ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 74, № 5, с. 340-353
УДК 575.167:616-056.7:51-76
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС, ГЕНЫ рРНК И АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ В ПАТОГЕНЕЗЕ ШИЗОФРЕНИИ И АУТИЗМА: МОДЕЛИРОВАНИЕ И КЛИНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
© 2013 г. Л.Н. Пороховник1, В.П. Пасеков2, Н.А. Еголина1, Т.Г. Цветкова1, Н.В. Косякова1, Н.Л. Горбачевская3,5, Н.К. Сухотина4, Г.В. Козловская3, А.Б. Сорокин3,5, Н.Ю. Коровина4, Н.А. Ляпунова1
1 Медико-генетический научный центр РАМН 115478 Москва, ул. Москворечье, 1 e-mail: lp_sof@mail.ru 2Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН 119333 Москва, ул. Вавилова, 40 e-mail: pass40@ mail.ru 3Научный центр психического здоровья РАМН 115522 Москва, Каширское ш., 34 e-mail: gorbachevskaya@yandex.ru 4Московский научно-исследовательский институт психиатрии Минздравсоцразвития РФ
107076 Москва, ул. Потешная, 3 5Московский городской психолого-педагогический университет 127051 Москва, ул. Сретенка, 29 Поступила в редакцию 03.12.2012 г.
Рибосомные гены (РГ), или гены рРНК, в геномах эукариот представлены многочисленными копиями, из которых транскрипционно активны лишь некоторые. Количество активных копий является стабильным признаком генома, определяющим способность клетки быстро активизировать синтез белков, необходимых для преодоления стрессорных воздействий. Низкая копийность активных РГ приводит к пониженной стрессоустойчивости и риску развития мультифакториальных заболеваний (МФЗ). Окислительный стресс (ОС) в клетках мозга связывают с патогенезом раннего детского аутизма (РДА) и шизофрении, МФЗ с выраженной наследственной предрасположенностью. Но если при аутизме маркеры ОС обнаруживают практически во всех исследованиях, в отношении шизофрении аналогичные данные противоречивы. В выборке пациентов с шизофренией ранее было обнаружено достоверно более высокое, по сравнению со среднепопуляционным, количество активных копий РГ. В данной работе количество активных копий РГ определяли на выборке n = 51 пациентов с РДА и выявили достоверное более низкое среднее, чем в здоровой популяции. Предложена математическая модель динамики ОС, реализованная в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений и предполагающая опосредованную индукцию ферментов антиок-сидантной защиты активными формами кислорода (АФК) с последующим снижением внутриклеточной концентрации АФК. Скорость синтеза ферментов антиоксидантной защиты определяется скоростью синтеза рибосом, которая зависит от числа активных копий РГ. Анализ модели показал, что система стремится к единственной точке устойчивого равновесия по механизму затухающих колебаний, до известной степени напоминающих динамику в модели "хищник-жертва" Лотки-Вольтерры. Равновесный уровень АФК находится в обратной зависимости от копийности активных РГ. Проведенные исследования позволяют объяснить противоречивость клинических данных по выявлению ОС при РДА и шизофрении, а также предложить новый критерий дифференциальной цитогенетической диагностики шизофрении и детского аутизма и предположить, что антиок-сидантная терапия должна быть эффективна только у детей с низкой копийностью активных РГ.
Рибосомы - цитоплазматические органеллы, обеспечивающие биосинтез всех белков клетки. Ключевым компонентом рибосом служит рибо-
сомная РНК (рРНК), молекулы которой транскрибируются с матриц рибосомных генов (РГ). РГ кодируют 18S, 28S и 5.8S рРНК, которые входят
в состав большой и малой субъединиц рибосом. Обслуживая механизм синтеза белка, принципиальные черты которого почти не изменились за 1.5 млрд лет, кодирующие последовательности РГ характеризуются высоким консерватизмом. В геномах всех эукариот рибосомные гены собраны в рибосомных повторах (РП), представленных большим числом копий. В диплоидном геноме человека насчитывается около 400 копий РП (Bross, Krone, 1972), которые собраны в кластеры разных размеров в коротких плечах пяти пар акроцентри-ческих хромосом (13-15, 21 и 22), формируя яд-рышкообразующие районы (ЯОР) хромосом. В лаборатории общей цитогенетики МГНЦ РАМН на протяжении более 20 лет изучается количество РП в индивидуальных геномах человека (Ляпунова и др., 1988; Вейко и др., 1996; Ляпунова и др., 1998, 2001) и эффекты их копийности в норме и патологии. Получены данные, свидетельствующие о том, что в диплоидном геноме разных индивидов число копий РП варьирует от 250 до 670 (Вейко и др., 2003), при этом только часть из них, разная у разных индивидов, транскрипционно активна (Ляпунова и др., 1998; Вейко и др., 2001; Ляпунова, Вейко, 2010). Способность к транскрипции обеспечивается эпигенетическими механизмами и является стабильной и наследуемой характеристикой каждой копии РГ (Santoro, 2011). Селективная окраска метафазных хромосом нитратом серебра (Ag-окраска) позволяет избирательно выявлять копии активных рибосомных генов (АкРГ) в каждом из 10 ЯОР данной метафазы ( Ляпунова и др., 1998; Ляпунова и др., 2001; Miller et al., 1976; Howell, Black, 1980). Размеры преципитата серебра (размеры AgЯОР) отражают количество копий активных рибосомных генов в данном ЯОР, являются его стабильной наследуемой характеристикой и могут быть оценены визуально в градациях от 0 до 4 усл. ед. Суммарный размер всех 10 AgЯОР может служить показателем числа копий АкРГ в диплоидном геноме индивида (Ляпунова и др., 2001). Определены суммарные размеры 10 AgЯОР в большой выборке как практически здоровых доноров, так и пациентов с различными заболеваниями наследственной и ненаследственной природы.
На основании этих материалов сформирована анонимная компьютерная база данных. В выборке n = 715 практически здоровых доноров изучаемый признак варьировал в пределах от 15 до 24 усл. ед., проявляя близкое к нормальному распределение со средним значением 19.0 усл. ед. В специальных исследованиях было показано, что одной усл. ед. AgЯОР соответствует 8 ± 1 копия активных РГ (Вейко, 2001). Следовательно,
количество АкРГ, обеспечивающее интенсивность синтеза белков в клетке, в индивидуальных геномах человека варьирует в пределах от 120 до 190 копий при среднем значении около 150 копий. Это важный признак генома, который имеет разнообразные фенотипические проявления (Вейко и др., 2005; Неудахин и др., 2008; Ляпунова и др., 2000; Моруков и др., 2008). В частности, чем меньше транскрипционно активных копий РГ, тем менее выражена способность клетки быстро активизировать биосинтез белков, необходимых для преодоления стрессорных воздействий.
Согласно современным представлениям, воздействие стрессорных факторов самой разной природы вызывает в компетентных клетках прекращение нормального синтеза белков и переключение на синтез комплекса защитных белков как специфичных, так и неспецифичных (таких, как белки теплового шока). Ранее в опытах in vitro на фибробластах человека нами было показано существование "раннего" ответа на окислительный стресс, индуцированный шестивалентным хроматом калия. Этот ответ выражается в активации транскрипции рибосомных генов (генов рРНК) и увеличении количества тотальной РНК и рРНК в клетках в течение первых 1.5-2 часов эксперимента. Это обеспечивает появление в цитоплазме клетки новых рибосом, необходимых для синтеза комплекса белков антистрессовой защиты (Вейко и др., 2005). При этом было показано, что величина раннего ответа и, следовательно, способность клетки преодолеть стресс пропорциональны количеству копий активных рибосомных генов в геноме клетки.
Известно, что окислительному стрессу принадлежит центральная роль во многих мультифакто-риальных заболеваниях, в том числе некоторых аутоиммунных, среди которых одним из наиболее распространенных и детально изученных является ревматоидный артрит (РА). В сыворотке крови и клетках больных РА выявлены высокий уровень свободных радикалов и маркеров окислительного стресса и пониженная активность антиоксидантных ферментов (Taysi et al., 2002; Kamanli et al., 2004; Maurice et al., 1999; Nagler et al., 2003; Kovacic, Jacintho, 2003; Karatas et al., 2003; Agostini et al., 2002; Ozturk et al., 1999). В наших экспериментах по исследованию воздействия окислительного стресса на культивируемые клетки здоровых доноров и больных РА выявлена положительная связь между устойчивостью клетки к воздействию окислительного стресса и числом копий транскрипционно активных генов рРНК (рибосомных генов) в ее геноме (Вейко и
др., 2005). Количество копий АкРГ в выборке больных РА (n = 49) варьировало в пределах от 14.4 до 20.7 усл. ед. при среднем 17.6 ± 0.2 (SE) усл. ед. Это значение достоверно ниже среднего в контрольной группе здоровых доноров, выровненной по полу и возрасту (n = 49), равного 19.0 ± 0.2 усл. ед. (p < 0.01) (Шубаева, 2005). Данное наблюдение позволило авторам высказать предположение, что даже при наличии в геноме специфических генов предрасположенности к РА выраженные формы заболевания развиваются при малых и, реже, средних (меньше 150 копий) количествах АкРГ в геноме пациента.
К мультифакториальным заболеваниям с выраженной наследственной предрасположенностью также относятся шизофрения и ранний детский аутизм (РДА). Несмотря на интенсивное изучение, патогенез этих заболеваний до сих пор до конца не ясен. Внешнесредовым воздействиям (психогенно-стрессовым, инфекционным, интоксикационным и другим) отводится роль факторов, которые провоцируют манифестацию и модулируют течение заболеваний. Нередко ранняя шизофрения и РДА проявляются сходными психопатологическими феноменами, что при отсутствии специфических маркеров затрудняет дифференциальную диагностику и систематизацию указанных расстройств.
Ранний детский аутизм - распространенное расстройство развития, характеризующееся нарушениями коммуникативной, когнитивной, речевой сфер и наличием стереотипного, повторяющегося поведения (American Psychiatrie Association, 1994). Десятикратное увеличение частоты постановки диагноза аутизм за последнее десятилетие до уровня одного случая на примерно 150 детей в США вызывает повышенный интерес в обществе и среди ученых-медиков (McCarthy, Hendren, 2009).
Известны многочисленные указания на существенную роль окислительного стресса в патогенезе РДА и шизоф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.