epigenetyczne czynniki ryzyka objawów autyzmu

Guinchat et al. (2012b) ostrzegł, że nie jest jasne, czy prenatalne, okołoporodowe i noworodkowe zagrożenia środowiskowe były „przyczynowe lub odgrywają drugorzędną rolę w kształtowaniu ekspresji klinicznej u osób z podatnością genetyczną” (s. 288). Każdy sygnał, który wpływa na ekspresję lub działanie genu, jest interakcją genu z otoczeniem. Procesy epigenetyczne są specyficznymi mechanizmami, które regulują ekspozycję na środowisko i dzięki którym czynniki środowiskowe mogą wywierać wpływ na ekspresję genów przez całe życie lub nawet przez pokolenia. Dowody na dysregulację procesów epigenetycznych w autyzmie zostały nagromadzone (Fradin et al., 2010; Grafodatskaya et al., 2010; Kopsida et al., 2011; Nguyen, Rauch, Pfeifer, & Hu, 2010).

epigenetyka jest modyfikacją chromatyny, która jest genomowym DNA z powiązanymi białkami, głównie histonami. Chromatyna kształtuje DNA, aby zmieścić się w jądrze komórki, i struktury DNA do replikacji i kontroli ekspresji genów. Efekty środowiskowe i wewnątrzkomórkowe modyfikują chromatynę, pozostawiając modyfikacje epigenetyczne, zwane znakami epigenetycznymi. Modyfikacja odbywa się poprzez trzy podstawowe procesy: działanie białek histonowych, metylację DNA i przebudowę chromatyny. Histony zapewniają szpule strukturalne, wokół których wije się DNA, a histony wpływają na metylację. Metylacja to dodanie grupy metylowej (CH3) do cząsteczki cytozyny w genie, powodujące supresję tego genu, zwaną również wyciszaniem. Chromatyna remodeling porusza nucleosomes na DNA, tym samym pozwalając proteinowymi czynnikami transkryptowymi transkrybować DNA regiony poprzednio blokowane.

epigenom osobnika może stanowić znaczną zmienność fenotypową. Mechanizmy epigenetyczne obejmują: imprinting, w którym allel jednego z rodziców kontroluje ekspresję genu; x-inaktywacja jednej z dwóch kopii chromosomu X; wyciszanie genów, w którym modyfikacja histonu wyłącza gen; i wiele innych mechanizmów. Turner (2011) podsumował, że „modyfikacje histonów leżą w sercu mechanizmów, za pomocą których różne funkcjonalnie znaczące białka i kompleksy białkowe są skierowane do określonych regionów genomu lub wykluczone z nich. Należą do nich czynniki transkrypcyjne, enzymy modyfikujące chromatynę, kompleksy, które metylują DNA lub modyfikatory chromatyny, które zmieniają położenie nukleosomów wzdłuż nici DNA” (S. 2033). Ponadto Jessen and Auger (2011) wysunęli hipotezę, że różnice płci w „czynnikach epigenetycznych nie tylko przyczyniają się do różnicowania płciowego mózgu i zachowań społecznych, ale mogą one nadawać seksualnie dymorficzne ryzyko i odporność na rozwój zaburzeń neurologicznych i psychicznych w późniejszym życiu” (P. 857).

Grafodatska i in. (2010) zrecenzował czynniki epigenetyczne w autyzmie i zorganizował je w cztery grupy. Pierwsza grupa obejmowała zespoły epigenetyczne o zwiększonym ryzyku autyzmu. Obejmowały one trzy zespoły, które powodują makrocefalię, PTEN, zespół Sotosa i zespół Beckwitha-Wiedemanna, a także zespół Retta, zespół kruchego X, Zespół Angelmana, zespół Pradera-Williego, zespół Turnera i zespół CHARGE spowodowany przez mutację w genie CHD7, o którym uważa się, że ma epigenetyczną rolę w przebudowie chromatyny.

zespoły epigenetyczne zgrupowane przez Grafodatskaya et al. (2010) reprezentował różne rodzaje procesów epigenetycznych. Na przykład zespół Retta wynika z mutacji w genie MECP2. Gen wytwarza białko wiążące metylo-CpG 2, białko, które reguluje kontrolę epigenetyczną i jest wymagane do dojrzewania neuronów i synaptogenezy. Brak białka MECP2 powoduje nieprawidłowo skonstruowane neurony, a ponieważ powoduje nadmierne uwalnianie neuroprzekaźnika glutaminianu, ma neurotoksyczny wpływ na mikroglej, komórki ochronne układu odpornościowego w mózgu (de Leon-Guerrero et al., 2011). Zespół Fragile X obejmuje inny proces epigenetyczny: zmiana w genie FMR1 zwiększa podatność na metylację i w konsekwencji wyciszenie genu FMR1. Zespół Angelmana i zespół Pradera-Williego obejmują jeszcze inny proces epigenetyczny: imprinting.

dziedziczymy nasze 20 000-22 000 genów w parach. Każda para zawiera wariant genu naszej matki, zwany matczynym allelem, i wariant naszego Ojca, ojcowski allel. W przypadku niektórych genów tylko allel matczyny lub allel ojcowski jest wyrażany, a drugi allel jest wyciszany przez imprinting. Obecnie prawie 100 ludzkich genów zostało zidentyfikowanych jako wykazujące Imprinted expression (Barlow, 2011). Większość nadrukowanych genów występuje w klastrach w domenie chromosomowej regulowanej przez Centrum nadruku, które kontroluje aktywację regionów chromosomowych matki i ojca. Najważniejsze jest to, że wiele białek wytwarzanych przez nadrukowane geny reguluje rozwój mózgu.

zespół Angelmana dotyczy niektórych przypadków autyzmu. Wynika to z utraty funkcji nadrukowanego przez matkę genu UBE3A, genu, w którym allel ojcowski jest normalnie wyciszony. Utrata ta może wystąpić w wyniku mutacji punktowych w genie lub delecji dziedziczonego przez matkę regionu chromosomu 15q11–q13 lub mutacji w wyspecjalizowanym centrum imprintingu w klastrze genów w regionie 15q11–q13. Zespół Pradera-Williego, inny zespół epigenetyczny, który może wywoływać objawy autyzmu, wynika z utraty ekspresji jednego lub więcej genów ekspresji ojcowskiej w tym samym regionie chromosomalnym, 15q11-q13.

druga grupa Grafodatskaya et al. (2010) zdefiniowano autyzm syndromiczny związany z genami lub regionami genomowymi regulowanymi znakami epigenetycznymi. Grupa ta obejmowała geny w duplikacji chromosomów regionu 15Q11-13, takie jak UBE3A, SNRPN i NDN. W przeciwieństwie do delecji regionu 15Q11–13 i utraty funkcji genu UBE3A w zespole Angelmana, duplikacja regionu 15q11–13 nie powoduje zespołu Angelmana ani zespołu Pradera-Williego. Jednak u 85% osób z tym duplikacją chromosomów zdiagnozowano autyzm. Grafodatskaya et al. (2010) reviewed the extensive variability in the fenotyp of 15q11-13 duplications. Oprócz objawów autyzmu, zmienność tego fenotypu obejmowała szereg upośledzeń poznawczych, lęków, napadów złości, nadpobudliwości, opóźnień ruchowych, drgawek i dysmorficznych rysów twarzy, a także deficytów społecznych i językowych.

Grafodatska i in. (2010) zdefiniował trzecią grupę jako autyzm idiopatyczny związany z genami regulowanymi epigenetycznie lub regionami genomowymi lub genami, które służyły regulacji epigenetycznej. Grupa ta obejmowała geny metabolizmu kwasu foliowego, MTHFR, DHFR, TCN2, COMT i RFC oraz geny regulowane epigenetycznie RELN, BDNF i OXTR. Ta trzecia grupa obejmowała również odciśnięty Gen DLX6.1 na długim ramieniu chromosomu 7 i jednopierścieniową disomię matki na chromosomie 1. Disomia jednobiegunowa występuje, gdy obie kopie pary chromosomalnej pochodzą od jednego z rodziców i może powodować nieuporządkowany rozwój poprzez zakłócanie imprintingu lub poprzez umożliwienie ekspresji recesywnych mutacji genowych.

dwa przykłady tej trzeciej grupy to geny OXTR i RELN. Zwiększona metylacja promotora genu receptora oksytocyny była związana z autyzmem. Gen RELN ma region stowarzyszony, A Gen wraz z regionem stowarzyszonym nazywa się długim wariantem alleli genu RELN. Długi allel jest w stanie epigenetycznie tłumić ekspresję genów i został znaleziony w związku z autyzmem. Białko RELN ma kluczowe znaczenie dla migracji neuronów i tworzenia synaps w dużej części mózgu.

czwarta grupa Grafodatskaya et al. (2010) zdefiniowane jako epigenetyczne czynniki ryzyka autyzmu obejmowały zabiegi, które zmieniły znaki epigenetyczne. Obejmowały one proces indukcji komórek jajowych wspomaganego rozrodu oraz walproinian, lek stosowany w leczeniu napadów padaczkowych, migrenowych bólów głowy oraz epizodów maniakalnych lub mieszanych związanych z chorobą afektywną dwubiegunową. Proces wywoływania owulacji w rozrodzie wspomaganej wiąże się ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia dwóch zaburzeń—zespołu Beckwitha-Wiedemanna i zespołu Angelmana—oraz zwiększeniem ryzyka wystąpienia objawów autyzmu. Wykazano, że walproinian zmienia metabolizm kwasu foliowego i zaburza funkcje histonów. Zmiany epigenetyczne spowodowane przez walproinian przyjmowany przez matkę w czasie ciąży powodują niekorzystne skutki, takie jak rozszczep kręgosłupa, wady serca, nieprawidłowości twarzoczaszki, wady szkieletu i kończyn, cechy dysmorficzne, zmniejszony wzrost wewnątrzmaciczny, niepełnosprawność intelektualna i objawy autyzmu.

oprócz czynników epigenetycznych ocenianych przez Grafodatskaya et al. (2010), istnieją inne ustalenia i teorie czynników epigenetycznych w autyzmie. Dowody na możliwe czynniki epigenetyczne zostały zgłoszone przez Fradin i wsp. (2010). Naukowcy przeprowadzili skanowanie połączeń w całym genomie w poszukiwaniu efektów rodzica pochodzenia przy użyciu 16 311 SNP w dwóch próbkach rodzinnych: Autyzm Genetic Resource Exchange i National Institute of Mental Health autyzm repozytorium. Naukowcy odkryli istotne połączenie rodzica pochodzenia dla chromosomów 4, 15 i 20. Fradin et al. (2010) zauważył najsilniejszy Gen kandydujący na chromosomie 4 był zegar, gen, który koduje białko regulujące rytm dobowy. Najsilniejszymi genami kandydującymi na chromosom 15 były RASGRF1, gen związany z pamięcią, oraz nrg4, neuregulina 4 i CHRNA3/B4, receptor cholinergiczny, a także MTHFS, Gen zaangażowany w regulację metylacji DNA, a tym samym ważny dla mechanizmów epigenetycznych. Najsilniejszym genem kandydującym na chromosom 20 był SNPH, Gen syntaphiliyn, który produkuje białko, które przyczynia się do rozwoju synaptycznego przetwarzania neuroprzekaźników. Fradin et al. (2010) znaleziono również dowody sugerujące dodatkowe regiony wiązania specyficzne dla rodziców na chromosomach 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17, i 21. Fradin et al. (2010) stwierdził ,że ze względu na „potencjalną rolę imprintingu i innych mechanizmów epigenetycznych w zaburzeniach neuropsychiatrycznych, takich jak autyzm, zidentyfikowane regiony są dobrymi kandydatami do oceny wariantów funkcjonalnych i ich związku ze znakami epigenetycznymi, takimi jak status metylacji DNA ojcowskiego i matczynego” (s. 6).

dodatkowe dowody na czynniki epigenetyczne pochodzą z badań Nguyen et al. (2010), who zaproponował, że epigenetyczne mechanizmy regulacyjne były ważne w patofizjologii autyzmu. Nguyen et al. (2010) przeprowadził analizy neuropatologiczne z pośmiertnych tablic tkankowych z programu tkanek autyzmu w San Diego w Kalifornii. Naukowcy odkryli zmniejszoną ekspresję dwóch białek, RORA i BCL-2, w tkance móżdżku i kory czołowej, i zauważyli, że ekspresja obu białek mogła zostać obniżona przez nieprawidłową metylację. Bcl-2 jest ważny dla przetrwania komórek, a wcześniejsze badania donosiły o 30% redukcji białka BCL-2 w płatach ciemieniowych i górnej korze czołowej u mężczyzn z autyzmem. Białko RORA pełni wiele funkcji, w tym reguluje przeżywalność i różnicowanie komórek Purkinjego oraz reguluje rozwój móżdżku.

zaproponowano kilka teorii epigenetycznej przyczyny autyzmu. Nguyen et al. (2010) stwierdził, że mechanizmy epigenetyczne w autyzmie powinny być badane, ponieważ epigenetyczne „modyfikacje mogą mieć wpływ na ekspozycję na modulatory biologiczne i czynniki środowiskowe … między genotypem a czynnikami wewnętrznymi lub zewnętrznymi przyczyniającymi się do ASD” (P. 3049). Rogaev (2012) postawił hipotezę, że interakcje genetyczno–epigenomiczne (GEI) były prawdopodobnymi przyczynami schizofrenii i autyzmu. Rogaev (2012) argumentował, że zmiany w programowanych transformacjach epigenomicznych podczas rozwoju lub wywołane przez środowisko zmiany w procesach epigenomicznych zmieniłyby regiony genomowe, które były celami procesów epigenomicznych, powodując zmianę transkrypcji genetycznej. Kopsida i in. (2011) zauważył, że „zmiany wywołane przez środowisko w procesach epigenomicznych” mogą być spowodowane przez dietę matki pozbawioną kwasu foliowego, witaminy B12 i choliny. Brak tych elementów diety może zakłócić epigenetyczne procesy metylacji DNA i modyfikacji histonów, upośledzając w ten sposób funkcję genów, prowadząc do zmiany wzrostu i rozwoju mózgu płodu. Jak przedstawiono powyżej w dyskusji czynników prenatalnych, Schmidt et al. (2011) poinformował, że matki dzieci z autyzmem były mniej prawdopodobne, aby przyjmować prenatalnych witamin przed i w czasie ciąży, niż matki zwykle rozwijających się dzieci. Schmidt i in. (2011) znaleziono znaczące interakcje dla dwóch wariantów genów i ryzyka autyzmu w przypadku braku prenatalnych witamin.

Kopsida i in. (2011) zaproponował negatywną kaskadę zdarzeń, w których dieta matki, infekcje, nadużywanie substancji, stres i trauma mogą spowodować rozregulowaną ekspresję łożyskową różnych nadrukowanych genów. Rozregulowane nadrukowane geny łożyska z kolei zakłóciłyby normalny przepływ tlenu, składników odżywczych i hormonów do płodu, co następnie spowodowałoby rozregulowaną ekspresję genów nadrukowanych przez płód, a tym samym zakłóciłoby insulinopodobne czynniki wzrostu. Zaburzone czynniki wzrostu spowodowałyby ograniczenie wzrostu płodu, co z kolei skutkowałoby autyzmem.

w innej teorii epigenetycznej przyczynowości dla autyzmu, Ploeger, Raijmakers, van der Maas, and Galis (2010) teoretyzowali, że autyzm był wynikiem pojedynczej mutacji lub zaburzeń środowiskowych „podczas wczesnej organogenezy, Stadium embrionalne od dnia 20 do dnia 40 po zapłodnieniu” (S. 605). Twierdzili, że w tym okresie embrionalnym interakcja między częściami ciała sprawia, że embrion jest bardzo podatny na zakłócenia rozwojowe. Ploeger et al. (2011) twierdził, że dowody łączące autyzm z różnymi deficytami mózgu, głównymi anomaliami strukturalnymi, niewielkimi anomaliami fizycznymi i wieloma schorzeniami wspierały wiarygodność embrionalnego 20-dniowego okna na obrazę, która spowodowałaby objawy autyzmu.

Ploeger i in. (2011) teoretyzował, że zakłócenie epigenetycznego procesu imprintingu mogło być przyczyną zniewagi podczas 20-dniowego okresu podatności. Uzasadnili oni, że geny nadrukowane są ważne w rozwoju neurologicznym, są wyrażone podczas wczesnej embriogenezy, są związane z autyzmem i schizofrenią, są wysoce plejotropowe, mogą odpowiadać za stosunek płci w autyzmie, a zatem mogą być głównym źródłem zakłóceń w tym okresie embrionalnym.

podsumowanie: potrzebne są więcej danych, aby zrozumieć epigenetyczne czynniki ryzyka

niektóre warianty genów zidentyfikowane jako nadające ryzyko objawów autyzmu zostały zidentyfikowane jako posiadające funkcje epigenetyczne. Obejmowały one PTEN, FMR1, MECP2, OXTR, RELN, UBE3A, CHD7 i wiele innych genów. W rozdziale 4 przedstawiono szereg genów, które nie mają funkcji epigenetycznej, ale zostały zidentyfikowane jako przyczynowe dla objawów autyzmu. Obejmowały one CNTNAP2, TSC1, TSC2, DHCR7, CACNA1C, NF1, DMD, ARX, CDKl5, FOXP1, GRIK2, FOXP2, SHANK2, A2BP1, SLC6A4, SHANK3, PTCHD1, SLC25A12, MET, AVPR1A i ITGB3. Znaczne dowody na geny przyczynowe dla objawów autyzmu, które nie mają funkcji epigenetycznej sugerują, że epigenetyczne imprinting teorie autyzmu zaproponowane przez Kopsida et al. (2011), Ploeger et al. (2011), a inni nie będą w stanie uwzględnić większości przypadków autyzmu.

znaczenie epigenetycznych czynników ryzyka w autyzmie może być najjaśniejsze dla genów metabolizmu kwasu foliowego, MTHFR, DHFR, TCN2, COMT, RFC i CBS. Kwas foliowy, witamina B, ma kluczowe znaczenie dla rozwoju płodu i musi być dostarczana przez matkę. Schmidt i in. (2011) poinformował o związku między ryzykiem autyzmu, niepowodzeniem matki w przyjmowaniu witamin przed i w czasie ciąży oraz trzema wariantami genów metabolizmu kwasu foliowego. Wśród tych matek, które nie przyjmowały witamin, nastąpił wzrost 4.5 wskaźnik ryzyka autyzmu u dzieci matek z wariantem MTHFR, zwiększony 2,6 wskaźnik ryzyka autyzmu u dzieci matek z wariantem CBS i zwiększony 7,2 wskaźnik ryzyka autyzmu u dzieci z wariantem COMT. Dowody te wykazały znaczące związki przyczynowe między środowiskiem-obecność lub brak kwasu foliowego – a wariantami genów MTHFR, COMT i CBS z funkcjami epigenetycznymi. Dowody te sugerują również, że mogą istnieć inne takie epigenetyczne interakcje między genem a środowiskiem, które mogą być przyczynowe dla objawów autyzmu.

złożoność epigenetycznych funkcji białka genu MECP2 ujawnia potrzebę większej wiedzy o efektach genu epigenetycznego w mózgu. Guy, Cheval, Selfridge, and Bird (2011) zauważyli, że wpływ niedoboru MeCP2 na mózg „jest słabo poznany pod wieloma względami i jest przedmiotem intensywnych badań” (S. 633). Guy et al. (2011) poinformował, że odkrycia sugerują, że MeCP2 ma globalny wpływ na wszystkie chromatyny i zidentyfikowali wielu partnerów białkowych MeCP2: HP1, mSin3a, cSki, YY1, Atrx, YB1, NcoR, Dnmt1, CoREST, CREB, Brahma, H3K9 i MTase. Naukowcy stwierdzili, że MeCP2 angażuje swoich partnerów białkowych w wiele kluczowych działań epigenetycznych, w tym zmianę funkcji histonów i wyciszanie genów. Zaproponowano również dowody sugerujące, że pomimo braku białka MeCP2 mózg rozwija się normalnie. Niekorzystne skutki braku białka MeCP2 występują później, gdy brak zakłóca synaptogenezę i funkcje neuronów (Guy et al., 2011).

biorąc pod uwagę, że złożoność zakłócenia MeCP2 dopiero zaczyna być zrozumiana, oczywiste jest, że nie ma wystarczających dowodów na skutki zakłócenia procesów epigenetycznych w rozwoju mózgu płodu w chwili obecnej, aby opracować sensowną narrację epigenetycznej przyczynowości dla autyzmu.