Разные гены аутизма могут приводить мозг к двум противоположным молекулярным состояниям

Анализ более 1000 образцов показал: важна не только мутация, но и пол, возраст и область мозга

У аутизма нет одного «гена аутизма». С ним связывают уже более 1200 генов риска, и это создаёт фундаментальную проблему: если генетических причин так много, существует ли вообще общая биология, которую можно изучать и потенциально использовать при разработке терапии?

Новое исследование в Science предлагает неожиданный ответ. Когда учёные перестали рассматривать мутации по отдельности и посмотрели на итоговую активность генов в мозге, генетическое разнообразие оказалось значительно более упорядоченным.

В 17 разных генетических моделях исследователи обнаружили два противоположных молекулярных состояния.

И самое интересное — состояние определялось не одной только мутацией.

Вместо отдельных генов исследователи посмотрели на весь работающий геном

Генетическая мутация и активность генов — не одно и то же.

ДНК можно представить как огромную библиотеку инструкций. Но клетка не читает все инструкции одновременно. Одни гены в конкретный момент работают активнее, другие слабее.

Одним из способов увидеть эту картину служит анализ транскриптома — совокупности молекул РНК, которые показывают, какие генетические программы сейчас используются клетками.

Команда под руководством исследователей Institute for Basic Science в Южной Корее собрала необычно большой для такого эксперимента массив данных: 1008 RNA-seq профилей префронтальной коры мышей из 17 генетически модифицированных линий, несущих мутации в генах риска расстройства аутистического спектра.

Причём исследование было сбалансировано по полу: анализировали и самцов, и самок.

Вместо вопроса «что делает конкретная мутация?» исследователи фактически поставили другой: могут ли разные мутации в конечном итоге приводить мозг к похожим молекулярным состояниям?

Оказалось, могут.

Два состояния оказались почти зеркальными

Первую группу характеризовало снижение активности генов, связанных с синаптической передачей — обменом сигналами между нервными клетками.

Одновременно в ней была повышена активность программ, связанных с обработкой РНК и регуляцией хроматина.

Хроматин — это ДНК вместе с окружающими её белками. От его организации зависит, какие участки генома клетке легче или труднее использовать. Поэтому изменения хроматина способны влиять сразу на множество генов.

Во второй группе картина была противоположной: активность синаптических генов повышалась, тогда как программы обработки РНК и регуляции хроматина были менее активны.

Это важно ещё по одной причине.

Разделение возникало не только при простом сравнении уровней активности отдельных генов. Его обнаруживали и при анализе сплайсинга РНК — процесса, при котором клетка собирает зрелую РНК из отдельных участков, — и при изучении сетей генов, которые изменяют активность согласованно.

То есть речь шла не об одном удачно найденном статистическом показателе. Разные способы анализа указывали на одну и ту же организацию данных.

Вот где меняется привычное представление об аутизме

Можно было бы предположить, что каждая мутация должна создавать свой собственный молекулярный вариант нарушения.

Исследование показывает более сложную картину.

Разные генетические изменения способны сходиться к ограниченному числу общих состояний работы клеток.

Проще говоря, начальные поломки могут быть разными, а последствия для молекулярной системы мозга — похожими.

Однако именно здесь возникает следующий неожиданный результат.

Одна и та же мутация не гарантировала одного состояния мозга

Если бы две найденные группы просто отражали два класса генетических мутаций, картина была бы сравнительно простой.

Но этого не произошло.

В семи из 17 исследованных линий самцы и самки с одной и той же мутацией оказались в разных молекулярных группах.

Иными словами, одного знания о мутации оказалось недостаточно, чтобы однозначно определить состояние транскриптома.

Более того, оно могло меняться со временем.

Когда четыре выбранные линии мышей исследовали на более позднем этапе развития, часть сохранила прежнее состояние, а часть перешла в другую группу.

Получается принципиально важная картина: мутация — это не обязательно фиксированный молекулярный приговор.

Один генетический вариант может существовать в разных биологических контекстах в зависимости от пола и стадии развития.

Даже область мозга меняла картину

Основной анализ проводился в префронтальной коре — области, участвующей в сложных когнитивных и социальных функциях.

Когда исследователи посмотрели на гиппокамп, связанный в том числе с обучением и памятью, разделение на две группы оказалось гораздо менее выраженным.

Это ещё одно предостережение против слишком простой интерпретации результата.

Обнаруженные состояния нельзя рассматривать как постоянную характеристику всего мозга конкретного животного.

Они зависят как минимум от нескольких координат одновременно:

• генетической мутации;
• пола;
• стадии развития;
• исследуемой области мозга.

Поэтому корректнее говорить не о «двух видах аутизма», а о двух повторяющихся транскриптомных состояниях, обнаруженных прежде всего в префронтальной коре этих экспериментальных моделей.

За общей картиной стояли изменения сразу многих типов клеток

Мозг состоит не только из нейронов, и даже нейроны далеко не одинаковы.

Чтобы понять, откуда возникают обнаруженные сигналы, исследователи провели более детальный анализ примерно миллиона отдельных клеточных ядер, полученных от 205 мышей.

Такой подход позволяет увидеть, какие программы меняются в конкретных популяциях клеток, а не только получить усреднённую картину ткани.

Оказалось, что различия между двумя состояниями нельзя объяснить изменением одного типа нейронов.

Они затрагивали несколько клеточных популяций, включая нейроны и глиальные клетки — клетки, которые поддерживают работу нервной системы и активно взаимодействуют с нейронами.

В первой группе перестройка клеточного состава была шире: изменялись и относительные доли некоторых типов клеток.

То есть два состояния отражали не одну молекулярную «ручку», повернутую в разные стороны, а координированную перестройку целой системы.

Флуоксетин и литий показали, зачем вообще может понадобиться такая классификация

Исследователи также изучили мышей, получавших в раннем постнатальном периоде флуоксетин или литий.

Флуоксетин — антидепрессант из группы селективных ингибиторов обратного захвата серотонина. Литий используется прежде всего при биполярном расстройстве. Оба препарата ранее исследовали в отдельных моделях аутизма у животных, но ни один из них не является установленным средством лечения основных проявлений аутизма.

Реакция двух молекулярных групп различалась.

В первой группе некоторые наборы генов после воздействия препаратов более последовательно смещались в сторону картины, наблюдаемой у контрольных животных.

Во второй ответы были менее однородными и сильнее зависели от конкретных генов и типов клеток.

Именно здесь исследование показывает возможную практическую ценность новой классификации.

Если два животных несут разные мутации, но находятся в сходном молекулярном состоянии, их реакция на экспериментальное воздействие потенциально может оказаться более похожей, чем можно было ожидать только по генетическому диагнозу.

И наоборот: одинаковая мутация ещё не гарантирует одинаковой биологической реакции.

Но «нормализация генов» ещё не означает улучшения симптомов

Это критически важное ограничение работы.

Исследователи измеряли прежде всего молекулярные изменения. Если после препарата активность определённых генов становится ближе к контрольной, это само по себе не доказывает, что улучшается поведение животного.

Тем более из этого нельзя заключить, что препарат будет эффективен у человека.

Работа не показала, что флуоксетин или литий лечат основные проявления аутизма. Она также не предлагает использовать обнаруженные группы для выбора лекарства пациенту.

Здесь исследование решает более раннюю задачу: показывает, что биологически разные модели могут неодинаково реагировать на одно и то же экспериментальное вмешательство и что часть этих различий можно увидеть на уровне транскриптома.

Для разработки лекарств это может оказаться важным. Препарат, испытанный только на одной генетической модели, фактически проверяется лишь в одном из возможных биологических контекстов.

Два похожих направления нашли и в человеческом мозге

Исследователи сделали ещё один важный шаг: проверили ранее полученные данные префронтальной коры 40 аутичных людей и 17 нейротипичных контрольных участников.

В человеческих образцах тоже удалось выделить две подгруппы с противоположным направлением изменений активности синаптических генов.

Это делает результат значительно интереснее, но пока не превращает мышиную классификацию в классификацию людей.

Человеческие данные отличались от мышиных. Например, изменения иммунных путей были заметнее, а некоторые другие молекулярные различия — слабее.

Кроме того, имеющиеся данные не позволяли связать принадлежность человека к той или иной молекулярной группе с конкретной мутацией риска аутизма.

И выборка была небольшой.

Поэтому результат пока следует воспринимать как подтверждение существования сходного принципа организации транскриптомных изменений, а не как доказательство существования двух клинических форм аутизма.

Это не «два типа аутизма»

Такое прочтение было бы самым эффектным — и одновременно самым неправильным.

Исследование не позволяет по молекулярной группе предсказать особенности конкретного человека, выраженность его проявлений, необходимые ему формы поддержки или реакцию на лекарство.

Более того, сама работа показывает, почему жёсткая классификация была бы преждевременной: молекулярное состояние зависит от пола, возраста и области мозга и может меняться во время развития.

Главный результат поэтому тоньше.

Более 1200 связанных с аутизмом генов не обязательно означают более 1200 полностью независимых биологических механизмов.

По крайней мере часть различных генетических изменений может сходиться к общим состояниям клеточных систем.

Именно это потенциально позволяет перейти от каталога отдельных мутаций к поиску повторяющихся биологических механизмов.

Следующий вопрос — связаны ли эти состояния с тем, что происходит с человеком

Теперь исследователям предстоит соединить несколько уровней, которые пока существуют отдельно.

Нужно понять, как молекулярные состояния связаны с работой нейронных цепей, поведением, развитием и ответом на различные экспериментальные вмешательства.

Особенно важно проверить результаты на значительно более крупных человеческих выборках и выяснить, устойчивы ли найденные подгруппы.

Если такая связь подтвердится, будущая биологическая стратификация аутизма может строиться не только вокруг вопроса «какой ген изменён?».

Возможно, не менее важным станет другой вопрос: «К какому функциональному состоянию привело это изменение именно в этом мозге и именно на этом этапе развития?»