az autizmus tüneteinek epigenetikus kockázati tényezői

Guinchat et al. (2012b) arra figyelmeztetett, hogy nem volt világos, hogy a prenatális, perinatális és újszülöttkori környezeti kockázatok “okozati vagy másodlagos szerepet játszanak-e a genetikai sérülékenységben szenvedő egyének klinikai expressziójának alakításában” (288. o.). Bármely jel, amely befolyásolja a gén expresszióját vagy hatását, gén–környezet kölcsönhatás. Az epigenetikai folyamatok olyan specifikus mechanizmusok, amelyek szabályozzák a környezeti expozíciót, és amelyeken keresztül a környezeti tényezők egész életen át tartó vagy akár keresztgenerációs hatást gyakorolhatnak a génexpresszióra. Bizonyítékok halmozódnak fel az autizmus epigenetikai folyamatainak diszregulációjára (Fradin et al., 2010; Grafodatskaya et al., 2010; Kopsida et al., 2011; Nguyen, Rauch, Pfeifer, & Hu, 2010).

az epigenetika a kromatin módosítása, amely genomi DNS a kapcsolódó fehérjékkel, nagyrészt hisztonokkal. A kromatin formálja a DNS-t, hogy illeszkedjen a sejtmagba, és strukturálja a DNS-t a replikációhoz és a génexpresszió szabályozásához. A környezeti hatások és a sejten belüli hatások módosítják a kromatint, epigenetikai módosításokat, úgynevezett epigenetikai jeleket hagyva. A módosítás három alapvető folyamaton keresztül történik: a hisztonfehérjék hatása, a DNS metilációja és a kromatin átalakítása. A hisztonok szerkezeti orsókat biztosítanak, amelyek körül a DNS kanyarog, a hisztonok pedig befolyásolják a metilációt. A metilezés egy metil (CH3) Csoport hozzáadása egy gén citozin molekulájához, ami a gén szuppresszióját okozza, más néven elnémítás. A kromatin átalakítás a nukleoszómákat mozgatja a DNS-en, ezáltal lehetővé téve a fehérje transzkripciós faktorok számára a korábban blokkolt DNS-régiók átírását.

az egyén epigenómája jelentős fenotípusos variációt eredményezhet. Az epigenetikus mechanizmusok a következők: lenyomat, amelyben az egyik szülő allélja szabályozza a génexpressziót; X-az X kromoszóma két példányának egyikének inaktiválása; géncsendesítés, ahol a hiszton módosítása kikapcsol egy gént; és sok más mechanizmust is. Turner (2011) összefoglalta, hogy “a hiszton módosítások a mechanizmusok középpontjában állnak, amelyek révén a funkcionálisan jelentős fehérjék és fehérje komplexek a genom meghatározott régióira irányulnak, vagy kizárják őket. Ide tartoznak a transzkripciós faktorok, a kromatint módosító enzimek, a DNS-t metiláló komplexek vagy a nukleoszómákat a DNS-szál mentén áthelyező kromatin-átalakítók” (2033. o.). Ezenkívül Jessen és Auger (2011) feltételezte, hogy az “epigenetikai tényezők nemi különbségei nemcsak hozzájárulnak az agy szexuális differenciálódásához és a társadalmi viselkedéshez, hanem szexuálisan dimorf kockázatot és rugalmasságot biztosítanak a neurológiai és mentális egészségügyi rendellenességek kialakulásához az élet későbbi szakaszában” (857. o.).

Grafodatskaya et al. (2010) áttekintette az autizmus epigenetikai tényezőit, és négy csoportba sorolta őket. Az első csoportba az epigenetikus szindrómák tartoztak, amelyek fokozott kockázatot jelentettek az autizmusra. Ezek közé tartozott három szindróma, amelyek makrocefáliát, PTEN-t, Sotos-szindrómát és Beckwith-Wiedemann-szindrómát okoznak, valamint Rett-szindróma, törékeny X-szindróma, Angelman-szindróma, Prader-Willi-szindróma, Turner-szindróma és CHARGE-szindróma, amelyet a CHD7 gén mutációja okoz, amelyről azt gondolják, hogy epigenetikus szerepet játszik a kromatin átalakításában.

az epigenetikus szindrómák Grafodatskaya et al. (2010) az epigenetikai folyamatok különböző típusait képviselte. Például a Rett-szindróma a MECP2 gén mutációjából származik. A gén metil-CpG kötő protein 2-t termel, amely az epigenetikus kontrollt szabályozza, és szükséges az idegsejtek éréséhez és a szinaptogenezishez. A MECP2 fehérje hiánya abnormálisan felépített neuronokat eredményez, és mivel a neurotranszmitter glutamát túlzott felszabadulását okozza, neurotoxikus hatással van a mikrogliára, az immunrendszer védősejtjeire az agyban (de Leon-Guerrero et al., 2011). A Fragile X szindróma egy másik epigenetikai folyamatot foglal magában: az FMR1 gén megváltozása fokozott érzékenységet biztosít a metilációra és az FMR1 gén ennek következtében történő elnémítására. Az Angelman-szindróma és a Prader-Willi-szindróma egy újabb epigenetikai folyamatot foglal magában: a lenyomatot.

20 000-22 000 génünket párban örököljük. Mindegyik pár tartalmazza anyánk génváltozatát, az úgynevezett anyai allélt, és apánk változatát, az apai allélt. Egyes gének esetében csak az anyai allél vagy az apai allél expresszálódik, a másik allélt pedig lenyomatokkal elhallgattatják. Jelenleg közel 100 emberi gént azonosítottak, amelyek nyomtatott expressziót mutatnak (Barlow, 2011). A legtöbb lenyomott gén egy kromoszómális domén klasztereiben fordul elő, amelyet egy lenyomatközpont szabályoz, amely szabályozza az anyai versus apai kromoszóma régiók aktiválódását. A legfontosabb, hogy a lenyomott gének által termelt sok fehérje szabályozza az agy fejlődését.

Angelman-szindróma az autizmus egyes eseteit jelenti. Az anyai lenyomatú UBE3A gén funkciójának elvesztéséből származik, amely génben az apai allél általában elnémul. Ez a veszteség a gén pontmutációinak vagy a maternálisan örökölt 15q11–q13 kromoszóma régió deléciójának, vagy a 15q11–q13 régió génklaszterének speciális lenyomatközpontján belüli mutációknak a következménye lehet. A Prader-Willi-szindróma, egy másik epigenetikus szindróma, amely autista tüneteket okozhat, egy vagy több apai expresszió elvesztéséből származik gének ugyanabban a kromoszómális régióban, 15q11–q13.

a második csoport Grafodatskaya et al. (2010) meghatározták az epigenetikai jelek által szabályozott génekhez vagy genomi régiókhoz kapcsolódó szindrómás autizmust. Ebbe a csoportba tartoztak a 15q11–13 régió kromoszómális duplikációjának génjei, mint például az UBE3A, az SNRPN és az NDN. A 15q11–13 régió törlésével és az Ube3a gén funkciójának elvesztésével ellentétben Angelman–szindrómában a 15q11-13 régió duplikációja nem okoz Angelman-szindrómát vagy Prader-Willi-szindrómát. Az ezzel a kromoszómális duplikációval rendelkező egyének 85% – ánál azonban autizmust diagnosztizáltak. Grafodatskaya et al. (2010) áttekintette a 15q11–13 duplikációk fenotípusának kiterjedt változékonyságát. Az autizmus tünetei mellett a fenotípus változékonysága számos kognitív károsodást, szorongást, dührohamot, hiperaktivitást, motoros késéseket, rohamokat és diszmorf arcvonásokat, valamint társadalmi és nyelvi hiányokat tartalmazott.

Grafodatskaya et al. (2010) a harmadik csoportot idiopátiás autizmusként határozta meg, amely epigenetikusan szabályozott génekhez vagy genomiális régiókhoz vagy génekhez kapcsolódik, amelyek epigenetikai szabályozást szolgáltak. Ebbe a csoportba tartoztak a folát metabolizmus gének, az MTHFR, a DHFR, a TCN2, a COMT és az RFC, valamint az EPIGENETIKUSAN szabályozott RELN, BDNF és OXTR gének. Ez a harmadik csoport tartalmazta a DLX6.1 nyomott gént a 7.kromoszóma hosszú karján, az 1. kromoszómán pedig egy uniparental anyai diszómiát. Az uniparentális diszómia akkor fordul elő, amikor egy kromoszómapár mindkét példánya az egyik szülőtől származik, és rendezetlen fejlődést okozhat a lenyomat megzavarásával vagy a recesszív génmutációk kifejeződésének lehetővé tételével.

két példa erre a harmadik csoportra az OXTR és a RELN gének. Az oxitocin receptor gén promóterének fokozott metilációja az autizmushoz kapcsolódott. A RELN génnek van egy kapcsolódó régiója, és a gént a kapcsolódó régióval együtt a RELN gén hosszú allélváltozatának nevezzük. A hosszú allél képes epigenetikusan elnyomni a génexpressziót, és az autizmussal összefüggésben találták. A RELN fehérje kritikus fontosságú az idegsejtek migrációja és a szinapszis kialakulása szempontjából az agy nagy részében.

a negyedik csoport Grafodatskaya et al. (2010) az autizmus epigenetikus kockázati tényezőjeként definiálva olyan kezeléseket tartalmazott, amelyek megváltoztatták az epigenetikai jeleket. Ezek közé tartozott az asszisztált reprodukcióban részt vevő petesejtek indukciós folyamata, valamint a valproát, a görcsrohamok, a migrénes fejfájás, valamint a bipoláris zavarhoz társuló mániás vagy kevert epizódok kezelésére alkalmazott gyógyszer. Az asszisztált reprodukcióban az ovuláció indukálásának folyamata összefüggésbe hozható két lenyomatbetegség—Beckwith-Wiedemann—szindróma és Angelman-szindróma-fokozott kockázatával, valamint az autizmus tüneteinek növekedésével. A valproátról kimutatták, hogy megváltoztatja a folsav metabolizmusát és befolyásolja a hisztonfunkciókat. Epigenetikus változások által okozott valproát által hozott egy anya a terhesség alatt okozhat kedvezőtlen eredményeket, mint a spina bifida, szívhibák, craniofacialis rendellenességek, csontváz és végtag hibák, dysmorphic jellemzők, csökkent méhen belüli növekedés, értelmi fogyatékosság, és az autizmus tüneteit.

a Grafodatskaya et al. (2010), vannak más megállapítások és elméletek az autizmus epigenetikai tényezőiről. A lehetséges epigenetikai tényezők bizonyítékáról Fradin et al. (2010). A kutatók 16 311 SNP-t használtak két családi mintában: az Autism Genetic Resource Exchange-ben és a National Institute of Mental Health autism repository-ban. A kutatók a 4-es, a 15-ös és a 20-as kromoszómához kapcsolódóan jelentős szülői kapcsolatot találtak. Fradin et al. (2010) megjegyezte, hogy a 4.kromoszómán a legerősebb jelölt gén az óra, egy gén, amely a cirkadián ritmust szabályozó fehérjét kódolja. A 15. kromoszóma legerősebb jelölt génjei a RASGRF1, a memóriához kapcsolódó gén, az NRG4, a neuregulin 4, A CHRNA3/B4, a kolinerg receptor, valamint az MTHFS, a DNS-metiláció szabályozásában részt vevő gén, ezért fontosak az epigenetikai mechanizmusok szempontjából. A 20. kromoszóma legerősebb jelölt génje az SNPH, a syntaphiliyn gén, amely olyan fehérjét termel, amely hozzájárul a neurotranszmitterek szinaptikus feldolgozásának kialakulásához. Fradin et al. (2010) olyan bizonyítékokat is talált, amelyek további szülő-specifikus kapcsolódási régiókra utalnak a kromoszómákon 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17, és 21. Fradin et al. (2010) arra a következtetésre jutott, hogy “a lenyomat és más epigenetikai mechanizmusok potenciális szerepe miatt a neuropszichiátriai rendellenességekben, például az autizmusban, az azonosított régiók jó jelöltek a funkcionális variánsok értékelésére és kapcsolatukra az epigenetikai jelekkel, például az apai és anyai DNS metilációs státusával” (6. oldal).

az epigenetikai tényezők további bizonyítékai Nguyen et al. (2010), aki azt javasolta, hogy az epigenetikus szabályozó mechanizmusok fontosak legyenek az autizmus patofiziológiájában. Nguyen et al. (2010) neuropatológiai elemzéseket végzett a halál utáni szöveti tömbökből az autizmus szöveti programból San Diegóban, Kaliforniában. A kutatók két fehérje, a RORA és a BCL-2 expressziójának csökkenését találták a kisagy és a frontális kéreg szövetében, és megjegyezték, hogy mindkét fehérje expresszióját aberráns metiláció csökkentheti. A BCL-2 fontos a sejtek túlélése szempontjából, és korábbi vizsgálatok szerint a Bcl-2 fehérje 30% – kal csökkent a parietális lebenyekben és az autista férfiak felső frontális kéregében. A RORA fehérje számos funkcióval rendelkezik, beleértve a Purkinje sejtek túlélésének és differenciálódásának szabályozását, valamint a kisagy fejlődésének szabályozását.

az autizmus epigenetikai okának számos elméletét javasolták. Nguyen et al. (2010) arra a következtetésre jutott, hogy az autizmus epigenetikai mechanizmusait meg kell vizsgálni, mert az epigenetikus “módosításokat befolyásolhatja a biológiai modulátoroknak és a környezeti tényezőknek való kitettség … a genotípus és az ASDs-hez hozzájáruló belső vagy külső tényezők között” (3049. o.). Rogaev (2012) feltételezte, hogy a genetikai–epigenomikus kölcsönhatások (GEI) valószínűleg a skizofrénia és az autizmus okai. Rogaev (2012) azzal érvelt, hogy a programozott epigenomikus transzformációk változásai a fejlődés során, vagy az epigenomikus folyamatok környezet által kiváltott változásai megváltoztatnák azokat a genomi régiókat, amelyek az epigenomikus folyamatok célpontjai voltak, ami megváltozott genetikai transzkripciót eredményez. Kopsida et al. (2011) megfigyelte, hogy “az epigenomikus folyamatok környezet által kiváltott változásait” az anyai étrend okozhatja, amelyben nincs folsav, B12-vitamin és kolin. Ezeknek az étrendi elemeknek a hiánya megzavarhatja a DNS-metiláció és a hisztonmódosítás epigenetikai folyamatait, ezáltal rontva a génfunkciót, ami a magzati agy megváltozott növekedéséhez és fejlődéséhez vezet. Amint azt a prenatális tényezők megvitatásában fentebb vázoltuk, Schmidt et al. (2011) arról számolt be, hogy az autista gyermekek anyái kisebb valószínűséggel szedtek prenatális vitaminokat a terhesség előtt és alatt, mint a tipikusan fejlődő gyermekek anyái. Schmidt et al. (2011) jelentős kölcsönhatásokat talált két génvariánsra és az autizmus kockázatára a prenatális vitaminok hiányában.

Kopsida et al. (2011) olyan események negatív kaszkádját javasolta, amelyekben az anya étrendje, fertőzései, kábítószer-visszaélés, stressz és trauma különböző lenyomott gének szabályozatlan placenta expresszióját eredményezheti. A placenta szabályozatlan nyomott génjei viszont megzavarnák az oxigén, a tápanyagok és a hormonok normális áramlását a magzatba, ami aztán a nyomott gének szabályozatlan magzati expresszióját okozná, és így megzavarná az inzulinszerű növekedési faktorokat. A megzavart növekedési faktorok magzati növekedés korlátozását eredményeznék, melyik, viszont, autizmust eredményezne.

Az autizmus epigenetikus okozati összefüggésének egy másik elméletében Ploeger, Raijmakers, van der Maas, and Galis (2010) elmélete szerint az autizmus egyetlen mutáció vagy környezeti zavar eredménye “a korai organogenezis során, az embrionális szakaszban a megtermékenyítés utáni 20. naptól a 40.napig” (605. o.). Azt állították, hogy ebben az embrionális időszakban a testrészek közötti interaktivitás nagyon sebezhetővé teszi az embriót a fejlődési zavarokkal szemben. Ploeger et al. (2011) azzal érvelt, hogy a bizonyítékok, amelyek összekapcsolják az autizmust a változatos agyi deficitekkel, a fő szerkezeti anomáliákkal, a kisebb fizikai anomáliákkal és számos egészségügyi állapottal, mind alátámasztják az embrionális 20 napos ablak hitelességét egy olyan sértés miatt, amely autizmus tüneteit eredményezné.

Ploeger et al. (2011) elmélete szerint a lenyomat epigenetikai folyamatának megzavarása valószínűleg a sértés oka volt a sebezhetőség 20 napos időszakában. Úgy vélték, hogy a lenyomott gének fontosak az idegfejlődésben, a korai embriogenezis során expresszálódnak, az autizmussal és a skizofréniával kapcsolatosak, erősen pleiotropikusak, felelősek lehetnek az autizmusban a nemi arányokért, és így lehetnek a zavarok központi forrása ebben az embrionális időszakban.

Összegzés: további adatokra van szükség az epigenetikus kockázati tényezők megértéséhez

Az autizmus tüneteinek kockázatát jelentő génvariánsok közül néhányat epigenetikus funkcióként azonosítottak. Ezek közé tartozott a PTEN, az FMR1, a MECP2, az OXTR, a RELN, az UBE3A, a CHD7 és számos más gén. A 4. fejezetben számos olyan gént vázoltak fel, amelyekről nem találtak epigenetikus funkciót, de az autizmus tüneteit okozati okként azonosították. Ezek közé tartozott a CNTNAP2, TSC1, TSC2, DHCR7, CACNA1C, NF1, DMD, ARX, CDKl5, FOXP1, GRIK2, FOXP2, SHANK2, A2BP1, SLC6A4, SHANK3, PTCHD1, SLC25A12, MET, AVPR1A és ITGB3. Az epigenetikus funkcióval nem rendelkező autizmus tüneteinek okozati génjeire vonatkozó jelentős bizonyítékok arra utalnak, hogy a kopsida et al. (2011), Ploeger et al. (2011), mások pedig nem tudják megmagyarázni az autizmus eseteinek többségét.

az epigenetikus rizikófaktorok jelentősége az autizmusban a folát metabolizmus gének, az MTHFR, a DHFR, a TCN2, a COMT, az RFC és a CBS esetében lehet a legtisztább. A folát, a B-vitamin, elengedhetetlen a magzati fejlődéshez, és az anyának kell biztosítania. Schmidt et al. (2011) összefüggést jelentett az autizmus kockázata, az anyai kudarc, hogy vitaminokat szedjen a terhesség előtt és alatt, valamint a folát anyagcsere gének három változata között. Azok között az anyák között, akik nem szedtek vitaminokat, megnövekedett 4 volt.5 az autizmus kockázati aránya az MTHFR variánsú anyák gyermekeiben, az autizmus megnövekedett 2,6 kockázati aránya a CBS variánsú anyák gyermekeiben, valamint az autizmus megnövekedett 7,2 kockázati aránya a COMT variánsú gyermekeknél. Ez a bizonyíték jelentős ok-okozati összefüggést mutatott a környezet—a folsav jelenléte vagy hiánya—és az epigenetikai funkciójú MTHFR, COMT és CBS gének variánsai között. Ez a bizonyíték arra is utalt, hogy lehetnek más ilyen epigenetikus kockázati gén-környezet kölcsönhatások, amelyek okozati okai lehetnek az autizmus tüneteinek.

a MECP2 génfehérje epigenetikai funkcióinak bonyolultsága feltárja az epigenetikus génhatások ismeretének szükségességét az agyban. Guy, Cheval, Selfridge, and Bird (2011) megjegyezte, hogy a MeCP2 hiánynak az agyra gyakorolt hatása “sok szempontból kevéssé ismert, és intenzív kutatás tárgyát képezi” (633. o.). Guy et al. (2011) arról számolt be, hogy az eredmények azt sugallják, hogy a MeCP2 globális hatással van az összes kromatinra, és számos fehérje partnert azonosítottak a MeCP2 számára: HP1, mSin3a, cSki, YY1, Atrx, YB1, NcoR, Dnmt1, CoREST, CREB, Brahma, H3K9 és MTase. A kutatók kijelentették, hogy a MeCP2 számos kulcsfontosságú epigenetikai tevékenységet folytat a fehérje partnereivel, beleértve a hiszton funkció megváltoztatását és a gének elhallgattatását. Bizonyítékot szolgáltattak arra is, hogy a MeCP2 fehérje hiánya ellenére az agy normálisan fejlődik. A MeCP2 fehérje hiányának káros hatásai később jelentkeznek, amikor a hiány megzavarja a szinaptogenezist és a neuron funkciókat (Guy et al., 2011).

tekintettel arra, hogy a MeCP2 zavarának összetettsége még csak most kezdődik megérteni, egyértelmű, hogy nincs elegendő bizonyíték az epigenetikus folyamatok megzavarásának hatásairól a magzati agy fejlődésében jelenleg az epigenetikus ok-okozati összefüggés értelmes elbeszélésének kidolgozása az autizmus számára.