Согласно новому исследованию, гены, расположенные в большой хромосомной аберрации, связанной с аутизмом, взаимодействуют друг с другом, чтобы модулировать различные симптомы болезни. Совместная группа ученых под руководством исследователей из Пенсильванского университета проверила роль этих генов по отдельности и в тандеме, уменьшив количество генов, экспрессируемых в модели плодовой мухи. Исследование, опубликованное 29 июня 2018 года в журнале Nature Communications, демонстрирует полезность мухи в качестве экспериментальной модели для понимания сложной причины нарушений нервного развития человека и определяет потенциальные цели для терапевтического лечения.
"В отличие от болезней, которые вызваны мутациями в отдельных генах, аутизм и другие нарушения нервного развития имеют сложную этиологию, которая может быть результатом множества взаимодействующих генов," сказал Сантош Гирираджан, адъюнкт-профессор биохимии, молекулярной биологии и антропологии Пенсильванского университета и ведущий автор статьи. "Инструменты, доступные на мухах для генетических манипуляций, позволили нам быстро протестировать множество отдельных генов и пар генов, чтобы мы могли начать анализировать сложность их взаимодействия и то, как это может повлиять на симптомы болезни."
Многие расстройства нервного развития, включая аутизм, шизофрению и умственную отсталость, связаны с делециями или дупликациями относительно больших участков хромосом, содержащих множество генов. Эти делеции и дупликации приводят к тому, что люди имеют разное количество копий содержащихся с ними генов. Эта «вариация числа копий» может привести к дефектам развития и нарушениям развития нервной системы, потому что у человека может быть слишком много или слишком мало определенного гена.
Исследователи сосредоточили внимание на большой делеции на хромосоме 16, охватывающей более 500 000 пар оснований – пар As, Ts, Cs и Gs, составляющих двухцепочечную ДНК, – и впервые она была обнаружена у людей с аутизмом. Эта делеция охватывает 25 отдельных генов и впоследствии была связана с эпилепсией, умственной отсталостью и ожирением.
"Иногда мы можем идентифицировать один ген в большой делеции, которая вызывает заболевание, связанное с делецией, но это редко и обычно связано с определенным набором симптомов," сказал Гирираджан. "Делеция на хромосоме 16 связана со многими различными симптомами, которые присутствуют в разной степени, а иногда и вовсе отсутствуют, в зависимости от человека. Это заставило нас поверить в то, что существует не один причинный ген, а множество, которые взаимодействуют сложным образом."
Чтобы попытаться определить, как делеция на хромосоме 16 вызывает эти симптомы, исследователи обратились к плодовой мушке Drosophila melanogaster. Мухи классически использовались для открытия механизмов развития и клеточных механизмов, имеющих отношение к биологии человека, а также для изучения нейродегенеративных заболеваний, нарушений сна и эпилепсии. Существует также множество устоявшихся инструментов для генетических манипуляций с мухами, которые позволяют исследователям проводить эксперименты намного быстрее, чем с другими модельными организмами, такими как мышь.
"Хотя мы протестировали только 14 мух-аналогов 25 человеческих генов, наши результаты предлагают модель, которая может быть применена к общему механизму заболевания, вызванного этой делецией," сказал Джанани Айер, научный сотрудник лаборатории Гирираджана и автор статьи.
Используя технику, называемую интерференцией РНК (РНКи), в которой короткий фрагмент РНК может быть разработан для уменьшения экспрессии определенного гена либо у всей мухи, либо в конкретной ткани, исследователи сначала протестировали каждый из отдельных генов в хромосоме. 16 удалений, у которых есть аналоги на лету.
"Когда мы тестировали снижение экспрессии отдельных генов у личинок мух, семь из них оказались летальными, и мы также обнаружили другие эффекты развития нервной системы," сказал Гирираджан. "Когда мы ограничили снижение экспрессии генов развивающимся глазом мухи, мы заметили дефекты, связанные с пролиферацией клеток."
Затем исследователи выбрали четыре гена с наиболее серьезными эффектами в отдельных тестах и протестировали их в сочетании с каждым из 13 других аналогов человеческих генов в делеции 16 хромосомы. Они также протестировали взаимодействие этих четырех генов с 50 другими генами, которые, как известно, играют роль в нарушениях развития нервной системы из других частей генома. В парных экспериментах исследователи обнаружили, что симптомы, которые проявлялись в отдельных тестах, иногда становились более серьезными, иногда уменьшались, а иногда и не затрагивались. Это предполагает, что несколько генов в пределах делеции, вероятно, взаимодействуют друг с другом, потенциально способствуя вариабельности симптомов, наблюдаемых у людей с делецией.
"Основываясь на наших результатах, мы предлагаем новую модель патогенности делеции хромосомы 16 и других крупных участков вариации числа копий в геноме," сказал Гирираджан. "Мы должны учитывать взаимодействия между многими генами, чтобы понять различные симптомы, связанные с этими большими делециями, а не искать отдельные причинные гены. Понимание этого поможет нам определить подходящие цели для возможного лечения этих нарушений развития нервной системы."