Анализ генетической предрасположенности к наследственной каталепсии в мышиной модели нейропсихических заболеваний с использованием полногеномных данных

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Каталепсия – это особое состояние организма, сопровождающее тяжелые нейропсихические патологии, включая шизофрению, депрессивные расстройства, болезнь Паркинсона. У некоторых линий мышей каталепсия может быть вызвана зажиманием кожи загривка. Ранее методом анализа сцепления участок 105–115 млн п.н. на хромосоме 13 был определен как главный локус наследственной щипковой каталепсии у мышей. С целью поиска вероятных генов-кандидатов каталепсии мы провели полногеномное секвенирование мышей из линий, склонных и устойчивых к щипковой каталепсии. Нами установлено, что главный локус каталепсии ограничен участком 103.92–106.16 млн п.н. Гомологичный локус в геноме человека расположен на хромосоме 5 и содержит генетические и эпигенетические маркеры, ассоциированные с шизофренией. Кроме того, нами выявлен миссенс-вариант в гене Nln у мышей из линий, склонных к каталепсии. Nln кодирует фермент нейролизин, участвующий в расщеплении нейротензина – пептида, индуцирующего эпилепсию у мышей. Полученные данные указывают на Nln как на наиболее вероятный ген-кандидат, связанный со щипковой каталепсией у мышей, и на общие механизмы развития каталепсии у мышей и нейропсихических патологий у человека.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Каталепсия – естественное состояние организма, характеризующееся длительной реакцией замирания и неспособностью изменить принятую позу, представляет собой одну из форм пассивно-оборонительного поведения и встречается у большинства позвоночных. У человека каталепсия утратила свою защитную функцию и является симптомом ряда тяжелых нейропсихических патологий, таких, как шизофрения и депрессия [1, 2].

Каталепсия у грызунов может быть вызвана блокадой дофаминовых D2-рецепторов нейролептиками, такими, как галоперидол или морфин [3–6]. Немедикаментозная (щипковая) каталепсия у мышей (Дополнительный файл 1. Мышь со щипковой каталепсией (видеофайл) см. по ссылке https://evolgenomics.org/catalepsy/) может быть вызвана зажиманием кожи загривка [7], при этом предрасположенность разных линий мышей к данному типу каталепсии значительно различается. Мыши наиболее распространенных инбредных линий, таких, как C57BL/6J, DBA/2, AKR/J, устойчивы к щипковой каталепсии, тогда как около 50% мышей линии CBA/Lac демонстрируют наследственную каталепсию [8–11].

Главный локус наследственной каталепсии у мышей был недавно картирован методами QTL-анализа в дистальной части (61–70 сМ) хромосомы 13 [12]. Генетическое сцепление подтверждено экспериментами по селективному скрещиванию [13] и путем переноса дистального фрагмента хромосомы 13, расположенного между генетическими маркерами D13Mit74 и D13Mit214, из линии CBA в геном устойчивой к каталепсии линии AKR. Около 50% мышей конгенной линии AKR.CBA-D13Mit76 проявляли выраженную каталепсию, как и мыши линии СВА [10]. Линия ASC/Icg (антидепрессант-чувствительная каталепсия) была создана путем селективного возвратного скрещивания CBA × (CBA × AKR) и отбора мышей, склонных к каталепсии. Показано, что наследственная каталепсия у мышей линии СВА ассоциирована с депрессивноподобными чертами и чувствительностью к хронической терапии антидепрессантами [2, 9, 11, 14]. Около 80–85% мышей ASC проявляют каталепсию [13], но гены, ответственные за щипковую каталепсию, в этой линии все еще не выявлены.

Мы провели полногеномное секвенирование устойчивых к каталепсии (AKR/J) и склонных к каталепсии линий мышей (CBA, AKR.CBA-D13Mit76 и ASC) для поиска предполагаемых генов-кандидатов или хромосомных локусов, связанных с развитием наследственной щипковой каталепсии у мышей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Животные

В работе использовали мышей из устойчивых (AKR/J) и предрасположенных к каталепсии (CBA/LacJ) линий, более 50 лет содержавшихся в Институте цитологии и генетики (Новосибирск, Россия), а также животных из конгенной AKR.CBA-D13Mit76 линии с CBA-производным фрагментом хромосомы 13, содержащим главный ген каталепсии, который был перенесен в геном AKR, и мышей из линии ASC с наследственной предрасположенностью к каталепсии. Проведение исследований одобрено Этическим комитетом Института цитологии и генетики РАН, все экспериментальные процедуры соответствовали Директиве Совета Европейских сообществ от 24 ноября 1986 года (86/609/EEC). Животных тестировали на каталепсию (в том числе AKR/J на отсутствие каталепсии), как описано ранее [15]: тест считали положительным, если мышь сохраняла неизменной позу не менее 20 с. Для анализа отбирали животных с положительной реакцией на щипок (за исключением контрольной линии AKR).

Полногеномное секвенирование

Геномную ДНК выделяли из фрагментов длиной 3–4 мм хвостов мышей. По фрагменту хвоста от одного животного использовали для выделения ДНК из линий AKR и D13Mit76C; по два хвоста использовали для выделения ДНК из животных линий ASC и CBA. ДНК очищали с использованием колонок QIAamp DNA Mini (QIAGEN, Hilden, ФРГ). 1.5 мкг геномной ДНК использовали для подготовки фрагментных геномных библиотек с использованием набора TruSeq DNA Sample Preparation kit v2 (Illumina, Сан-Диего, Калифорния, США). Приготовленные фрагментные библиотеки со средней длиной вставки 350 п.н. были секвенированы на платформе Illumina HiSeq2000 в режиме парных прочтений длиной 101 н. Полученные в результате секвенирования геномные данные депонированы в базу NCBI SRA (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra, PRJNA900682).

Анализ данных секвенирования и статистика

Прочтения, полученные в результате секвенирования, картировали на референсный геном мыши (GRCm38/mm10) с использованием программ BWA v. 0.7.17 [16] и Sarek v.2.7.1 [17]. ПЦР-дупликаты маркировали с помощью инструмента Picard (http://broadinstitute.github.io/picard/). Генетические варианты были предсказаны с использованием программного пакета GATK v.4.1.7.0 [18] и аннотированы с помощью VEP [19]. Предсказание структурных вариантов выполнено с помощью Manta 1.6.0 [20]. В результате секвенирования получено среднее геномное покрытие каждого образца 17–33× (табл. 1).

 

Таблица 1. Статистика геномного секвенирования мышей четырех линий

Образец (линия)

Числопрочтений

Прочтения,картированные на геном мыши (Grcm38/mm10), %

Среднее геномное покрытие

HT76

561995272

99.56

19 ×

ASC

720038088

99.35

23 ×

CBA

555706906

97.95

17 ×

AKR

986011514

99.49

33 ×

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Точное картирование главного локуса щипковой каталепсии мышей

Наследственная каталепсия, как показано ранее, является гомозиготным рецессивным состоянием [8], поэтому для поиска генов-кандидатов каталепсии мы использовали только гомозиготные варианты, обнаруженные в дистальном фрагменте хромосомы 13 у мышей всех трех линий, предрасположенных к каталепсии (CBA, D13Mit76C и ASC), и отсутствующие у мышей линии AKR.

Ранее показали, что основной локус, связанный со щипковой каталепсией у мышей, расположен на дистальном конце хромосомы 13 мыши. Этот фрагмент, маркированный D13Mit76, был перенесен из линии CBA в линию AKR, что привело к созданию рекомбинантной линии AKR.CBA-D13Mit76. С помощью метода микросателлитного картирования основной ген каталепсии был картирован между 105.8 и 115.3 млн п.н. хромосомы 13 мыши [10]. Однако границы перенесенного фрагмента могут быть определены неточно в связи с недостаточно высокой разрешающей способностью использованного метода. Чтобы уточнить координаты основного локуса каталепсии, мы проанализировали распределение родительских (AKR и CBA-специфических) гомозиготных вариантов в линиях ASC и AKR.CBA-D13Mit76 на дистальном фрагменте хромосомы 13 с использованием данных геномного секвенирования и обнаружили гомозиготные варианты, специфичные для линии CBA, на участке 103.92–106.16 млн п.н. как в линии ASC, так и у мыши из линии AKR.CBA-D13Mit76.

Нами определено, что этот локус на хромосоме 13 мыши гомологичен участку 63.24–65.93 млн п.н. на хромосоме 15 человека (в соответствии с версией GRCh38 генома человека). С использованием данных полногеномного анализа ассоциаций, представленных в базе GWAS Catalog [21], мы выявили статистически строго значимые ассоциации полиморфных вариантов в этом локусе с когнитивными и образовательными способностями (P < 5 × 10-8), а также нестрого значимые ассоциации (P < 10-6) с шизофренией и депрессивными расстройствами (Дополнительная таблица S1. Генетические ассоциации хромосомного локуса в геноме человека, гомологичного главному локусу каталепсии у мыши). Нами также проведен анализ данных ацетилирования маркера активного энхансера – гистона H3K27ac – в мозге пациентов с шизофренией [22]. Обнаружено изменение эпигенетического статуса пяти из 76 энхансеров в нейрональных клетках префронтальной коры в локусе хромосомы 15 человека при шизофрении, а также семи из 114 энхансеров тотальной ткани префронтальной коры человека (Дополнительная таблица S2. Изменения эпигенетического статуса энхансеров (H3K27ac), выявленные при шизофрении в локусе, гомологичном главному локусу каталепсии у мышей). В целом, эти данные позволяют предположить общие молекулярные механизмы щипковой каталепсии у мышей и нейропсихических патологий у человека.

Кодирующие варианты в локусе хромосомы 13, сцепленном с каталепсией

Всего в главном локусе наследственной щипковой каталепсии мышей выявлены 13147 полиморфных геномных позиций, содержащих однонуклеотидные замены или короткие инсерционно-делеционные варианты. Среди них 6087 вариантов представлены в гомозиготном состоянии во всех трех секвенированных геномах линий мышей, склонных к каталепсии, и отсутствуют в некаталептической линии (Дополнительная таблица S3. Однонуклеотидные варианты, выявленные в главном локусе каталепсии у мыши). В этом локусе обнаружены также 239 структурных вариантов, из которых 21 вариант специфичен для мышей из линий, склонных к каталепсии (обнаружены во всех трех линиях и отсутствуют в геноме мыши AKR), но ни один из структурных вариантов не изменяет белок-кодирующих последовательности (Дополнительная таблица S4. Структурные варианты, выявленные в главном локусе каталепсии у мыши).

Мы проанализировали однонуклеотидные замены в белок-кодирующих участках локуса, сцепленного с каталепсией, и обнаружили, что девять из них приводят к изменению аминокислотной последовательности соответствующих белков у мышей, склонных к каталепсии, по сравнению с мышью линии AKR без каталепсии (табл. 2). Дополнительно мы провели анализ этих девяти вариантов в референсных геномах 14 линий мышей, представленных в GenBank (линии DBA_2J_v3, BALB_cJ_v3, A_J_v3, CBA_J_v3, C3H_HeJ_v3, AKR_J_v3, NOD_ShiLtJ_v3, FVB_NJ_v3, Mm_Celera, LP_J_v1, PWK_PhJ_v3, WSB_EiJ_v3, CAST_EiJ_v3, C57BL/6J), включая известные линии устойчивых (C57BL/6J, DBA/1J) и склонных к каталепсии (C3H/HeJ, A/He, BALB/cLac) мышей [8]. В геноме линии C3H/HeJ, мыши которой склонны к каталепсии, выявлены все девять миссенс-вариантов, как и в линии CBA, однако в двух других линиях мышей с каталепсией (A/He, BALB/cJ) присутствует только один из этих вариантов – замена His146Arg в гене Nln. Таким образом, в главном локусе щипковой каталепсии мышей на хромосоме 13 выявлена единственная замена T > C (rs50518036) в кодирующей области гена нейролизина Nln, присутствующая у всех исследованных мышей из линий CBA, AKR.CBA-D13Mit76 и ASC, а также в геномах мышей из линий C3H/HeJ, A/He, BALB/cJ из GenBank, склонных к каталепсии, и отсутствующая в геномах мышей, устойчивых к каталепсии (линии AKR/J, C57BL/6J, DBA/1J).

 

Таблица 2. Гомозиготные миссенс-варианты в главном локусе щипковой каталепсии мышей на хромосоме 13, выявленные в секвенированных геномах мышей трех линий, предрасположенных к каталепсии, и отсутствующие в геноме мыши из устойчивой к каталепсии линии

Вариант

Идентификатор

Ген

Аминокислотная замена

Эффект, предсказанный с помощью SIFT [23]

13:104069202 T/C

rs50518036

Nln

H148R

tolerated(0.35)

13:104111134 G/A

rs51459950

Sgtb

C7Y

deleterious(0.01)

13:104111173 A/G

rs50301687

Sgtb

N20S

tolerated(0.99)

13:104174454 T/C

rs51569005

Shld3

I150V

tolerated(0.41)

13:104174470 G/T

rs219600951

Shld3

S144R

tolerated(0.68)

13:104220239 T/C

rs221133823

Ppwd1

E256G

tolerated(0.23)

13:104220303 A/G

rs49763463

Ppwd1

Y235H

tolerated(0.11)

13:104230784 G/T

rs48594661

Cenpk

V43L

tolerated(1)

13:104312759 T/A

rs45772491

Adamts6

S226T

tolerated(0.29)

 

Нейролизин – это металлоэндопептидаза, участвующая в деградации нейротензина и брадикинина, которые являются фармакологическими индукторами каталепсии у мышей [24–27]. Во всех линиях мышей, склонных к каталепсии, в положении 146 продукта гена Nln присутствует гистидин, в то время как устойчивые к каталепсии линии, включая AKR, содержат аргинин. Данные, свидетельствующие о связи вариантов в гене Nln с каталепсией, ранее не были получены, однако продукт этого гена участвует в расщеплении нейротензина, который может вызывать каталепсию у мышей [24]. Таким образом, ген Nln является наиболее вероятным кандидатом на роль основного гена наследственной щипковой каталепсии у мышей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате полногеномного секвенирования склонных и устойчивых к каталепсии линий мышей мы показали, что связанный со щипковой каталепсией участок хромосомы 13 расположен в области 103.92–106.16 млн п.н., а также выявили мутацию в гене нейролизина Nln, сцепленную с каталепсией. Главный ген каталепсии, по результатам проведенных ранее исследований, определяет около 20% пенетрантности признака [10]. Принимая во внимание, что каталепсия проявляется у 50% мышей рекомбинантной линии D13Mit76 и у 80% животных склонной к каталепсии линии ASC, оставшаяся пенетрантность признака, вероятно, является результатом влияния генов и/или регуляторных локусов на других хромосомах. Полученные нами на мышиных моделях полногеномные данные наследуемых особенностей поведения, которые у человека являются характерными симптомами таких заболеваний, как шизофрения и депрессивные расстройства, могут в дальнейшем использоваться для идентификации генетических и эпигенетических факторов психических расстройств у человека.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РНФ № 19-75-30039 (биоинформатический анализбаз данных и регуляторных локусовгенома человека).

Дополнительный материал к этой статье можно найти онлайн по ссылке https://evolgenomics.org/catalepsy/

×

Об авторах

Татьяна В. Андреева

Научный центр генетики и наук о жизни, Университет «Сириус»; Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: an_tati@vigg.ru

Отдел геномики и генетики человека

Россия, Сочи, 354340; Москва, 119991

Федор Е. Гусев

Научный центр генетики и наук о жизни, Университет «Сириус»; Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Отдел геномики и генетики человека

Россия, Сочи, 354340; Москва, 119991

Надежда А. Синякова

Институт цитологии и генетики СО РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Сектор генетических коллекций нейропатологий

Россия, Новосибирск, 630090

Александр В. Куликов

Институт цитологии и генетики СО РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Сектор генетических коллекций нейропатологий

Россия, Новосибирск, 630090

Анастасия П. Григоренко

Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Отдел геномики и генетики человека

Россия, Москва, 119991

Ирина Ю. Адрианова

Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Отдел геномики и генетики человека

Россия, Москва, 119991

Дарья В. Базовкина

Институт цитологии и генетики СО РАН

Email: an_tati@vigg.ru

Лаборатория нейрогеномики поведения

Россия, Новосибирск, 630090

Евгений И. Рогаев

Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН; Медицинская школа Чан Массачусетского университета

Email: an_tati@vigg.ru

Отдел геномики и генетики человека; Департамент психиатрии

Россия, Москва, 119991; Шрусбери, 01545 США Массачусетс, США

Список литературы

  1. Singerman B., Raheja R. // Ann. Clin. Psychiatry. 1994. V. 6. № 4. P. 259–266.
  2. Kolpakov V.G., Gilinsky M.A., Alekhina T.A., Barykina N.N., Nikulina E.M., Voitenko N.N., Kulikov A.V., Shtilman N.I. // Behav. Processes. 1987. V. 14. № 3. P. 319–341.
  3. Sanberg P.R., Bunsey M.D., Giordano M., Norman A.B. // Behav. Neurosci. 1988. V. 102. № 5. P. 748–759.
  4. Klemm W.R. // Prog. Neurobiol. 1989. V. 32. № 5. P. 403–422.
  5. VanderWende C., Spoerlein M.T. // Neuropharmacology. 1979. V. 18. № 7. P. 633–637.
  6. de Ryck M., Teitelbaum P. // Behav. Neurosci. 1984. V. 98. № 2. P. 243–261.
  7. Ornstein K., Amir S. // J. Comp. Physiol. Psychol. 1981. V. 95. № 5. P. 827–835.
  8. Kulikov A.V., Kozlachkova E.Y., Maslova G.B., Popova N.K. // Behav. Genet. 1993. V. 23. № 4. P. 379–384.
  9. Базовкина Д.В., Куликов А.В., Кондаурова Е.М., Попова Н.К. // Генетика. 2005. Т. 41. № 9. C. 1222–1228.
  10. Kulikov A.V., Bazovkina D.V., Kondaurova E.M., Popova N.K. // Genes. Brain. Behav. 2008. V. 7. № 4. P. 506–512.
  11. Tikhonova M.A., Kulikov A.V. // Chin. J. Physiol. 2012. V. 55. № 4. P. 284–293.
  12. Куликов А.В., Базовкина Д.В., Муазан М.П., Мормэд П. // Доклады РАН. 2003. Т. 293. С. 134–137.
  13. Kondaurova E.M., Bazovkina D.V., Kulikov A.V., Popova N.K. // Genes. Brain. Behav. 2006. V. 5. № 8. P. 596–601.
  14. Куликов А.В., Козлачкова Е.Ю., Попова Н.К. // Генетика. 1989. Т. 25. № 8. С. 1402–1408.
  15. Kulikov A.V., Kozlachkova E.Y., Kudryavtseva N.N., Popova N.K. // Pharmacol. Biochem. Behav. 1995. V. 50. № 3. P. 431–435.
  16. Li H., Durbin R. // Bioinformatics. 2009. V. 25. № 14. P. 1754–1760.
  17. Garcia M., Juhos S., Larsson M., Olason P.I., Martin M., Eisfeldt J., DiLorenzo S., Sandgren J., Díaz De Ståhl T., Ewels P., et al. // F1000Research. 2020. V. 9. P. 63.
  18. McKenna A., Hanna M., Banks E., Sivachenko A., Cibulskis K., Kernytsky A., Garimella K., Altshuler D., Gabriel S., Daly M., et al. // Genome Res. 2010. V. 20. № 9. P. 1297–1303.
  19. McLaren W., Gil L., Hunt S.E., Singh Riat H., Ritchie G.R.S., Thormann A., Flicek P., Cunningham F. // Genome Biol. 2016. V. 17. № 122. P. 1–14.
  20. Chen X., Schulz-Trieglaff O., Shaw R., Barnes B., Schlesinger F., Källberg M., Cox A.J., Kruglyak S., Saunders C.T. // Bioinformatics. 2016. V. 32. № 8. P. 1220–1222.
  21. Buniello A., MacArthur J.A.L., Cerezo M., Harris L.W., Hayhurst J., Malangone C., McMahon A., Morales J., Mountjoy E., Sollis E., et al. // Nucl. Acids Res. 2019. V. 47. № D1. P. 1005–1012.
  22. Girdhar K., Hoffman G.E., Bendl J., Rahman S., Dong P., Liao W., Hauberg M.E., Sloofman L., Brown L, Devillers O., et al. // Nat. Neurosci. 2022. V. 25. № 4. P. 474–483.
  23. Adzhubei I.A., Schmidt S., Peshkin L., Ramensky V.E., Gerasimova A., Bork P., Kondrashov A.S., Sunyaev S.R. // Nat. Methods. 2010. V. 7. № 4. P. 248–249.
  24. Dunn A.J., Snijders R., Hurd R.W., Kramarcy N.R. // Ann. N. Y. Acad. Sci. 1982. V. 400. № 1. P. 345–353.
  25. Snuders R., Kramarcy N.R., Hurd R.W., Nemeroff C.B., Dunn A.J. // Neuropharmacology. 1982. V. 21. № 5. P. 465–468.
  26. Bhattacharya S.K., Rao P.J.R.M., Brumleve S.J., Parmar S.S. // Pharm. Res. 1986. V. 3. № 3. P. 162–166.
  27. Dixon A.K. // Br. J. Med. Psychol. 1998. V. 71. № 4. P. 417–445.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Андреева Т.В., Гусев Ф.Е., Синякова Н.А., Куликов А.В., Григоренко А.П., Адрианова И.Ю., Базовкина Д.В., Рогаев Е.И., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах