Мутация одного гена связана с повышенной толерантностью к алкоголю 

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в журнале The Journal of Neuroscience, предполагает, что определённый генетический вариант влияет на реакцию организмов на алкоголь. Исследование идентифицирует ген chrna3 как основной регулятор чувствительности к алкоголю и указывает на то, что дефекты в этом гене могут приводить к повышенной толерантности.

Расстройства, связанные с употреблением алкоголя, представляют собой значительную проблему для глобального здравоохранения, однако понимание биологических механизмов, лежащих в их основе, остаётся сложной задачей. Генетические исследования на людях часто связывают кластер генов, известный как CHRNA5-A3-B4, с никотиновой и алкогольной зависимостью. Этот кластер кодирует субъединицы никотиновых ацетилхолиновых рецепторов – белков, участвующих в передаче сигналов в нервной системе.

Несмотря на существование статистических ассоциаций, определение конкретного вклада гена CHRNA3 оказалось затруднительным. Модели млекопитающих, у которых этот ген отсутствует, обычно не доживают до неонатальной стадии, что лишает учёных возможности наблюдать за поведением взрослых особей, связанным с употреблением психоактивных веществ.

Исследовательская группа стремилась обойти это препятствие, используя данио-рерио – модельный организм, обладающий значительным генетическим сходством с человеком и способный выживать с мутацией. Они стремились определить, повлияет ли отключение гена chrna3 на добровольное употребление алкоголя и физиологические реакции на это вещество.

Для исследования этого вопроса исследователи использовали технологию редактирования генов CRISPR-Cas9 для создания линии данио-рерио с мутацией в гене chrna3. Эта мутация внесла преждевременный стоп-сигнал в генетический код, что привело к образованию укороченного и нефункционального белка.

Затем группа сравнила поведение этих мутантных рыб с рыбами дикого типа с полностью функциональными генами. Для поведенческих экспериментов они использовали примерно пятинедельных мальков данио-рерио. На этой стадии развития рыбы демонстрируют сложное локомоторное поведение, сопоставимое с поведением взрослых особей, но при этом позволяют проводить более интенсивные исследования.

Основным методом оценки поведения была усовершенствованная установка, называемая «Самостоятельный анализ данио-рерио». Эта установка представляла собой резервуар, разделённый на отдельные зоны. Замкнутая система слежения отслеживала перемещение рыб.

Когда рыба попадала в заданную зону стимуляции, система автоматически подала раствор, содержащий спирт. Если рыба попадала в контрольную зону, система подала воду. Такая конструкция позволяла животным самостоятельно принимать решения о потреблении алкоголя и динамически регулировать уровень его воздействия.

В ходе исследования сначала были установлены базовые показатели нормального поведения на примере диких рыб. У этих животных наблюдалась двухфазная реакция на алкоголь. При более низких концентрациях, примерно эквивалентных 0,5%, рыбы изначально проявляли влечение и проводили больше времени в зоне выдачи алкоголя.

Однако по мере увеличения концентрации или увеличения времени воздействия их поведение менялось. Когда эффективная концентрация достигала примерно 0,7%, дикие рыбы начинали избегать зоны стимула. Это говорит о том, что для типичных организмов алкоголь действует как поощрение в низких дозах, но становится аверсивным при более высоких.

Поведение рыб, мутировавших по гену chrna3, резко контрастировало с предыдущим. Как и в группе дикого типа, мутанты изначально проявляли тягу к более низким концентрациям алкоголя. Однако последующего переключения на избегание у них не наблюдалось.

Даже когда концентрация достигла значений, отпугивающих рыб дикого типа, мутанты продолжали самостоятельно вводить себе вещество. Типичный механизм отвращения, по-видимому, был ослаблен или отсутствовал. В результате рыбы-мутанты подвергались воздействию значительно больших объемов алкоголя в ходе эксперимента.

Чтобы понять физиологические причины этой разницы, исследователи провели отдельный тест на сплочённость стаи. Этот тест измеряет тревожность и седацию, наблюдая за тем, как группы рыб плавают вместе.

В нормальных условиях данио-рерио сбиваются в плотные группы или косяки, когда чувствуют тревогу. Алкоголь обычно действует как анксиолитик, снижая тревожность и разряжая стаю. В более высоких дозах алкоголь действует как седативное средство, заставляя рыб плавать медленнее.

В группах дикого типа воздействие 0,5% алкоголя привело к рассредоточению косяков, что указывает на снижение тревожности. Воздействие 1% алкоголя привело к снижению скорости плавания, что указывает на седативный эффект.

Мутанты chrna3 реагировали иначе. Они сохраняли более плотные стайные формации даже под воздействием алкоголя, что свидетельствует о том, что у них не наблюдалось такого же уровня снижения тревожности. Кроме того, они не поддавались седативному эффекту более высокой дозы. Мутанты продолжали активно плавать при концентрациях, значительно замедлявших диких рыб.

Эти поведенческие данные свидетельствуют о том, что функциональный ген chrna3 действует как регуляторный тормоз. По-видимому, он опосредует аверсивный и седативный эффекты алкоголя, которые обычно ограничивают его потребление. Без этого генетического тормоза ослабевают отрицательные обратные связи, препятствующие чрезмерному потреблению алкоголя. Мутанты фактически продемонстрировали более высокую толерантность к этому веществу, требуя более высоких доз для возникновения поведенческих изменений, которые быстро проявлялись у нормальных рыб.

Исследователи также проанализировали профили экспрессии генов во взрослом мозге для выявления молекулярных изменений. Они секвенировали РНК из целого мозга рыб как дикого типа, так и мутантных. Анализ показал, что потеря функции chrna3 запускает широкомасштабные компенсаторные изменения. Уровень экспрессии примерно 1600 генов значительно изменился.

Среди наиболее заметных изменений были изменения в генах, ответственных за другие нейромедиаторные системы. Изменилась экспрессия рецепторов глутамата, основного возбуждающего нейромедиатора, и ГАМК, основного тормозного нейромедиатора.

Это указывает на то, что мозг пытался восстановить баланс своих сигнальных сетей в условиях отсутствия нормальной холинергической активности. Кроме того, исследование выявило снижение экспрессии других генов в том же кластере, в частности, chrna5 и chrnb4. Это говорит о том, что функция этих субъединиц рецептора тесно скоординирована, и дефект одной из них может привести к нарушению работы всей системы.

Исследование имеет определённые ограничения, затрудняющие интерпретацию результатов. Мутация присутствовала во всех клетках данио-рерио, что не позволяет исследователям точно определить область мозга, ответственную за это поведение.

Хотя исследование затрагивает весь мозг, за реакции влечения и отвращения, вероятно, отвечают определённые нейронные сети. В разных частях исследования исследователи использовали молодь и взрослых рыб, и, хотя их мозг схож, различия в развитии могут играть свою роль.

Дальнейшие исследования направлены на изучение этих специфических нейронных механизмов. Команда планирует выяснить, коррелируют ли аналогичные варианты гена CHRNA3 человека с изменением чувствительности к алкоголю у людей.

Они также намерены изучить взаимодействие между различными генами в кластере, чтобы понять, как они в совокупности влияют на риск развития зависимости. Разработка моделей с мутациями в нескольких генах поможет расшифровать сложную генетическую архитектуру расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ.