Отключение одного ключевого гена приводит к аутичным чертам

Фото из открытых источников

Более 70 генов связаны с расстройством аутистического спектра (РАС), состоянием развития, при котором различия в мозге приводят к множеству измененного поведения, включая проблемы с языком, социальной коммуникацией, гиперактивностью и повторяющимися движениями. Ученые пытаются выявить эти специфические ассоциации ген за геном, нейрон за нейроном.

Одним из таких генов является  Astrotactin 2 (ASTN2). В 2018 году исследователи из  Лаборатории нейробиологии развития  Рокфеллеровского университета обнаружили, как дефекты белка, вырабатываемого этим геном, нарушают работу мозжечка у детей с нарушениями нейроразвития.

Теперь та же лаборатория обнаружила, что полное отключение гена приводит к нескольким характерным признакам аутизма. Как они описывают в новой статье в PNAS, мыши, у которых отсутствовал  ASTN2,  демонстрировали отчетливо отличающееся поведение от своих сородичей дикого типа по четырем ключевым параметрам: они меньше вокализовывали и социализировались, но были более гиперактивными и повторяющимися в своем поведении.

«Все эти черты имеют параллели у людей с РАС», — говорит Михалина Ханзель, первый автор исследования. «Наряду с этим поведением мы также обнаружили структурные и физиологические изменения в мозжечке».

«Это большое открытие в области нейробиологии», — говорит руководитель лаборатории  Мэри Э. Хаттен, чья работа была сосредоточена на этой области мозга на протяжении десятилетий. «Это также подчеркивает эту новую историю о том, что мозжечок имеет когнитивные функции, которые совершенно независимы от его двигательных функций».

В 2010 году лаборатория Хаттен обнаружила, что белки, вырабатываемые  геном ASTN2, помогают направлять нейроны, когда они мигрируют во время развития мозжечка и формируют его структуру. В исследовании 2018 года они изучили семью, в которой трое детей имели как нарушения нейроразвития, так и  мутации ASTN2. Они обнаружили, что в развитом мозге белки играют аналогичную направляющую роль: они поддерживают химическую связь между нейронами, выводя рецепторы с нейронных поверхностей, чтобы освободить место для вращения новых рецепторов. В мутировавшем гене белки не действуют, и рецепторы накапливаются, что приводит к пробке, которая затрудняет нейронные связи и коммуникацию. Это влияние можно было увидеть в детских недугах, которые включали умственную отсталость, задержки речевого развития, СДВГ и аутизм.

Находка стала частью растущего массива доказательств того, что мозжечок — древнейшая корковая структура мозга — важен не только для контроля движений, но и для языка, познания и социального поведения.

Для текущего исследования Ханзель хотела посмотреть, какие эффекты полное отсутствие гена  ASTN2  может иметь на структуру мозжечка и поведение. Сотрудничая с соавторами исследования Зачи Хорном, бывшим постдоком в лаборатории Хаттен, и при содействии Шиаочин Гун из Weill Cornell Medicine, Ханзель провела два года, создавая мышь с нокаутом, у которой отсутствовал  ASTN2, а затем изучала мозг и активность как детенышей, так и взрослых мышей.

Нокаутированные мыши участвовали в нескольких неинвазивных поведенческих экспериментах, чтобы сравнить их с их дикими сородичами. Нокаутированные мыши показали отчетливо отличающиеся характеристики во всех из них.

В одном исследовании ученые ненадолго изолировали детенышей мышей, а затем измерили, как часто они зовут своих матерей, используя ультразвуковые вокализации. Эти звуки являются ключевой частью социального поведения и общения мышей, и они являются одним из лучших косвенных показателей, которые есть у исследователей для оценки параллелей с навыками человеческого языка.

Детеныши дикого типа быстро звали своих матерей, используя сложные, меняющие высоту звука звуки, в то время как детеныши нокаутированного типа издавали меньше, но более короткие звуки в ограниченном диапазоне высоты.

Похожие проблемы с общением распространены у людей с РАС, говорит Ханзель. «Это одна из самых показательных характеристик, но она существует в спектре», — говорит она. «Некоторые аутичные люди не понимают метафор, в то время как другие повторяют услышанный ими язык, а третьи вообще не говорят».

В другом эксперименте исследователи проверили, как  мыши ASTN2  взаимодействуют как со знакомыми, так и с незнакомыми мышами. Они предпочитали взаимодействовать с мышью, которую они знали, а не с той, которую они не знали. Напротив, мыши дикого типа всегда выбирают социальную новизну нового лица.

Это также имеет параллели в поведении людей с РАС, с нежеланием находиться в незнакомой обстановке и встречаться с обычными людьми, добавляет Ханзель. «Это очень важный результат, потому что он показывает, что мыши с нокаутирующей мутацией не любят социальную новизну и предпочитают проводить время со знакомыми мышами, что соответствует людям с РАС, которым новые социальные взаимодействия нравятся меньше, чем знакомые».

В третьем эксперименте обоим типам мышей была предоставлена свобода исследовать открытое пространство в течение часа.  Мыши ASTN2  прошли значительно большее расстояние, чем другие мыши, и на 40% чаще проявляли повторяющееся поведение, например, кружились на месте. Как гиперактивность, так и повторяющееся поведение являются общеизвестными признаками РАС.

Когда они проанализировали мозг  мышей ASTN2, они обнаружили несколько небольших, но, по-видимому, мощных структурных и физиологических изменений в мозжечке. Одно из них заключалось в том, что крупные нейроны, называемые клетками Пуркинье, имели более высокую плотность дендритных шипиков, структур, которые отмечены синапсами, посылающими нейронные сигналы. Но они обнаружили это изменение только в отдельных областях мозжечка. «Например, мы обнаружили самую большую разницу в области заднего червя, где контролируются повторяющиеся и негибкие формы поведения», — говорит Ханзель.

Ученые также обнаружили уменьшение количества незрелых дендритных шипиков, известных как филоподии, и объема глиальных волокон Бергмана, которые помогают в миграции клеток.

«Различия довольно тонкие, но они явно влияют на поведение мышей», — говорит Хаттен. «Изменения, вероятно, изменяют связь между мозжечком и остальной частью мозга».

В будущем исследователи планируют изучить клетки мозжечка человека, которые они разрабатывали в течение полудюжины лет из стволовых клеток, а также клетки с  мутациями ASTN2, которые были пожертвованы семьей в ходе исследования 2018 года.

«Мы хотели бы посмотреть, сможем ли мы найти в клетках человека аналогичные различия, которые мы обнаружили у мышей», — говорит Хаттен. «Мы также хотим рассмотреть подробную биологию других генов, связанных с аутизмом. Их десятки, но нет согласованной общности, которая связывала бы их вместе. Мы очень рады, что смогли подробно показать, что  делает ASTN2, но есть еще много генов, которые нужно исследовать».