Почему одна генетическая аномалия может проявляться по-разному у различных людей

Делеции и дупликации в областях 1q21.1, 15q13.3 и 22q11.2 по-разному влияют на фенотип у различных людей. Так, делеция 16p12.1 длиной 500 т.п.н., включающая восемь генов, может быть связана с умственной отсталостью, задержками в развитии, расстройствами аутистического спектра (РАС), врожденными аномалиями, эпилепсией, шизофренией, депрессией и тревожностью, причем выраженность симптомов может быть разной. В 90% случаев делеция 16p12.1 наследуется от родителей со слабо выраженными симптомами. Возможно, на вариабельность исходов влияют другие варианты, но этот вопрос плохо изучен. Исследователи из США и Австралии использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК), чтобы прояснить роль вторичных вариантов.

иПСК получили из мононуклеарных клеток периферической крови членов трех семей, носителей делеции, а также здоровых контролей (HD_01 и HD_02). иПСК затем дифференцировали в нейрональные клетки-предшественники, незрелые и зрелые нейроны. Авторы использовали клеточную линию HD_01, чтобы воспроизвести в ней делецию 16p12.1 длиной 465 т.п.н. с помощью CRISPR/Cas-9. Они подтвердили делецию целевых генов (в том числе UQCRC2, POLR3E, MOSMO и CDR2). Также авторы выявили дифференциально экспрессирующиеся гены (DEG) в таких клетках. Они были связаны с нейроразвитием и психиатрическими расстройствами.

Геномы линии с делецией и изогенной контрольной линии секвенировали и сравнили. Авторы выявили 5526 общих редких вариантов, при этом 1%, 17%, 17% и 6% вторичных вариантов совпадали с DEG и сайтами с альтернативным сплайсингом, выявленными в линиях иПСК, нейрональных клетках-предшественниках, незрелых и зрелых нейронах соответственно. Эти DEG и сайты с альтернативным сплайсингом были связаны нейроразвитием, работой нейронов и сигнальным путем PI3K-AKT. Таким образом, вторичные варианты в комбинации с делецией 16p12.1 могут влиять на экспрессию генов, а также на доступность хроматина. То же было показано при изучении иПСК, полученных от носителей делеции из трех семейств.

Дополнительные опыты показали, что при наличии некоторых вторичных вариантов делеция влияет на образование тормозных нейронов. Нейрональные клетки-предшественники, полученные из иПСК одной из семей, пролиферировали более активно, чем контрольные клетки, а клетки другой семьи пролиферировали хуже и более активно подвергались апоптозу. Примечательно, что для носителей в первой семье характерна макроцефалия, а во второй семье — микроцефалия. Также в одной из семей клетки-предшественники дифференцировали в нейроны быстрее, чем контрольные клетки. Были затронуты сигнальные пути PI3K-AKT, TGF-β и Wnt.

Исследователи отдельно проанализировали влияние генов MOSMO, POLR3E и UQCRC2, которые теряются при делеции 16p12.1. Активация экспрессии одного из генов не влияла на экспрессию других. Тем не менее, восстановление экспрессии POLR3E нормализовало экспрессию 16 генов в клетках всех семей. Это также снизило уровень экспрессии гена NNAT (ген риска эпилепсии), повышенного у носителей в двух семьях, для которых также характерна эпилепсия. У носителей делеции в третьей семье развиваются РАС и глухота, и активация экспрессии MOSMO нормализовала сплайсинг MECP2 и EPS8L2, генов, связанных с этими чертами. Активация экспрессии генов MOSMO, POLR3E и UQCRC2 нормализовала пролиферацию, апоптоз и дифференцировку клеток с делецией 16p12.1, а также экспрессию генов в сигнальных путях PI3K-AKT, TGF-β и Wnt.

«Раньше мы считали, что наблюдаемые нами различия между людьми обусловлены так называемой моделью «двух ударов». Делеция была первым ударом, и она могла взаимодействовать со «вторым ударом» — мутацией, но мы отказались от этой терминологии. Мы поняли, что делеция взаимодействует сразу со множеством вариантов в геноме человека. На самом деле это скорее модель множественных ударов», — говорит Серена Носс, аспирантка в области молекулярной, клеточной и интегративной биологии в Университете штата Пенсильвания, одна из авторов статьи.

Взаимодействие эпигенома и кишечной микробиоты младенцев влияет на их нейроразвитие