Ученые обнаружили скрытые генетические признаки, помогающие объяснить аутизм

Фото из открытых источников

Ученые обнаружили ранее незамеченные последовательности ДНК, которые могут помочь объяснить аутизм, выявив генетические изменения, не выявляемые при обычном тестировании. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Ученые связали сотни генетических изменений с аутизмом, однако генетическое тестирование позволяет выявить причину лишь примерно в 15 процентах случаев. Новое исследование предполагает, что некоторые из недостающих ответов могут скрываться в ранее неизученных участках ДНК.

Бенджамин Бленкоу из Центра Доннелли при Университете Торонто руководил этой работой совместно с Куэйдом Моррисом из Онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга. Бленкоу также работает в Королевском колледже Лондона и Институте Фрэнсиса Крика. Результаты представляют собой компьютерные прогнозы, проверенные на тысячах геномов разных семей, и клинических испытаний пока нет.

Ген не считывается напрямую. Клетки копируют его в рабочий сигнал, затем вырезают некоторые фрагменты и сохраняют другие, поэтому один ген может производить немного разные белки в разных тканях. Некоторые из этих сохранившихся фрагментов, называемые микроэкзонами, имеют длину всего от трех до 27 букв ДНК. Несмотря на свой крошечный размер, они могут влиять на функционирование белков в головном мозге.

Нейроны используют микроэкзоны гораздо чаще, чем другие клетки, и одни и те же микроэкзоны встречаются у всех позвоночных. Лаборатория Бленкоу уже обнаружила, что мозг людей с аутизмом часто использует их неправильно.

Мыши, у которых работает только один экземпляр основного выключателя, демонстрируют поведение, сходное с аутизмом. Ни у кого не было полного списка. В большинстве предыдущих поисков использовались целые ткани мозга, что могло привести к пропуску фрагментов, которые используются только определенными типами нейронов.

Гильермо Парада, научный сотрудник лондонской группы Бленкоу и соавтор исследования, разработал инструмент, который сканирует данные РНК, рабочие копии генов, на наличие фрагментов в форме микроэкзонов. Он проанализировал более 100 терабайт общедоступных данных. Он также включил данные из ядер отдельных клеток, поэтому фрагмент, используемый только одним типом нейронов, всё равно мог обнаружиться.

В ходе сканирования было исследовано 4790 образцов человеческой ткани и 47380 отдельных ядер из коры головного мозга. Было обнаружено 1514 микроэкзонов человека, которые не были указаны ни в одном каталоге, и 292 из них используются в нервных клетках иначе, чем в других местах. Аналогичный поиск у мышей выявил еще 1115.

Многие из новых фрагментов, чаще, чем известные, вставляют стоп-сигнал, который заставляет клетку уничтожить сообщение, а не изменять белок. Это дает нейронам способ подавить активность гена.

Следующий вопрос касался того, что дает нейрону сигнал о необходимости сохранения микроэкзона при редактировании сообщения, необходимого для синтеза белка.

Парада и соавтор Ханнес Бретшнайдер совместно с Моррисом обучили модель машинного обучения на примерно 1800 известных нейрональных микроэкзонах и 91 920 похожих участках, которые клетки не используют. Он считывает 300 букв с каждой стороны фрагмента и оценивает вероятность того, что нейрон его использует.

Затем команда изменила каждую букву в этих окнах на компьютере и зафиксировала, как изменился счет. Наиболее важные позиции соответствовали ДНК, которую эволюция сохранила неизменной у всех позвоночных.

«Меня удивило, что последовательности, которые модель определила как важные, очень точно соответствуют тем, которые сохранились на протяжении всей эволюции позвоночных», — сказал Парада.

Модель также указывала на короткий фрагмент, расположенный непосредственно перед некоторыми из них, как на сигнал к исключению этого фрагмента. В клетках мышей снижение уровня связывающегося с ними белка QKI приводило к более частому появлению этих микроэкзонов.

Создав свою модель, исследователи смогли изучить, как генетические изменения, обнаруженные у людей с аутизмом, могут нарушать способ использования микроэкзонов нейронами. В сотрудничестве со Стивеном Шерером и Бреттом Тростом из Детской больницы они применили этот метод к целым геномам из трех крупных коллекций.

У двоих из них вместе было 2666 пар братьев и сестер, в которых один из них страдал аутизмом, а другой — нет. Редкие изменения, наблюдаемые менее чем в 1% референсных геномов, имели более значительные прогнозируемые последствия, чем распространенные. Одна и та же подгруппа микроэкзонов оказалась затронутой во всех трех коллекциях.

«Используя нашу модель, мы смогли показать, что редкие генетические варианты, как правило, оказывают наибольшее прогнозируемое влияние на сплайсинг нейрональных микроэкзонов», — сказал Бленкоу.

Результаты показали, что у братьев и сестер с аутизмом было больше прогнозируемых генетических нарушений, чем у их братьев и сестер без аутизма. В трех коллекциях в общей сложности содержались данные о 25 132 людях из 7 391 семьи, и в этой группе 72 генетических варианта были связаны с диагнозом аутизма.

Они были обнаружены у 2,5% участников с аутизмом и ни у одного из их здоровых братьев и сестер. Хотя эти варианты были обнаружены лишь у небольшого процента участников с аутизмом, они предлагали потенциальные объяснения случаев, когда предыдущее генетическое тестирование не выявило причины.

Среди носителей этих вариантов генов у 82 процентов ранее не была выявлена генетическая причина заболевания. Затронутые гены сосредоточены в синапсах — местах соединения нейронов, передающих сигналы, — и некоторые из них уже были включены в списки генов, связанных с аутизмом.

Практически всё это — предсказания. Команда протестировала несколько отмеченных вариантов на выращенных в лаборатории человеческих нейронах, и это действительно изменило способ использования микроэкзона.

Выявленный вариант также не является диагнозом. Более трети участников исследования, независимо от наличия аутизма, имеют как минимум одно изменение, которое, как предполагается, влияет на микроэкзон. Те, которые были связаны с аутизмом, представляли собой редкие случаи с большим прогнозируемым влиянием.

Модель усвоила свои правила на основе известных микроэкзонов, и только 59 из новых человеческих фрагментов следовали им, поэтому другие могут подчиняться коду, которого у нее еще нет. И лишь 12 процентов новых специфичных для мозга человеческих фрагментов имеют четкое соответствие у мышей, что ограничивает возможности проверки в экспериментах на мышах.

Вопрос о том, как повреждение микроэкзона изменяет белки, которые синтезирует нейрон, остается открытым.

«Что касается дальнейших исследований, то важно будет понять, как поврежденные микроэкзоны влияют на взаимодействие белков, имеющих важное значение для развития и функционирования нервной системы», — сказал Бленкоу.

Команда опубликовала свой прогноз для каждого обнаруженного варианта, чтобы другие группы могли сравнить его с новыми геномами. Это включает геномы людей, страдающих шизофренией или эпилепсией, у которых также могут быть нарушены микроэкзоны.

Полученные результаты позволяют предположить, что некоторые недостающие генетические объяснения аутизма могут заключаться не в самих генах, а в упущенных из виду последовательностях ДНК, которые помогают определить, как эти гены используются.