epigeneettiset riskitekijät autismioireille

Guinchat et al. (2012b) varoitti, että ei ollut selvää, onko prenataalinen, perinataalinen, ja vastasyntyneen ympäristöriskit olivat ”Kausaalinen tai olla toissijainen rooli muotoiluun kliinisen ilmaisun yksilöiden geneettinen haavoittuvuus” (s. 288). Mikä tahansa signaali, joka vaikuttaa geenin ilmentymiseen tai toimintaan, on geenin ja ympäristön välinen vuorovaikutus. Epigeneettiset prosessit ovat erityisiä mekanismeja, jotka säätelevät ympäristön altistumista ja joiden kautta ympäristötekijöillä voi olla elinikäisiä tai jopa sukupolvien välisiä vaikutuksia geenien ilmentymiseen. Todisteet dysregulation epigeneettisten prosessien autismi on kertynyt (Fradin et al., 2010; Grafodatskaja et al., 2010; Kopsida ym., 2011; Nguyen, Rauch, Pfeifer, & Hu, 2010).

epigenetiikka on kromatiinin muunnos, joka on genomista DNA: ta ja siihen liittyviä proteiineja, pitkälti histoneja. Kromatiini muovaa DNA: n sopivaksi solun tumaan ja jäsentää DNA: n replikaatiota ja geeniekspression säätelyä varten. Ympäristövaikutukset ja solun sisäiset vaikutukset muokkaavat kromatiinia, jolloin jäljelle jää epigeneettisiä muutoksia, joita kutsutaan epigeneettisiksi merkeiksi. Modifikaatio tapahtuu kolmen ydinprosessin kautta: histoniproteiinien toiminnan, DNA: n metylaation ja kromatiinin remodelaation kautta. Histonit tuottavat rakenteellisia puoloja, joita DNA kiertää ympäriinsä, ja histonit vaikuttavat metylaatioon. Metylaatio on metyyliryhmän (CH3) lisääminen geenin sytosiinimolekyyliin, mikä aiheuttaa kyseisen geenin suppression, jota kutsutaan myös hiljentymiseksi. Kromatiinin remodelaatio liikuttaa DNA: ssa nukleosomeja, jolloin proteiinien transkriptiotekijät voivat transkriptioida aiemmin estyneitä DNA-alueita.

yksilön epigenomi voi selittää huomattavan fenotyyppisen vaihtelun. Epigeneettisiä mekanismeja ovat: imprinting, jossa toisen vanhemman alleeli ohjaa geenin ilmentymistä; X-inaktivointi jommallakummalla X-kromosomin kahdesta kopiosta; geenin hiljentäminen, jolloin histonin muokkaus sammuttaa geenin; ja monet muut mekanismit samoin. Turner (2011) tiivisti, että ”histonin muutokset ovat niiden mekanismien ytimessä, joilla erilaisia toiminnallisesti merkittäviä proteiineja ja proteiinikomplekseja kohdennetaan genomin tietyille alueille tai suljetaan niiden ulkopuolelle. Näitä ovat transkriptiotekijät, kromatiinia muokkaavat entsyymit, DNA: ta metyloivat kompleksit tai kromatiinin remodelerit, jotka repositoivat nukleosomeja DNA-juostetta pitkin” (s. 2033). Lisäksi Jessen and Auger (2011) esitti hypoteesin, että sukupuolierot ”epigeneettisissä tekijöissä eivät ainoastaan edistä aivojen seksuaalista erilaistumista ja sosiaalista käyttäytymistä, vaan että ne voivat antaa seksuaalisesti dimorfisia riskejä ja sietokykyä neurologisten ja mielenterveyden häiriöiden kehittymiselle myöhemmin elämässä” (s. 857).

Grafodatskaja et al. (2010) tarkasteli autismin epigeneettisiä tekijöitä ja järjesti ne neljään ryhmään. Ensimmäiseen ryhmään kuuluivat epigeneettiset oireyhtymät, joihin liittyi lisääntynyt autismin riski. Näitä olivat kolme oireyhtymää, jotka aiheuttavat makrokefaliaa, PTEN, Sotosin oireyhtymä ja Beckwith-Wiedemannin oireyhtymä, sekä Rettin oireyhtymä, fragile X-oireyhtymä, Angelmanin oireyhtymä, Prader-Willin oireyhtymä, Turnerin oireyhtymä ja CHARGE-oireyhtymä, jonka aiheuttaa mutaatio CHD7-geenissä, jolla uskotaan olevan epigeneettinen rooli kromatiinin remodelaatiossa.

epigeneettiset oireyhtymät ryhmiteltyinä Grafodatskaja et al. (2010) edusti erilaisia epigeneettisiä prosesseja. Esimerkiksi Rettin oireyhtymä johtuu MECP2-geenin mutaatiosta. Geeni tuottaa epigeneettistä säätelyä säätelevää metyyli-CpG: tä sitovaa proteiinia 2, jota tarvitaan hermosolujen kypsymiseen ja synaptogeneesiin. Mecp2-proteiinin puute johtaa epänormaalisti jäsenneltyihin neuroneihin, ja koska se aiheuttaa välittäjäaine glutamaatin liiallisen vapautumisen, sillä on neurotoksinen vaikutus mikrogliaan, immuunijärjestelmän suojaaviin soluihin aivoissa (de Leon-Guerrero et al., 2011). Fragile X-oireyhtymään liittyy erilainen epigeneettinen prosessi: fmr1-geenin muutos lisää alttiutta metylaatiolle ja siitä johtuvaa fmr1-geenin hiljentymistä. Angelmanin oireyhtymään ja Prader-Willin oireyhtymään liittyy vielä yksi epigeneettinen prosessi: leimautuminen.

perimme 20 000-22 000 geeniämme pareittain. Jokainen pari sisältää äitimme muunnoksen geenistä, jota kutsutaan äidilliseksi alleeliksi, ja isämme muunnoksen, isällisen alleelin. Joidenkin geenien kohdalla vain äidillinen alleeli tai isänpuoleinen alleeli ilmaistaan ja toinen alleeli vaiennetaan leimaamalla. Tällä hetkellä, lähes 100 ihmisen geenit on tunnistettu osoittaa painetun ilmentymisen (Barlow, 2011). Useimmat painatetut geenit esiintyvät ryppäissä kromosomaalisella alueella, jota säätelee painatuskeskus, joka ohjaa äidin ja isän kromosomialueiden aktivoitumista. Tärkeintä on, että monet painettujen geenien tuottamat proteiinit säätelevät aivojen kehitystä.

Angelmanin oireyhtymä selittää joitakin autismitapauksia. Se johtuu maternaalisesti painautuneen UBE3A-geenin toiminnan menetyksestä, geenin, jossa isänpuoleinen alleeli normaalisti hiljenee. Tämä menetys voi johtua geenin pistemutaatioista, maternaalisesti periytyvän kromosomin 15q11–q13 poistosta tai mutaatioista geeniklusterin erikoistuneessa painatuskeskuksessa alueella 15q11–q13. Prader-Willin oireyhtymä, toinen epigeneettinen oireyhtymä, joka voi tuottaa autismin oireita, johtuu yhden tai useamman paternaalisesti ilmaistun geenien ilmentymisen menetyksestä samalla kromosomialueella, 15q11–q13.

toinen ryhmä Grafodatskaja et al. (2010) määritelty oli syndrominen autismi liittyy geeneihin tai genomialueita säännellään epigeneettiset merkit. Tähän ryhmään kuuluivat alueen 15q11–13 kromosomipoikkeavuudessa olevat geenit, kuten UBE3A, SNRPN ja NDN. Toisin kuin alueen 15q11–13 poistaminen ja UBE3A–geenin toiminnan menettäminen Angelmanin oireyhtymässä, alueen 15q11-13 päällekkäisyys ei tuota Angelmanin oireyhtymää tai Prader-Willin oireyhtymää. Kuitenkin, 85% yksilöiden tämä kromosomipoikkeavuus on diagnosoitu autismi. Grafodatskaja ym. (2010) tarkasteli laajaa vaihtelua 15q11–13 kaksoiskappaleiden fenotyypissä. Autismioireiden lisäksi tämän fenotyypin vaihteluun kuului erilaisia kognitiivisia häiriöitä, ahdistuneisuutta, kiukunpuuskia, hyperaktiivisuutta, motorisia viiveitä, kouristuksia ja dysmorfisia kasvonpiirteitä sekä sosiaalisia ja kielellisiä vajavaisuuksia.

Grafodatskaja et al. (2010) määritteli kolmannen ryhmän idiopaattiseksi autismiksi, joka liittyy epigeneettisesti säädeltyihin geeneihin tai genomialueisiin tai geeneihin, jotka palvelivat epigeneettistä säätelyä. Tähän ryhmään kuuluivat folaattimetaboliageenit MTHFR, DHFR, TCN2, COMT ja RFC sekä epigeneettisesti säädellyt geenit RELN, BDNF ja OXTR. Tähän kolmanteen ryhmään kuuluivat myös kromosomi 7: n pitkässä käsivarressa oleva geeni DLX6.1 ja kromosomissa 1 oleva emon disomia. Uniparentaalinen disomia tapahtuu, kun molemmat kopiot kromosomiparin ovat yhdeltä vanhemmalta, ja voi aiheuttaa häiriintynyttä kehitystä häiritsemällä painatuksen, tai sallimalla resessiivinen geenimutaatioiden voidaan ilmaista.

kaksi esimerkkiä tästä kolmannesta ryhmästä ovat OXTR-ja RELN-geenit. Oksitosiinireseptorigeenin promoottorin lisääntynyt metylaatio oli yhteydessä autismiin. RELN-geenillä on siihen liittyvä alue, ja geeniä yhdessä siihen liittyvän alueen kanssa kutsutaan RELN-geenin pitkäksi alleelimuunnokseksi. Pitkä alleeli kykenee epigeneettisesti tukahduttamaan geenien ilmentymistä ja sen on todettu liittyvän autismiin. RELN-proteiini on kriittinen hermosolujen migraation ja synapsien muodostumisen kannalta suuressa osassa aivoja.

neljäs ryhmä Grafodatskaja et al. (2010) määritelty epigeneettisiksi riskitekijöiksi autismille käsitti hoitoja, jotka muuttivat epigeneettisiä merkkejä. Näitä olivat muun muassa hedelmöityshoitoihin liittyvä munasolujen induktioprosessi sekä valproaatti, jota käytetään kohtausten, migreenipäänsärkyjen ja kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön liittyvien maanisten tai sekamuotoisten jaksojen hoitoon. Ovulaation indusointiprosessi avusteisessa lisääntymismenetelmässä on yhdistetty lisääntyneeseen riskiin saada kaksi muistijälkeä-Beckwith-Wiedemannin oireyhtymä ja Angelmanin oireyhtymä—sekä autismin oireiden riskin kasvuun. Valproaatin on osoitettu muuttavan folaatin metaboliaa ja häiritsevän histonin toimintoja. Äidin raskauden aikana ottaman valproaatin aiheuttamat epigeneettiset muutokset aiheuttavat haittavaikutuksia, kuten selkärankahalkiota, sydänvikoja, kraniofasiaalisia poikkeavuuksia, luuston ja raajojen vikoja, dysmorfisia piirteitä, kohdunsisäisen kasvun vähenemistä, kehitysvammaisuutta ja autismin oireita.

Grafodatskajan ym.tarkastelemien epigeneettisten tekijöiden lisäksi. (2010), on olemassa muita löydöksiä ja teorioita epigeneettisistä tekijöistä autismi. Todisteita mahdollisista epigeneettisistä tekijöistä raportoi Fradin et al. (2010). Tutkijat suorittivat genomin laajuisen linkage scan etsivät vanhempien alkuperää vaikutuksia käyttäen 16,311 SNPs kaksi perheen näytteet: autismi Genetic Resource Exchange ja National Institute of Mental Health autism repository. Tutkijat löysivät kromosomeille 4, 15 ja 20 merkittävän alkuperäsidonnaisuuden vanhemman. Fradin ym. (2010) totesi vahvin ehdokas geeni kromosomissa 4 oli CLOCK, geeni, joka koodaa proteiinia säätelevä vuorokausirytmi. Vahvimmat kandidaattigeenit kromosomissa 15 olivat muistiinliittyvä RASGRF1 ja kolinerginen reseptori NRG4, neureguliini 4 ja CHRNA3/B4 sekä DNA: n metylaation säätelyyn osallistuva ja siten epigeneettisten mekanismien kannalta tärkeä MTHF-geeni. Vahvin ehdokas geeni kromosomissa 20 oli SNPH, syntaphilyn geeni, joka tuottaa proteiinia, joka edistää neurotransmittereiden synaptisen käsittelyn kehittymistä. Fradin ym. (2010) löytyi myös todisteita, jotka viittaavat kromosomien muihin vanhempaisaspesifisiin yhteysalueisiin 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17, ja 21. Fradin ym. (2010) totesi, että koska ”leimautumisen ja muiden epigeneettisten mekanismien mahdollinen rooli neuropsykiatrisissa häiriöissä, kuten autismissa, tunnistetut alueet ovat hyviä ehdokkaita funktionaalisten varianttien ja niiden suhteen epigeneettisiin merkkeihin, kuten isän ja äidin DNA: n metylaatiotilaan” (s. 6).

lisänäyttöä epigeneettisistä tekijöistä saatiin Nguyenin et al. (2010), joka esitti epigeneettisten säätelymekanismien olevan tärkeitä autismin patofysiologiassa. Nguyen ym. (2010) suoritti neuropatologisia analyysejä Autism Tissue Programin kuolemanjälkeisistä kudosryhmistä San Diegossa, Kaliforniassa. Tutkijat havaitsivat kahden proteiinin, RORA: n ja BCL-2: n, vähentyneen ilmentymisen pikkuaivoissa ja etulohkon aivokudoksessa, ja totesivat, että molempien proteiinien ilmentymistä olisi voitu vähentää poikkeavalla metylaatiolla. BCL-2 on tärkeä solujen eloonjäämiselle, ja aiemmat tutkimukset olivat ilmoittaneet BCL-2-proteiinin vähentyneen 30% parietaalilohkossa ja ylemmässä frontaalisessa aivokuoressa autistisilla miehillä. RORA-proteiinilla on monia tehtäviä, kuten Purkinjen solujen eloonjäämisen ja erilaistumisen säätely sekä pikkuaivojen kehityksen säätely.

autismin epigeneettisestä syystä on esitetty useita teorioita. Nguyen ym. (2010) totesi, että epigeneettiset mekanismit autismissa olisi tutkittava, koska epigeneettiset ”muutokset voivat vaikuttaa altistumiseen biologisille modulaattoreille ja ympäristötekijöille … genotyypin ja ASDS: ään vaikuttavien luontaisten tai ulkoisten tekijöiden välillä” (s. 3049). Rogaev (2012) esitti hypoteesin, että geneettis–epigenomiset vuorovaikutukset (GEI) olivat todennäköisiä syitä skitsofreniaan ja autismiin. Rogaev (2012) väitti, että muutokset ohjelmoitu epigenomisia muutoksia kehityksen aikana, tai ympäristön aiheuttama muutoksia epigenomisten prosessien muuttaisi genomisia alueita, jotka olivat tavoitteita epigenomisten prosessien, mikä muuttaa geneettisen transkription. Kopsida ym. (2011) totesi, että ”ympäristön aiheuttamat muutokset epigenomisissa prosesseissa” saattavat johtua äidin ruokavaliosta, josta puuttuu foolihappoa, B12-vitamiinia ja koliinia. Näiden ravinnon elementtien puute voi häiritä DNA: n metylaation ja histonin modifioinnin epigeneettisiä prosesseja, mikä heikentää geenien toimintaa, mikä johtaa sikiön aivojen muuttuneeseen kasvuun ja kehitykseen. Kuten edellä on esitetty keskustelussa prenatal tekijät, Schmidt et al. (2011) kertoi, että autististen lasten äidit olivat vähemmän todennäköisesti ottaneet raskausajan vitamiineja ennen raskautta ja sen aikana kuin tyypillisesti kehittyvien lasten äidit. Schmidt ym. (2011) löysi merkittäviä yhteisvaikutuksia kahdelle geenivariantille ja autismiriskille raskausvitamiinien puuttuessa.

Kopsida ym. (2011) ehdotti negatiivista tapahtumakaarta, jossa äidin ruokavalio, infektiot, päihteiden väärinkäyttö, stressi ja trauma voivat johtaa erilaisten painettujen geenien säätelyhäiriöön. Istukan häiriintyneet geenit puolestaan häiritsisivät hapen, ravintoaineiden ja hormonien normaalia virtausta sikiöön, mikä sitten aiheuttaisi häiriintyneen geenien ilmentymisen sikiölle ja siten häiritsisi insuliininkaltaisia kasvutekijöitä. Häiriintyneet kasvutekijät johtaisivat sikiön kasvun rajoittumiseen, mikä puolestaan johtaisi autismiin.

a different theory of epigenetic causality for autis, Ploeger, Raijmakers, van der Maas, and Galis (2010) theorized that autism was result of a single mutation or environmental disturbance ”during early organogenesis, the embryonyal stage from Day 20 to Day 40 after fertilization” (s. 605). He väittivät, että alkioaikana kehon osien välinen vuorovaikutus tekee alkion hyvin alttiiksi kehityksen häiriöille. Ploeger ym. (2011) väitti, että todisteet yhdistää autismi monipuolinen aivojen alijäämät, suuria rakenteellisia poikkeavuuksia, pieniä fyysisiä poikkeavuuksia, ja monet sairaudet kaikki tukivat uskottavuutta alkion 20 päivän ikkuna loukkaus, joka johtaisi autismin oireita.

Ploeger ym. (2011) teoretisoi, että epigeneettisen leimaamisprosessin häiriintyminen oli todennäköisesti syy loukkaukseen 20 päivän haavoittuvuuden aikana. He päättelivät, että painetut geenit ovat tärkeitä neurokehityksessä, ilmenevät varhaisen alkiogeneesin aikana, liittyvät autismiin ja skitsofreniaan, ovat erittäin pleiotrooppisia, voivat selittää sukupuolisuhteet autismissa ja siten voivat olla keskeisin häiriöiden lähde tällä alkiojaksolla.

Yhteenveto: epigeneettisten riskitekijöiden

joillakin autismioireiden riskin aiheuttavilla geenivarianteilla on todettu olevan epigeneettisiä toimintoja. Näitä olivat PTEN, FMR1, MECP2, OXTR, RELN, UBE3A, CHD7 ja joukko muita geenejä. Luvussa 4 esitettiin joukko geenejä, joilla ei ole todettu olevan epigeneettistä toimintaa, mutta joiden on todettu aiheuttavan autismin oireita. Näitä olivat cntnap2, TSC1, TSC2, DHCR7, CACNA1C, NF1, DMD, Arx, CDKl5, FOXP1, GRIK2, FOXP2, SHANK2, A2BP1, SLC6A4, SHANK3, PTCHD1, SLC25A12, MET, AVPR1A ja ITGB3. Huomattava näyttö geenien syy autismin oireita, joilla ei ole epigeneettistä toimintaa viittaa siihen, että epigeneettiset leimautuminen teorioita autismin ehdottamat Kopsida et al. (2011), Ploeger et al. (2011), ja muut eivät pysty selittämään suurinta osaa autismitapauksista.

autismin epigeneettisten riskitekijöiden merkitys saattaa olla selkein folaattimetabolian geeneissä MTHFR, DHFR, TCN2, COMT, RFC ja CBS. Folaatti, B-vitamiini, on ratkaisevan tärkeää sikiön kehitykseen, ja on annettava äidin. Schmidt ym. (2011) raportoi yhteyden autismiriskin, äidin kyvyttömyys ottaa vitamiineja ennen raskautta ja sen aikana, ja kolme varianttia folaatti aineenvaihduntaa geenejä. Niiden äitien joukossa, jotka eivät olleet ottaneet vitamiineja, oli lisääntynyt 4.5 autismin riski MTHFR-muunnoksen omaavien äitien lapsilla, lisääntynyt 2,6 autismin riski CBS-muunnoksen omaavien äitien lapsilla ja lisääntynyt 7,2 autismin riski COMT-muunnoksen omaavilla lapsilla. Tämä näyttö osoitti merkittäviä syy-yhteyksiä ympäristön-folaatin läsnäolon tai puuttumisen-ja epigeneettisiä toimintoja omaavien geenien MTHFR: n, COMT: n ja CBS: n varianttien välillä. Tämä näyttö viittasi myös siihen, että saattaa olla muita tällaisia epigeneettisiä riski geeni-ympäristön vuorovaikutuksia, jotka voivat olla syy autismin oireita.

mecp2-geeniproteiinin epigeneettisten toimintojen kompleksisuus paljastaa tarpeen saada lisää tietoa epigeneettisistä geenivaikutuksista aivoissa. Guy, Cheval, Selfridge, and Bird (2011) totesi, että MeCP2-puutoksen vaikutus aivoihin ”on monilta osin huonosti ymmärretty ja on intensiivisen tutkimuksen kohteena” (s. 633). Guy ym. (2011) raportoi, että havainnot viittaavat siihen, että MeCP2: lla on maailmanlaajuisia vaikutuksia kaikkeen kromatiiniin, ja he tunnistivat monia mecp2: n proteiinikumppaneita: HP1, mSin3a, cSki, YY1, Atrx, YB1, NcoR, Dnmt1, CoREST, CREB, Brahma, H3K9 ja MTase. Tutkijat totesivat, että MeCP2 harjoittaa proteiinikumppaneitaan moniin ratkaiseviin epigeneettisiin toimiin, kuten histonin toiminnan muuttamiseen ja geenien hiljentämiseen. He esittivät myös todisteita, jotka viittasivat siihen, että MeCP2-proteiinin puuttumisesta huolimatta aivot kehittyvät normaalisti. Mecp2-proteiinin puuttumisen haittavaikutukset ilmenevät myöhemmin, kun puuttuminen häiritsee synaptogeneesiä ja neuronin toimintoja (Guy ym., 2011).

ottaen huomioon, että MeCP2: n disruption monimutkaisuus on vasta alkamassa ymmärtää, on selvää, että epigeneettisten prosessien häiriöiden vaikutuksista sikiön aivojen kehityksessä ei ole tällä hetkellä riittävästi näyttöä, jotta autismin epigeneettisestä syy-seuraussuhteesta voitaisiin kehittää mielekäs kertomus.