Гены шизофрении? Полученные данные и их патофизиологическое значение

Харрисон П., Оуэн М.

Шизофрения наследуется, но неясно, какие гены вовлечены в этот процесс. Идентификация таких генов необходима для окончательного выяснения патогенеза шизофрении, а также для разработки более эффективных методов терапии.

H. Stefansson с сотрудниками [Am J Hum Genet 2002; 71: 877-92] показали ассоциацию с шизофренией гена нейрегулина (NRG1). Другие недавние исследования описывают шесть дополнительных генов предрасположенности к данному заболеванию. Участие этих генов в патогенезе шизофрении биологически допустимо, они могут оказывать конвергентное воздействие на глутаматергический и другие синапсы. Мы рассмотрим доказательства по каждому гену, возможные патогенетические механизмы, а также значение всех этих данных.

Учитывая тот факт, что проводимые ранее повторные исследования были неудачны, к данным результатам следует относиться осторожно. Главное - это однозначное подтверждение при повторных исследованиях. Необходимо исследовать все: соответствующий вклад каждого гена, взаимодействие между их продуктами и эпистатические эффекты. Подтверждение предрасположенности какого-либо из генов к развитию шизофрении может привести к такому же быстрому прогрессу терапии, как это произошло недавно с болезнью Альцгеймера.

Коэффициент наследуемости шизофрении составляет 80%. Тем не менее поиск ассоциированных хромосомных локусов и генов идет медленно и малорезультативно. Вероятно, это связано с тем, что существуют несколько генов, каждый из которых в отдельности производит слабый эффект, действуя в совокупности с эпигенетическими и средовыми факторами. Исследования также осложняют некоторые практические трудности, особенно недостаток моногенных (менделирующих) форм и отсутствие методов диагностики нейропатологических или других биологических маркеров синдрома (синдромов) [1]. Несмотря на это, постепенно накапливаются проверенные повторными экспериментами данные о сцеплении с несколькими хромосомными локусами. Двухфакторный мета-анализ выявил локусы 8р и 22р, а также 2, 3р, 5q, 11q, 13q и 20р [2,3]. В нескольких статьях, опубликованных в последние месяцы, описываются 7 генов, которые гарантированно можно назвать "генами шизофрении". Один из оппонентов назвал такой прогресс "действительно знаменательным событием в истории психиатрии" [4]. Безусловно, доказательством значения этих генов прежде всего являются прочные статистические данные, а также их допустимость с точки зрения нейробиологии, поскольку контролируемые ими процессы вовлечены в патогенез заболевания.

Текущие исследования

Большинство исследований акцентировались на участках хромосом, выявленных ранее, и использовали различные методы, чтобы выявить конкретный участок сцепления, идентифицировать однонуклеотидные замены (SNP) внутри этого участка, найти их ассоциацию с шизофренией и идентифицировать гены-кандидаты, содержащие ассоциированные SNP и гаплотипы (комбинации SNP).

Исландская фирма deCODE Genetics первой провела широкомасштабное исследование генома, подтвердившее информацию о сцеплении с шизофренией 8 хромосомы (8р). Затем ученые идентифицировали несколько маркеров в гене нейрегулина 1 (NRG1), образующих основной гаплотип, показавший значительную ассоциацию (относительный риск 2.1) с шизофренией [5]. Почти идентичный паттерн был обнаружен и в популяции Шотландии [6].

Straub с коллегами [7] изучали в ирландских семьях сцепленный участок внутри широкой области сцепления 6р и использовали семейный ассоциативный анализ SNP и гаплотипов для идентификации гена дисбиндина (DTNBP1). Очень важные ассоциации были найдены для SNP в 4, 5 и 6 интронах. Исследование, проведенное в Германии [8], подтвердило ассоциацию одной из SNP и гаплотипа, состоящего из трех SNP. Однако выводы, сделанные в результате этих исследований, расходились в отношении того, какие аллели, редкие или частые, чаще всего передаются для каждого маркера.

Чумаков И.М. с сотрудниками [9] создали карту SNP области 13q22-34 и установили несколько ассоциаций с шизофренией как SNP, так и гаплотипов содержащегося в ней G72, нового гена, специфичного для приматов. Затем с помощью дрожжевой дигибридной системы был идентифицирован белок D-аминоацилоксидаза (DAAO), который взаимодействует с G72. DAAO сам сцеплен с шизофренией, и комбинация генотипов DAAO/G72 оказывает на развитие заболевания синергический эффект.

Изучение регулятора передачи сигнала G-белка-4 (RGS4) [10], локализованного в области 1q21-22 [12], было вызвано тем, что исследование на микрочипах выявило снижение его экспрессии при шизофрении [11]. Были идентифицированы 26 SNP, затрагивающих RGS4, некоторые из них, расположенные в 5'-нетранслируемой области и в 1 интроне, показали ассоциацию с шизофренией. Ассоциация была показана на трех семейных примерах, хотя и для несколько различных паттернов [10].

Liu с сотрудниками [13] доложили о наличии комплексного паттерна ассоциаций между SNP в гене пролиндегидрогеназы (PRODH) и шизофренией. Изучение этого гена проводилось в связи с тем, что он расположен в локусе 22q11 (данный участок делетирован при велокардиофасциальном синдроме [VCFS], при котором с высокой частотой развиваются психозы [14]), а также потому, что у мышей с инактивированным PRODH наблюдались сходные с шизофренией нарушения сенсомоторики [15]. Результаты по PRODH не подтвердились повторными исследованиями [16].

Shifman с сотрудниками [17], продолжая начатую ранее работу [18], обнаружили значительные ассоциации SNP в гене катехол-О-метилтрансферазы (СОМТ) c шизофренией. Этот ген также локализован в участке, делетированном при VCFS. СОМТ играет важную роль в кортикальном метаболизме дофамина [19], деградируя катехоламины. Давно известно, что при шизофрении происходят нарушения в дофаминергической передаче, поэтому СОМТ может также являться геном-кандидатом. Что интересно, одна из SNP в 158 кодоне СОМТ (Вал/Мет) изменяет активность данного фермента, оказывая влияние на функцию передней доли [18] и пресинаптическую дофаминергическую активность [20], обусловливая биологическую корреляцию ассоциации с шизофренией.

Интерпретация результатов генетических исследований

Результаты генетических исследований потенциально очень важны, но к ним следует относиться осторожно. Во-первых, в каждом гене несколько SNP показывают ассоциацию с шизофренией, но при этом редки данные о большой важности индивидуальных замен. Эти данные основываются на степени ассоциации гаплотипов, вытекающей из расчетов, которые очень чувствительны даже к редким ошибкам генотипирования. Во-вторых, в ряде случаев (DTNBP1 и RGS4) ассоциации, хотя и хорошо подтвержденные, показаны для разных аллелей и гаплотипов, что затрудняет интерпретацию результатов, однако не является беспрецедентным [8]. В-третьих, за исключением, возможно, СОМТ, никакие результаты различных исследований не могут быть объяснены ассоциациями между шизофренией и вариантами с повторяющимися последовательностями, т.е. такими, которые ведут к изменению аминокислотной последовательности белка или которые воздействуют на экспрессию гена или сплайсинг. В-четвертых, ни одна ассоциация не была достаточно велика, чтобы полностью объяснить обнаруженное сцепление, служившее предпосылкой каждого исследования. Эти наблюдения можно было бы объяснить тем, что полиморфные маркеры неравновесно сцеплены с патогенетическими вариантами, расположенными в некодирующих областях, или тем, что предрасположенность к развитию заболевания возникает не в результате одиночных генных вариантов, а в результате комбинированного эффекта нескольких вариантов. Обе эти ситуации могут быть приложимы к сложным случаям [21].

Патофизиологические механизмы

В превалирующей патогенетической модели шизофрения является результатом нарушений развития нервной системы [22,23], приводящих к образованию аномальных синаптических связей [24]. Также может затрагиваться глутаматергическая передача через N-метил-D-аспартатные (NMDA) рецепторы [25]. Все рассматриваемые гены вовлечены в один из этих связанных между собой процессов. G72 и DAAO направленно воздействуют на NMDA рецепторы, так как DAAO метаболизирует D-серин, эндогенный модулятор этих рецепторов [26], а G72, вероятно, является активатором DAAO [9]. Нейрегулин присутствует в глутаматергических синаптических везикулах и влияет на NMDA рецепторы путем воздействия на ErbB-рецепторы и регуляции экспрессии NMDA рецепторов [5,27]. Нейрегулин играет важную роль в развитии нервной системы, вызывая миграцию нейронов и клеточную дифференцировку, он также модулирует синаптическую пластичность, взаимодействуя с белками постсинаптической мембраны уплотнения, с которыми связаны ионотропные глутаматные рецепторы [27]. Кроме того, нейрегулин-гипоморфным мышам свойственны поведенческие реакции, сходные с шизофренией [5]. RGS4 является негативным регулятором рецепторов, связанным с G-белками, включая метаботропные глутаматные рецепторы [28], и может играть важную роль в развитии нервной системы [29]. Дисбиндин локализован на пресинаптическом конце и может участвовать в формировании и увеличении синапса, в проведении сигнала [7,30]. PRODH может воздействовать на глутаматергические синапсы несколькими путями [13,19]. В итоге СОМТ оказывает направленное воздействие на моноаминергическую нейропередачу [19] и, вероятно, сходным образом влияет на другие виды синапсов, включая глутаматергические, через множественные связи между дофаминовой и аминокислотной передающими системами [22,31].

Вероятные функции семи генов вполне согласуются с приведенным выше описанием шизофрении и представляют глутаматергические синапсы основным местом действия. На рисунке 1 показан усредненный сценарий, который согласуется с результатами изучения экспрессии и функций генов. К нему необходимо сделать три замечания. Во-первых, гены могут осуществлять другие дополнительные функции, которые, собственно, и объясняют вовлеченность в патогенез шизофрении. Во-вторых, поскольку многие гены могут влиять на фундаментальные процессы развития нервной системы, синаптической пластичности и глутаматной нейропередачи, данная модель поверхностна, и поэтому ее сложно опровергнуть. В-третьих, не очевидно, что эти процессы протекают аномально при шизофрении, также не рассмотрены другие процессы, начиная от ГАМКергических нарушений и заканчивая ретровирусами и церебральной асимметрией. Чтобы оценить подобную теоретическую интеграцию генетики и нейробиологии, требуются дополнительные молекулярно-нейробиологические исследования, включая микрочипы и протеомику, а также изучение генов, их функций и их взаимодействия с помощью трансгенных и in-vitro-технологий.

Заключение

Удачный прошлый опыт требует применения строгих критериев для оценки результатов, полученных по генам, предрасполагающим к развитию шизофрении. Текущие исследования - это главные качественные и количественные шаги вперед. Явные обобщения и подтверждения предполагаемых функций, и тот факт, что результаты по нейрегулину, дисбиндину и RGS4 подтвердились при повторных исследованиях, производят впечатление. Однако в случае каждого гена имеется большая или меньшая степень неясности, и необходимы независимые дальнейшие перепроверки, чтобы однозначно оценить эти данные. В равной степени некоторые отрицательные результаты также возможны по причине генетической и аллельной гетерогенности нарушений.

По мере роста числа подтверждений по каждому конкретному гену необходимо изучать эффекты ассоциированных SNP на экспрессию и функцию генных продуктов. Параллельно необходимо продолжать поиск других генов шизофрении [32], с использованием стратегии сцепления, ассоциации, а также уделяя внимание эпигенетическим факторам. Также ожидает решения вопрос о корреляции между генотипом и фенотипом, включая то, в какой степени шизофрения и биполярные нарушения генетически предопределены [2,3].

Что же означает открытие одного или более генов, предрасполагающих к развитию шизофрении? Первое и главное - будет получена окончательная патофизиологическая модель. Даже если окажется, что эффект гена невелик, биохимические пути и молекулярные механизмы, в которые он вовлечен, позволят более адекватно оценить нарушения в целом. Подобное произошло с болезнью Альцгеймера, для которой мутации предшественника-b-амилоидного белка - событие весьма редкое, но нарушение b-амилоидного метаболизма является центральным звеном этой болезни. Болезнь Альцгеймера также показывает, как быстро генетические открытия могут инициировать создание подходов к лечению, направленных в большей степени на патогенез, чем на симптомы: первая мутация была описана в 1991 году, а различные стратегии терапии b-амилоидных нарушений уже достигли значительных успехов [33]. И можно небезосновательно надеяться, что сходные временные рамки будут приложимы и к шизофрении.

Реферат подготовлен И.В. Игнатьевым по материалам статьи P. Harrison, M. Owen "Genes for schizophrenia? Recent findings and their pathophysiological implication" The Lancet Vol. 361, Fepuary 1, 2003, pp 417-419

Литература

1 Owen MJ, O'Donovan M, Gottesman II. Psychiatric genetics and genomics. Oxford: Oxford University Press, 2003: 247-66.

2 Badner JA, Gershon ES. Meta-analysis of whole-genome linkage scans of bipolar disorder and schizophrenia. Mol Psychiatry 2002; 7: 405-11.

3 Levinson DF, Lewis CM, Wise LH, et al. Meta-analysis of genome scans for schizophrenia. AmJMed Genet 2002; 114: 700-01 (abstr).

4 Cioninger CR. The discovery of susceptibility genes for mental disorders. Proc NatlAcad Sci USA 2002; 99: 13365-67.

5 Stefansson H, Sigurdsson E, Steinhorsdottir V, et al. Neuregulinl and susceptibility to schizophrenia. Am J Hum Genet 2002; 71: 877-92.

6 Stefansson H, Sarginson J, Kong A, et al. Association of neuregulin 1 with schizophrenia confirmed in a Scottish population. AtnJ Hum Genet 2003; 72: 83-87.

7 Straub RE, Jiang Y, MacLean CJ, et al. Genetic variation in the 6p22.3 gene DTNBP1, the human ortholog of the mouse dysbindin gene, is associated with schizophrenia. Am J Hum Genet 2002; 71: 337^18. (Published erratum appears in AmJHum Gotї 2002; 71: 1007.)

8 Schwab SG, Knapp M, Mondabon S, et al. Support for an association of schizophrenia with genetic variation in the 6p22.3 gene, dysbindin, in sib-pair families with linkage and in an additional sample of triad families. AmJHum Genet 2003; 72: 185-90.

9 Chumakov I, Blumenfeld M, Guerassimenko O, et al. Genetic and physiological data implicating the new human gene G72 and the gene for D-amino acid oxidase in schizophrenia. Proc NatlAcad Sci USA 2002; 99: 13675-80.

10 Chowdhari KV, Mimics K, Semwal P, et al. Association and linkage analyses of RGS4 polymorphisms in schizophrenia. Hum Mol Genet 2002; 111 1373-80.

11 Mimics K, Middleton FA, Marquez A, et al. Molecular characterization of schizophrenia viewed by microarray analysis of gene expression in prefrontal cortex. Neuron 2000; 28: 53-67.

12 pzustowicz LM, Hodgkinson KA, Chow EWC, et al. Location of a major susceptibility locus for familial schizophrenia on chromosome Iq21-q22. Science 2000; 288: 678-82.

13 Liu H, Heath SC, Sobin C, et al. Genetic variation at the 22ql 1 PRODH2/DGCR6 locus presents an unusual pattern and increases susceptibility to schizophrenia. Proc NatlAcad Sci USA 2002; 99: 3717-22.

14 Murphy -. Schizophrenia and velo-cardio-facial syndrome. Lancet 2002; 359: 426-30.

15 Gogos JA, Santha M, Takacs Z, et al. The gene encoding proline dehydrogenase modulates sensorimotor gating in mice. Nat Genet 1999; 21: 434-39.

16 Williams HJ, Williams N, Spurlock G, et al. Association between PRODH and schizophrenia not confirmed. Mol Psychiatry (in press).

17 Shifman S, ponstein M, Sternfeld M, et al. A highly significant association between a COMT haplotype and schizophrenia. AmJHum Genet 2002; 71: 1296-302.

18 Egan MF, Goldberg “=, Kolachana BS, et al. Effect of COMT VallO8/158Met genotype on frontal lobe function and risk for schizophrenia. Proc Nad Acad Sci USA 2001; 98: 6917-22.

19 Gogos JA, Morgan M, Luine V, et al. Catechol-O-methyltransferase-deficient mice exhibit sexually dimorphic changes in catecholamine levels and behavior. Proc NatlAcad Sci USA 1998; 95: 9991-96.

20 Akil M, Kolachana BS, Rothmond DA, et al. COMT genotype and dopamine regulation in the human pain. J Neurosci (in press).

21 Mackay TF. Quantitative trait loci in Drosophila. Nat Rev Genet 2001; 2: 11-20.

22 Weinberger DR. Implications of normal pain development for the pathogenesis of schizophrenia. Arch Gen Psychiatry 1987; 44: 660-69.

23 Lewis DA, Levitt P. Schizophrenia as a disorder of neurodevelopment. Annu Rev Neurosci 2002; 25: 409-32.

24 Harrison PJ. The neuropathology of schizophrenia: a critical review of the data and their interpretation. pain 1999; 122: 593-624.

25 Tsai GC, Coyle JT. Glutamatergic mechanisms in schizophrenia. Annu Rev Pharmacol Toxicol 2002; 42: 165-79.

26 Mothet J-P, Parent AT, Wolosker H, et al. D-serine is an endogenous ligand for the glycine site of the N-methyl-D-aspartate receptor.

Proc Nad Acad Sci USA 2000; 97: 4926-31.

27 Buonanno A, Fischbach GD. Neuregulin and ErbB receptor signaling pathways in the nervous system. Curr Opin Neurobiol 2001; 11: 28-96.

28 De Blasi A, Conn PJ, Pin J-P, Nicoletti F. Molecular determinants of metabotropic glutamate receptor signalling. Trends Pharmacol Sci 2001; 22: 114-20.

29 De Vries L, Zheng B, Fischer T, et al. The regulator of G protein signalling family. Annu Rev Pharmacol Toxicol 2000; 40: 235-71.

30 Benson MA, Newey SA, Martin-Rendon E, et al. Dysbindin, a novel coiled-coil-containing protein that interacts with the dystropevins in muscle and pain. J ¬v Chem 2001; 276: 24232^ 1.

31 Grace AA. Phasic versus tonic dopamine release and modulation of glutamate system responsivity: a hypothesis for the etiology of schizophrenia. Neuroscience 1991; 41: 1-24.

32 Leonard S, Gault J, Hopkins J, et al. Association of promoter variants in the al nicotinic acetylcholine receptor subunit gene with an inhibitory deficit found in schizophrenia. Arch Gen Psychiatry 2002; 59: 1085-96.

33 Hardy J, Selkoe DJ. The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: progress and problems on the road to therapeutics. Science 2002; 297: 353-56.