Новый взгляд на геномные мутации

Опираясь на исследования в рамках международного проекта PSychCNV, заведующая лабораторией клинической генетики Научного центра психического здоровья РАМН доктор биологических наукВера ГОЛИМБЕТ рассказывает о современных подходах к генетической природе шизофрении и аутизма.

Генетическая природа таких тяжелых психических заболеваний, как шизофрения, биполярный психоз, аутизм, уже не вызывает сомнений ни у психиатров, ни у самих исследователей, работающих в области биологической психиатрии. За последние годы ученые собрали большой и убедительный материал на базе исследования семей, в которых неоднократно встречаются случаи заболевания. Были исследованы пары монозиготных (однояйцовых) и дизиготных (двуяйцовых) близнецов. Работы специалистов показали, что вклад генетических факторов в развитие заболевания достаточно высок (60-80%) и явно превышает вклад средовых факторов.

Частота возникновения аутизма и заболеваний аутистического спектра в популяции составляет 0,3-0,6%, а уровень заболеваемости у братьев и сестер больных детей значительно выше (2-8%). Приведу еще цифры: конкордантность развития заболевания у близнецов составляет в случае заболеваний аутистиче-ского спектра (синдром Аспергера, дезинтегративные расстройства, синдром Ретта) 90% у монозиготных близнецов и 0-10% у дизиготных пар. Риск заболевания биполярным расстройством в популяции равен 0,3-1,5%, а среди родственников больных он гораздо выше -более 20%. Шизофрения может возникнуть в 0,6-2% случаев у людей, не имеющих наследственной отягощенности по психическим заболеваниям. У родственников первой степени родства величина такого риска возрастает уже до 9-13%. Самый высокий риск шизофрении мы отмечаем у индивида из близнецовой пары, в которой один из близнецов уже имеет это заболевание (28-48% по разным данным), и у ребенка, родившегося от двух пораженных родителей (36-46%).

Как найти конкретный ген?

В рамках научной парадигмы, разделяемой многими учеными, занимающимися исследованиями в области психиатрической генетики, в основе перечисленных болезней лежит не один ген, эффект которого может быть очень большим, а несколько генов. Эффект каждого из этих генов пусть и небольшой, но при их сочетании друг с другом, а также при взаимодействии с факторами окружающей среды запускается механизм, лежащий в основе аутизма, биполярного расстройства или шизофрении.

Поиск конкретных генов - достаточно сложный процесс. В его основе лежит явление мейотической рекомбинации (перераспределение генетического материала родителей в процессе клеточного деления) или кроссинговера, во время которого родительские хромосомы сближаются и между ними происходит обмен гомологичными участками ДНК. Чем ближе гены находятся друг к другу, тем выше вероятность их совместного наследования или, иначе говоря, сцепления. Для поиска гена заболевания ученые используют так называемые полиморфные маркеры, которые могут быть сцеплены с этим геном. Маркеры представляют собой участки генома, отличающиеся у разных индивидов. Например, это могут быть участки, содержащие различное число повторяющихся нуклеотидных последовательностей небольшой длины (от 2 до 100 нуклеотидов), или маркеры, отличающиеся заменой одного нуклеотида в последовательности ДНК на другой. Молекулярно-генетические методы позволяют выявлять такие участки по всему геному и сопоставлять их у больных и здоровых людей. Если какой-либо вариант чаще наследуется при заболевании, то предполагают, что он сцеплен с геном, который имеет отношение к развитию этого заболевания.

В настоящее время технологические достижения в молекулярной биологии позволяют исследовать изменения нуклеотидной последовательности генома человека с использованием нескольких сотен тысяч таких маркеров. Это оказалось возможным благодаря осуществлению грандиозной международной научной программы «Геном человека», цель которой заключалась в полной расшифровке нуклеотидной последовательности генома. Проект, который длился более 10 лет, был успешно завершен в 2000 г. В период 2002-2006 гг. был реализован еще один международный проект, получивший название HapMap. В его рамках создана база данных полиморфизмов в геноме человека, которая в настоящее время является источником важных сведений в процессе поиска генов, ассоциированных с широко распространенными заболеваниями, в том числе и психическими.

Книга с уникальной информацией

В то же время оказалось, что описанные выше изменения в последовательности ДНК вносят хотя и существенный, но не исчерпывающий вклад в развитие психических болезней. В 2006 г. в журнале Nature была опубликована статья под названием «Глобальные вариации числа копий в геноме человека», выполненная большим международным коллективом авторов из институтов США и Великобритании под руководством английского исследователя Р.Редона. Был разработан специальный метод, который можно назвать субмикроскопическим, так как в отличие от микроскопа, с помощью которого изучают хромосомы, он позволяет выявлять изменения на уровне нескольких тысяч пар нуклеотидов, что соответствует примерно длине одного гена. С использованием этого метода было проведено картирование геномов 270 человек, относящихся к различным расам. Во всех изученных геномах ученые обнаружили новый тип вариаций, которые представляли собой значительные по длине (от нескольких тысяч до нескольких миллионов пар нуклеотидов) дупликации и делеции фрагментов ДНК. Таких участков в геноме было найдено примерно полторы тысячи. Протяженность их оказалась довольно большой - в целом, по оценке авторов работы, она составляла до 12% всего генома. Таким образом, вклад этих последовательностей в вариативность генома сопоставим с вкладом однонуклеотидных полиморфизмов или даже превышает его. При этом каждый человек обладает уникальным, только ему присущим набором копий. Участки получили название copy number variations (вариации числа копий) или сокращенно - CNVs. Авторы предположили, что роль таких фрагментов в функционировании генома может быть весьма значительна: ведь, судя по их длине, они могут включать в себя отдельные гены. Иначе говоря, в данных участках может появиться лишняя копия гена при дупликации, а при делеции, наоборот, одной копией гена становится меньше. Всё это поставило под сомнение одну из важных аксиом биологии, согласно которой большинство генов присутствует в организме в двух копиях, достающихся индивиду от отца и матери. Вариабельные участки могут изменять активность гена, встраиваясь в его нуклеотидную последовательность или выпадая из нее и, таким образом, вызывая ее разрыв.

Описывая важность своего открытия для будущего геномики - раздела молекулярной генетики, посвященного изучению генома и генов живых организмов, авторы работы образно сравнили геном с текстом книги, содержащим уникальную для каждого индивида информацию о его собственной жизни. Если однонуклеотидные полиморфизмы и короткие последовательности ДНК - это буквы и предложения, то вариации копий генов представляют собой параграфы или даже целые страницы текста. Причем эти фрагменты текста могут содержать крайне важную информацию в области эволюции и медицины. Например, генетические различия между людьми оказались значительно более существенными, чем предполагалось ранее. До последнего времени геномы любых двух представителей человеческого рода считались идентичными на 99,9%. Новые данные позволяют снизить показатель до 90%. Более значимой оказалась и разница между человеком и его ближайшим родственником - шимпанзе. С учетом новых данных их геномы совпадают не на 99%, а только на 96%.

Было предположено, что обнаруженные участки содержат большое число генов, а также локусы, связанные с различными заболеваниями, и функциональные элементы. Более того, оказалось, что ряд мутаций, обусловленных CNVs, могут не только наследоваться, но и возникать de novo. Этот факт обнаружили при сравнении геномов ребенка и его родителей. Несмотря на такую непреложную истину, что мы наследуем одну копию каждого гена от отца и одну от матери, выяснилось, что число копий у разных людей может отличаться от положенных двух и процент такой вариативности гораздо выше ожидаемого. Причины, вызывающие вариации числа копий, пока остаются невыясненными. Возможно, что CNVs возникают в тех участках генома, которые включают в себя повторяющиеся последовательности или же эти последовательности примыкают к ним в виде дублированных или многократных копий. В таких участках чаще могут возникать сбои при сближении родительских хромосом в процессе обмена генетическим материалом.

Эволюция и медицинская генетика

Несмотря на то что со времени открытия CNVs прошло всего 3 года, число работ, посвященных их исследованию, растет очень быстро. Вариации числа копий изучают с точки зрения эволюции человечества и медицинской генетики. К настоящему времени обнаружено, что CNVs могут быть причиной нескольких десятков спорадических заболеваний, вызванных геномными перестройками. Кроме того, они были найдены в семьях с моногенными наследственными болезнями. Что касается широко распространенных заболеваний, к которым относятся и основные психические болезни, то за небольшой период, прошедший со времени открытия CNVs, появились сообщения об их связи с несколькими патологиями (перечень включает 17 наименований), в том числе системными аутоиммунными и нервно-психическими заболеваниями. В данный момент проведены полногеномные исследования CNVs и ведется создание базы данных, как это было сделано ранее для полиморфизмов в рамках проекта HapMap.

Эндогенные психические заболевания (шизофрения, аутизм, биполярное аффективное расстройство) одними из первых попали в фокус исследований, направленных на поиск вариаций числа копий. Это было связано с тем, что ранее полученные данные указывали на то, что карио-типические аномалии, то есть изменения, обнаруживаемые на уровне хромосом, могут быть критическими для развития шизофрении и аутизма.

В 2008 г. была создана международная группа, в которую вошли коллективы исследователей из 7 стран (Великобритания, Исландия, Россия, Украина, Грузия, Македония и Сербия). Целью предлагаемого этой группой проекта (сокращенное название PsychCNVs) является поиск вариаций числа копий у больных аутизмом и психозами с ранним началом. Исследование предполагается провести на большой выборке, численность которой составит не менее 4 тыс. больных и 30 тыс. человек контрольной группы. В 2009 г. проект получил финансовую поддержку в рамках 7-й рамочной программы развития научных технологий Европейского союза. С помощью этого проекта были выявлены гены, связанные с такими заболеваниями, как остеопороз, болезнь Альцгеймера, тромбоз, инсульт, ожирение. Возможность эффективного поиска редких вариабельных последовательностей появилась после разработки микрочипа, который позволяет выявлять десятки тысяч последовательностей ДНК. Это уникальная разработка, включающая в себя программное обеспечение, считыватели информации, роботов, является одной из наиболее эффективных в мире для анализа вариабельных последовательностей ДНК.

На первом этапе исследования предполагается формирование группы больных шизофренией, биполярными психозами и расстройствами аутистического спектра. Для этого всеми участниками исследования будет использован унифицированный набор диагностических инструментов. Далее предполагается проведение широкомасштабного генотипирования образцов ДНК больных и людей контрольной группы с использованием технологии микрочипов, которое будет проведено в Исландии. Это позволит выявить 40 тыс. редких вариантов CNVs, потенциально представляющих высокий риск для развития исследуемых психопатологий, а также 5 тыс. распространенных CNVs и 320 тыс. однонуклеотидных полиморфизмов, связанных с умеренным риском. Далее будет отобран 1% от всех изученных вариабельных последовательностей для более подробного исследования с применением самых современных молекулярно- и цитогенетических методов. И наконец, будет сделана попытка установить причинно-следственную связь между вариантами повышенного риска и фенотипическими проявлениями. Для этого предполагается изучение экспрессии выявленных генов, которое будет проводиться российскими учеными из Научного центра психического здоровья РАМН.

Нужно сказать, что из всех стран Восточной Европы, которые участвуют в проекте PsychCNV, только в России проводятся молекулярно-генетические исследования аутизма и шизофрении. В лаборатории клинической генетики НЦПЗ РАМН собрана одна из наиболее крупных коллекций ДНК. На ее материалах получены интересные результаты, показывающие, какую роль играют гены в различных психических проявлениях человека (см. «МГ» № 54 от 24.07.2009).

Важно отметить, что с точки зрения размера исследуемой группы и эффективности молекулярно-генетических методов исследование в рамках проекта PsychCNVs не имеет мировых аналогов. Оно позволит обнаружить новые генетические варианты, связанные с риском возникновения аутизма и эндогенных психозов с ранним началом. Полученные результаты будут иметь важное значение для ранней диагностики этих заболеваний и разработки новых лекарственных средств для их лечения, а также для понимания биологических основ происхождения психических расстройств, связанных с нарушениями на ранних стадиях развития головного мозга.

Татьяна КУЗИВ, корр. «МГ».