспекты фенотипа
- маленькие варианты часто распространены в популяции, но каждая из них имеет мизерный эффект
Это можно суммировать на диаграме типа вот такой, где по горизонтали - распространенность аллели (генетического варианта), от редких к частым, а по вертикали - проявленный эффект у носителей.
Надо отметить, что для аутизма и шизофрении даже самые “сильные” CNV не имеют менеделевского эффекта, обычно повышая риск развития клинически определяемого заболевания с 1% до 3% - 10%. Это называется incomplete penetrance. Можно быть носителем известного “шизофренического CNV”, можно иметь дизморфизмы и отклонения в эндокринной системе, характерные для него, но не иметь шизофрении, хотя и обнаруживать некоторые субклинические отклонения.
Соответственно, индивидуальный эффект от полиморфизмов типа SNP вообще мизерный и почти не имеет практического значения для диагностики аутизма.
16. Необъяснимая наследуемость
Обобщить и сопоставить известный эффект от генетических вариаций и их распространенность можно и по другому. Сопоставляя данные о наследуемости аутизма с данными о конкретных генетических аномалиях и их наблюдаемом эффекте, то можно прикинуть, сколько из наблюдаемой у близнецов “генетической” наследуемости мы способны объяснить.
Совсем недавно это проделала уважаемая группа Джозефа Буксбаума и опубликовала в прошлом году результаты в Nature Genetics. Результат можно видеть на диаграмме. На мой взгляд, это самая важная диаграмма по генетике аутизма на настоящий момент.
Что характерно, около 40% предполагаемого “генетического” вклада в аутизм остается необъяснимым (unaccounted). Не то, чтобы в остальных 60% все было понятно — но там хотя бы статистика сходится между собой, а тут — в голубом этом секторе — даже гипотез толком нет, что это за генетический механизм может быть.
Это называется проблема необъяснимой наследуемости (missing heritability). Оптимисты от генетики (Brandler&Sebat 2015) считают, что необъяснимую наследуемость удастся объяснить после массового применения полного секвенирования генома в исследованиях (если помните, секвенируют сейчас в основном только экзом, из финансовых соображений) — но таких исследований пока мало, пальцев одной руки хватит пересчитать.
Вот вкратце и все, что генетика (сожравшая львиную долю финансирования исследований аутизма) может сегодня нам сказать. Это очень познавательно и интересно, но в целом мало полезно практически, увы.
Позитивная часть истории заключается в том, то если в конкретной форме аутизма обнаружена генетическая природа — то понятно как её лечить или хотя бы помогать такому ребенку, аналогично фенилкетонурии (или той форме с BCKDK мутацией из доклада Nagwa Meguid из Египта). Это будет “откусывать” доли процента от всех детей с аутизмом, но по крайней мере им можно будет существенно и осмысленно помочь.
17. Эпигенетика
Эпигенетика сейчас — модная тема. Кто-то говорит, что это “опровергает” Дарвина, что Ламарк был прав, Лысенко, простите, тоже выходит был прав, что эпигенетическое “наследование” объясняет все подряд и т.п. Если серьезно, многие из результатов эпигенетики интересны для понимания аутизма, и давайте попробуем разобраться с ними.
Концепция генов была придумана и разработана задолго до открытия ДНК, и едва ли ни сразу же, после изящных экспериментов над зародышами морских ежей, стало ясно, что кроме генов есть что-то еще. И даже сам термин “эпигенетика” зародился где-то еще в 1940х.
Что же это “что-то еще”? Довольно простая вещь. Хромосомы, а вместе с ними и геном, одинаковы во всех клетках тела, но клетки разных тканей синтезируют разные белки: клетки кожи производят много кератина, только клетки поджелудочной железы синтизеруют инсулин и т.п.
Т.е. гены у всех одинаковы, но уровень их активности (говорят “уровень экспрессии”) — разный в разных тканях. Причем по мере деления клеток кожи, будущих клеток мозга (нейробластов) и т.п. этот профиль экспрессии сохраняется.
Осознание этого свойства необходимо привело к гипотезе о каких-то “пометках на полях” — какие части ДНК должны работать больше, какие меньше, а какие надо вообще выключить от греха; и эти пометки на полях должны сохраняться по мере деления клеток тканей.
Их и назвали эпигенетической “надгенной” информацией.
И только лет 20 назад впервые стало понятно, что они и вправду есть на молекулярном уровне и действительно являются “пометками на полях” — они не влияют на последовательность нуклеотидов в геноме, но “навешиваются” на ДНК и влияют на экспрессию генов; наиболее известные из таких молекулярных “пометок” — это метиловые группы, присоединяющиеся прямо к ДНК, или маркеры на гистоновых “хвостах” — на “бобинах” на которые ДНК наматываются.
Adrian P. Bird, Howard Cedar и Aharon Razin чуть было не получили Нобеля в 2013 году за открытие этих маркеров, но, увы, не получили...
18. Эпигенетика: Метилирование ДНК
Одним из самых изученных видов эпигенетических маркеров является добавление метиловых групп к так называемым “CpG островам”.
Что это такое? Если помните, цепочку ДНК составляют 4 нуклеотида C, G, A и T, где C - это цитозин. Вот к цитозину можно, как оказалось, добавить метиловую группу - CH3, см. схему. Обычно не где попало, а там, где C соседствует с G — ”СpG остров”. Это добавление не меняет генокода. Метиловую группу можно потом снять. Но если ДНК вот таким образом помечена — метилирована — этот участок не будет транскрибироваться. Метилированые гены “выключены”. Это и есть те самые молекулярные “пометки на полях”
Считается, что дифференцированные соматические клетки — клетки кожи, мышц или нейроны, имея одинаковую ДНК, отличаются именно метилированием. У них “включены” и “выключены” разные гены. При делении клеток эти пометки сохраняются — за это отвечает специальный энзим, ДНК метилтрансфераза — она переносит эти метиловые маркеры на вновь синтезированную ДНК, так что у дочерних клеток сохраняется статус “включенных” и “выключенных” генов.
Изучить метилирование клеток можно путем так называемого бисульфитного секвенирования. Однако часто определяют лишь “среднюю температуру по больнице” - общий уровень метилирования всей ДНК или её крупных участков. Даже таким образом можно заметить, например, что раковые клетки имеют сниженное метилирование. Популярны исследования уровня метилирования и у аутистов, но к этому мы еще вернемся.
19. Эпигенетика: Импринтинг и синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана
В норме каждый ген мы получаем в двух копиях: от мамы и от папы. (X/Y хромосомы не в счет). И обычно если эти гены работают, то работают оба. Если вдруг мамина и папина версия различаются, то половина белка будет синтезироваться в папиной редакции, половина — в маминой.
Однако есть такие гены, которые несут в себе такие эпигенетические “указания”, что работает только папина или только мамина версия. Т.е. изибирательно выключен участок либо отцовской, либо материнской ДНК. Почему — ученые не смогли объяснить толком, но название придумали и назвали “импринтинг”.
Импринтинг нам интересен из-за его роли в развитии и росте, что обычно иллюстрируют двумя синдромами, Angelman и Prader-Willi.
Оба вызываются крупным удаленным куском ДНК на 15 хромосоме. То есть это Copy Number Variation, CNV (см. части 9 и 10)
Однако для обоих это один и тот же CNV, 15q11-13 !!!
Разница в том, что для синдрома Prader-Willi поражена должна быть отцовская хромосома, а для Angelman - материнская. А проявления — разные (на фото мальчик слева - P-W, справа - А), хотя в обоих случаях явная картина нарушения развития и роста (синдром P-W даже пытаются компенсировать курсом гормона роста)
Этот участок, 15q11-13 является зоной импринтинга (ICR - imprinting control region). Из каких-то соображений в нем контролируется экспрессия материнских/отцовских генов.
Отсюда такая чувствительность к тому, чья хромосома оказалась с удаленным куском. Этот драматический пример двух синдромов — классическая иллюстрация эпигенетических механизмов.
Таких ICR регионов в нашем геноме немало. До 2010 года считалось, что их несколько десятков, сейчас же уже идут споры, что их могут быть тысячи (Gregg et al 2010).
И считается, что они играют явную роль именно в развитии организма (кажется, в основном в эмбриологическом развитии).
Это сейчас весьма передний край науки, до выводов еще не добрались. Но корни отклоняющегося развития в аутизме, весьма возможно, кроются где-то рядом.
20. Germline — зародышевая линия
Для последующего разговора о возможном эпигенетическом наследовании признаков и опыта родителей, нам нужно подробно разобраться с понятием germline — или зародышевой линии, как это несколько неуклюже по-русски называется.
Смотрите: первое время после оплодотворения, на первых делениях зародыша, его клетки еще не дифференцированы, их называют стволовыми. Внутреняя масса бластоцисты их в основном и содержит. Затем, после имплантации и гаструляции, и формирования зародышевых листков (эктодерма, энтодерма и мезодерма) — клетки будут дифференцированы, и из них в конечном итоге разовьются клетки тела (соматические клетки). Из эктодерма разовьется вся нервная система и головной мозг, а также кожа. Из мезодерма — мышцы с костями и связками. Из энтодерма — кишки, легкие и органы слуха. После дифференциации-разделения их пути не пересекутся.
Кроме прочего, из эктодерма развиваются также и будущие половые клетки. Их называют первичные половые клетки, primordial germ cells, или PGC. Их потом ждет довольно сложная миграция внутри зародыша, но нам сейчас важно лишь отметить, что они возникают очень рано — в середине пятого дня зародыша мыши на этой диаграмме, или на второй неделе у человека.
Т.е. зародышевая линия клеток, которые будут формировать потомство, начинается еще когда родитель в утробе.
21. Бабушки “виноваты”?
Это раннее возникновение зародышевой линии настолько важно, что на этом стоит остоновиться подробнее. Напоминаю, что PGC — это primordial germ cells, первичные половые клетки, см. предыдущую часть.
Посмотрите: те клетки — PGC, которые или прямые потомки которых сформировали ваше тело, уже присутствовали, с большей частью своих мутаций, жили и взаимодействовали так или иначе с окружающим миром еще когда ваши бабушки носили ваших родителей! В этот момент — на протяжении почти всей беременности — одновременно сосуществуют три поколения организмов.
Это несколько контринтуитивно на первый взгляд, и довольно непросто отличить от “наследования”.
Например, трудноукротимая склонность к полноте у меня и у сестры может иметь “наследственную” природу - мы “унаследовали гены полноты”, а может и объясняться чем-то, что испытала наша бабушка, когда носила нашу маму в 1942 году. Подобные связи через поколение мы еще обсудим в будущих частях — их очень часто причисляют к к доказательствам эпигенетического наследования, хотя не факт, что оно тут есть.
На практике это может означать, что исследовании истории происхождения аутизма надо начинать минимум с поколения бабушек (и дедушек , про это тоже позже). И это не “наследственность”, ну или не обязательно наследственность — это прямой опыт PGC линии клеток, идущий со времен, когда ребенок еще не родился. Одним из факторов формирования аутизма у ребенка, родившегося в 2008, к примеру, году, могут быть не прививки, которые он получал или не получал в 2008, а особенности беременности, препараты или прививки, которые получали его родители и бабушки.
Важное примечание: последнее утверждение (почти) не основано на убедительном исследовании или иных установленных научных фактах. Это спекуляция, основанная на них — аутизм пока так исследовали мало, но это вполне повод задуматься о таких транспоколенческих связях, почему я и счел возможным про это рассказать.
22. Эпигенетическое репрограммирование
Идея об эпигенетической передаче признаков - фенотипа очень привлекательна в последнее время. Предполагается, что она может быть гораздо более динамична, чем изменения в ДНК, для которых требуются сотни, а на самом деле тысячи лет для распространения в популяции. Кажется, что эпигенетическая информация может повлиять на потомство за одно-два поколения. И это настолько привлекательно, что я просто обязан написать эту часть, чтобы охладить пыл.
Надо понимать, что на этом пути наследование есть довольно существенное препятствие (см. обзор Эдифь Хёрд). Основной механизм записи и передачи эпигенетической информации, про который мы хоть что-то сейчас понимаем — метилирование ДНК (часть 18) — подходит для этого слабо.
Дважды на протяжении цикла зародышевой линии — от сперматозоида и яйцеклетки до новых спертматозоидов и яйцеклетки — эта информация “очищается”;
Это можно продемонстрировать на графике выше — линии показывают общий уровень метилирования ДНК на разных стадиях жизни зародышевой линии — и там отмечаются два провала, когда почти вся такая информация удаляется. Называется Эпигенетическое репрограммирование.
На этом же графике можно видеть, что происходит это довольно хитро и не везде одинаково, но в общем и целом “заметки на полях”, предположительно несущие опыт родителей и зародышевой линии потомства — действительно очищаются. Это немного подкашивает теорию Ламарковского наследования, в которую уже почти поверили поклонники эпигенетики.
Справедливости ради отметим, что у растений все устроено иначе, и там эпи-наследование существует и известно уже давно (см. ту же Хёрд). Также, всего несколько лет как, но известны и некоторые участки ДНК мышей, которые “ускользают” от репрограммирования. А в этом году появились сообщения и про людей.
Но в целом пока надо признать, что внятного молекулярного механизма эпигенетического наследования описать не удалось
23. Мозаицизм в коре головного мозга
При копировании хромосом в делящихся клетках ДНК очень надежно копируется — поразительно надежно для молекулярного механизма. Это достигается в том числе и специальными белками, исправляющими ошибки копирования. Круто.
Некоторое время назад считалось, что этот механизм крайне надежен, и вообще почти не ошибается, и все клетки тела, получившиеся из оплодотворенной яйцеклетки, несут одинаковую ДНК. Генокод всех соматических клеток одинаков. Для исключений, когда соматические клетки в результате какой-то катастрофы вышли с мутациями, придумали термин мозаицизм
Потом выяснили, что в иммунных клетках есть специальные участки ДНК, которые могут интенсивно меняться, и именно на “мозаицизме” лейкоцитов работает иммунная память.
И уже в 2000х стало понятно, что нечто подобное происходит и в мозге, по меньшей мере в коре. Около 40% клеток коры человека содержат изменения ДНК, которые можно назвать CNV - делеции по 1 миллиону базовых пар.
Вдумайтесь — если бы такие CNV были в зародышевой линии, это с хорошей вероятностью привело бы к очень заметным синдромам и дизморфизмам. А тут это штатно мозг так мозаичен — причем эти оценки еще и занижены по технологическим причинам. В гиппокампе даже еще больше.
И делеции эти не единственный механизм подобного мозаицизма. Только что вышла статья в Cell (Wei et al) [7], в которой авторы обнаружили целых 27 регионов ДНК, где происходит интенсивное изменение генокода при развитии нервной системы. Причем все 27 попали в тела генов! (если помните, тело генов занимает менее 2% ДНК, так что это не совпадение). Этот механизм получается довольно похож на тот, что используется в адаптивном иммунитете, только здесь большинство генов про синапсы.
Вот на этом месте автор вынужден прерваться — зачем нам этот мозаицизм никто не знает (известно только, что подавление одного из таких механизмов ведет к вымиранию нервных клеток). Авторы упомянутой статьи, как всякие генетике получившие список из 27 генов, сверили его с другими списками — и конечно же, более половины из них “замечены” в аутизме. Только это уже как раз совпадение, скорее всего — в аутизме чего только не замечено.
Отмечу только, что когда такой мозаицизм случается в нервной системе но в непредусмотренных местах — получается как раз плохо, хороший обзор см. Poduri et al 2013 [6], т.е. мы имеем дело с важным природным механизмом, который пока не понимаем.
Литература
- Berg & Daniel Geschwind: Autism genetics: searching for specificity and convergence 2012
анеуплодия: Nagaoka et al: Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old problem. Nature Reviews Genetics 13, 493-504 (July 2012) | doi:10.1038/nrg3245
- Terry Hassold & Patricia Hunt: To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy. Nature Reviews Genetics 2, 280-291 (July 2012) | doi:10.1038/35066065
Copy Number Variations Rosti et al: The genetic landscape of autism spectrum disorders. Developmental Medicine & Child Neurology 56,i1, pages 12–18, 2014 doi: 10.1111/dmcn.12278
- Эпигенетика: Edith Heard & Martienssen: Transgenerational epigenetic inheritance: myths and mechanisms. 2014
- Соматические мутации: Poduri et al: Somatic Mutation, Genomic Variation, and Neurological Disease 2013
- Wei et al: Long Neural Genes Harbor Recurrent DNA Break Clusters in Neural Stem/Progenitor Cells 2016
- McConnel, Gage et al: Mosaic Copy Number Variation in Human Neurons 2013
- Erwin, Marchetto, Gage: Mobile DNA elements in the generation of diversity and complexity in the brain 2014