В мышиных моделях аутизма выявили два противоположных молекулярных паттерна

Расстройство аутистического спектра (РАС) связано более чем с 1200 генами риска, что ставит важный вопрос: приводят ли эти разнообразные генетические изменения к принципиально разным последствиям в мозге или же они сходятся к общим биологическим механизмам?

Группа под руководством профессора Ким Ынджуна из Центра синаптических дисфункций мозга Института фундаментальных наук (IBS) обнаружила два противоположных паттерна активности генов в мозге у мышей с разными мутациями, связанными с риском аутизма. Проанализировав более 1000 транскриптомов мозга мышей, исследователи показали, что генетически разные модели можно сгруппировать по общим молекулярным изменениям; это предлагает новую основу для изучения механизмов, связанных с аутизмом, и для оценки реакций на экспериментальные препараты.

В обеих группах отмечались противоположные изменения в экспрессии генов, участвующих в синаптической коммуникации и в регуляции активности генов. Их молекулярные ответы на флуоксетин и литий также различались, что даёт основание полагать, что такие паттерны могут помочь сравнивать эффекты препаратов в генетически разных моделях мышей.

Предыдущие исследования генов риска аутизма выявили многочисленные отличия в развитии и функционировании мозга, но многие эксперименты были сосредоточены на отдельных мутациях или небольших наборах моделей мышей, что затрудняло выделение общих биологических изменений.

Чтобы устранить это ограничение, учёные проанализировали данные секвенирования РНК из префронтальной коры у 17 генно-инженерных линий мышей. Мутации затрагивали гены, связанные с синаптической коммуникацией, регуляцией экспрессии генов и клеточной сигнализацией. В исследование включали самцов и самок, а также группы мышей, подвергавшихся воздействию флуоксетина или лития в раннем постнатальном периоде.

Анализ выявил две широкие молекулярные группы. В группе 1 гены, вовлечённые в синаптическую коммуникацию, как правило, имели пониженную экспрессию, а гены, связанные с регуляцией хроматина и обработкой РНК, — повышенную. В группе 2 наблюдалась противоположная картина.

Это различие подтвердилось в нескольких дополнительных анализах — экспрессии генов, сплайсинга РНК и в сетях генов, которые активируются совместно. Такое согласие разных методов указывает на то, что две группы отражают повторяющиеся молекулярные закономерности, а не артефакт одного аналитического подхода.

«Генетические открытия выявили необычайное разнообразие при аутизме, но разнообразие само по себе не объясняет биологию», — сказал соавтор доктор Бэй Михён. «Наше исследование показывает, что множество различных генетических мутаций сходятся в ограниченном числе молекулярных состояний мозга, обеспечивая основу для понимания аутизма на уровне общей биологии, а не отдельных генов». В семи из 17 линий мышей самцы и самки с одинаковой мутацией отнеслись к разным молекулярным группам.

Паттерны менялись и в ходе развития: при сравнении четырёх репрезентативных линий на более поздней стадии некоторые сохранили первоначальное групповое отнесение, а у других оно поменялось. Различие между двумя группами было заметно меньше в гиппокампе, чем в префронтальной коре.

Эти наблюдения указывают, что молекулярные эффекты мутаций, связанных с риском аутизма, зависят от пола, стадии развития и области мозга. Таким образом, группы представляют собой контекстно-зависимые паттерны активности генов, а не фиксированные категории, присвоенные отдельным генам.

Чтобы выяснить клеточную основу этих паттернов, исследователи проанализировали экспрессию примерно в одном миллионе отдельных ядер клеток из 205 мышей. Обе молекулярные группы показали отличия в нескольких популяциях клеток головного мозга. В группе 1 наблюдались более широкие изменения в относительных пропорциях некоторых типов нейронов и глиальных клеток, тогда как в обеих группах выявлялись различные закономерности активности генов в нескольких типах клеток.

Результаты свидетельствуют о том, что противоположные молекулярные паттерны возникают в результате скоординированных изменений в разных клеточных популяциях, а не в одной единственной группе нейронов.

Далее команда изучила, как молекулярные группы реагируют на флуоксетин (Прозак) и на литий. Оба препарата ранее исследовали в отдельных моделях мышей в контексте поведенческих проявлений, связанных с аутизмом, но ни один из них не признан лечением основных черт аутизма.

В группе 1 препараты в целом более последовательно смещали определённые наборы генов в сторону паттернов, характерных для контрольных мышей. В группе 2 ответы были более вариабельны и зависели от конкретных наборов генов и типов клеток.

При этом препараты не изменяли различия в относительных долях клеточных популяций мозга; их влияние было сконцентрировано в отдельных программах экспрессии генов, в том числе в некоторых популяциях нейронов.

Авторы отмечают, что молекулярное группирование может помочь понять, почему разные модели мышей по‑разному реагируют на экспериментальные препараты, но изменения экспрессии генов не обязательно ведут к улучшению поведения, и исследование не устанавливает клинической эффективности ни одного из препаратов.

Для оценки переносимости результатов на людей учёные добавили три дополнительные линии мышей и предварительно проанализировали транскриптомы префронтальной коры у 40 человек с аутизмом и 17 нейротипичных контрольных доноров. Дополнительные мышиные линии условно соответствовали одной из двух молекулярных групп. В данных людей исследователи также выделили две подгруппы с противоположными паттернами активности синаптических генов.

Однако человеческие паттерны не совпадали полностью с мышиными: в образцах людей изменения, связанные с иммунными путями, были более заметны, а некоторые другие молекулярные различия — менее выражены. Доступные человеческие данные не позволили связать членство в подгруппах с конкретными мутациями риска аутизма.

Исследователи подчёркивают предварительный характер результатов: это не доказывает существование двух клинически отдельных форм аутизма и не позволяет предсказывать симптомы, потребности в поддержке или реакцию на лечение у конкретных людей.

«Вместо того чтобы спрашивать, какой именно ген мутирует, мы спросили, создают ли разные мутации общие молекулярные закономерности в мозге», — сказал директор Ким Ынджун. «Этот подход выявил удивительный уровень конвергенции между генетически различными формами аутизма».

Исследование даёт основу для дальнейшей работы по поиску общих молекулярных механизмов в генетически разнообразных моделях мышей. По словам авторов, для того чтобы понять, могут ли эти молекулярные паттерны помочь в разработке и оценке методов лечения, потребуются дальнейшие исследования, объединяющие транскриптомный анализ с поведенческими измерениями, изучением мозговых цепей и дополнительными экспериментальными терапиями.