Биоинформационное исследование молекулярно–генетических факторов ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера

Актуальность исследования
Генетическая предрасположенность
«Внешняя среда»
Мультифакториальные заболевания
XY

Генетическая предрасположенность мультифакториальных заболеваний
Метилирование ДНК
Гистоны
SNP
miRNA
ДНК

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), за последние 10 лет частота встречаемости пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера, увеличилась с 0,38 % до 0,44 %, а шизофренией с 0,4% до 0,7% (4—7 случаев на 1000 человек, по различным группам мирового населения).
0,44%
0,4-0,7%
Распространенность шизофрении и болезни Альцгеймера

Коморбидность шизофрении и болезни Альцгеймера
«Шизофрения и риск деменции: мета-анализ» («Schizophrenia and risk of dementia: a meta-analysis study», L. Cai и J. Huang, 2018):
6 исследований, 5 063 316 людей, из которых 206 694 случая деменции.
Результат: пациенты с шизофренией имеют повышенный риск развития деменции, особенно люди пожилого возраста.

Выявить молекулярно–генетические механизмы совместного развития шизофрении и болезни Альцгеймера на основе биоинформационного анализа.
Цель исследования

Задачи исследования:
1
2
3
4
Определить группы генов, ассоциированных с шизофренией и болезнью Альцгеймера и оценить наличие общих генов.
Оценить наличие генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера, сцепленных с полом.
Провести функциональный анализ генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера.
Провести анализ обогащения исследуемыми генами сигнальных и метаболических путей.

Задачи исследования:
5
6
7
Охарактеризовать вовлеченность молекулярно–генетических факторов совместного развития исследуемых заболеваний в реализацию биологических эффектов внутри- и межклеточных процессов.
Оценить влияние эпигенетических факторов на совместные механизмы развития шизофрении и болезни Альцгеймера.
Сформировать и проанализировать сеть белок–белковых взаимодействий продуктов генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера.

Материал и методы

1 этап
2 этап
3 этап
Выявление структурных генов
Оценка влияния эпигенетических факторов
на совместные механизмы развития заболеваний
Выявление генов-кандидатов
Выявление эпигенетических факторов
Поиск общих генов
Формирование списков генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера
Выявление генов, сцепленных с полом
Оценка участия структурных генов в молекулярно-генетических механизмах заболеваний
Дизайн исследования
Анализ взаимодействия белков
Анализ функций генов и обогащения биологических путей

Базы данных
+ ClueGO
GWAS (DNA microarray) +
данные мета-анализов локальных клинические исследования (ПЦР)

Результаты и обсуждение

Гены предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера
617 общих генов
2406 кодирующих генов, ассоциированных с шизофренией
1297 кодирующих генов предрасположенности к болезни Альцгеймера
496 псевдогенов и 1736 РНК-генов, ассоциированных с шизофренией
231 псевдоген и 908 РНК-генов, ассоциированных с болезнью Альцгеймера

Гены, сцепленные с полом
ADGRG2
GPR101
IL3RA
PCDH11X
PDHA1
PLCXD1

GGTA2P
CHCHD2P9
HSP90AA2P
DLEU1
H19
MSH5-SAPCD1
PVT1
RNY3
TERC
TSNAX-DISC1
MIR129-2
LINC00461
Псевдогены
РНК-гены
Эпигенетические факторы

Результаты функционального анализа

Результаты анализа обогащения биологических путей

Сеть общих биологических путей с генами предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера

Сеть взаимодействий APP, ассоциированного c болезнью Альцгеймера, с белками генов предрасположенности к шизофрении (узлы синего цвета)

Сеть взаимодействий CDH1 и СSNK2A1 с белками генов предрасположенности к шизофрении (узлы синего цвета) и болезни Альцгеймера (узлы красного цвета)

Сеть взаимодействий белков генов предрасположенности к шизофрении (узлы синего цвета) и болезни Альцгеймера (узлы красного цвета) с белками генов-кандидатов (узлы зеленого цвета)

Результаты биоинформационного исследования
Обмен липидов
Обмен белков
Другие внутри- и межклеточные процессы
Процессы нейротрансмиссии

Процессы обмена липидов
Роль фосфолипидов в фагоцитозе
Регуляция транспорта липидов
Организация субъединиц белково-липидного комплекса
Хиломикронный клиренс
Регуляция клиренса липопротеиновых частиц
Регуляция факторов транскрипции в адипогенезе
Формирование зрелых адипоцитов
Иммунный ответ (фагоцитоз нейрона дендритными клетками)
Влияние IL1 на мегакариоциты при ожирении
Связывание с амилоидом-бета
APOC1, APOE, PMAIP1, PRKN
APOC1, APOE, LIPC, SNX9, PRKCA
ADRB2, APOE, CLU, COL25A1, GRIA1, IDE, INSR, PLCL1

Процессы обмена белков
Трансдукция сигнала NTRK3 (TRKC)
Регулируемый протеолиз p75NTR
Связывание с амилоидом-бета
Связывание остатков фосфотирозина
Биосинтез гликогена
Связывание с доменом LRR
Тиолзависимая убиквитинилгидролазная активность
Связывание C2H2 с доменом цинкового пальца
Формирование комплекса AP-2 и клатрина
Активация AMPA рецепторов
Формирование популяции зрелых нейронов
Формирование рецепторов нейронов
Пролиферация и миграция клеток в развивающемся переднем мозге
SYNGAP1
ADRB2, APOE, CLU, COL25A1, GRIA1, IDE, INSR, PLCL1
AKT1, INSR
CDC5L
RCBTB1
ATXN3, DESI2, EIF3F, MINDY (MINDY2, MINDY3), USP (USP10, USP24, USP25, USP44)
DAB1, MAGI2, RELN

Другие внутри- и межклеточные процессы
Активация и дифференцировка миелоидных дендритных клеток
Регуляция HSCs α, β-комплексом GABP
Иммунный ответ (фагоцитоз нейрона дендритными клетками)
Увеличение количества генов, ассоциированных с воспалением и тромбозом
Влияние IL1 на мегакариоциты при ожирении
HMGB1, SPI1

Процессы нейротрансмиссии
Формирование рецепторов нейронов
Быстрое постсинаптическое торможение
Регуляция продукции протеинкиназы
Пресинаптическое торможение
Длительное постсинаптическое торможение
Путь аденилатциклазы
Пролиферация и миграция клеток в развивающемся переднем мозге
Формирование популяции зрелых нейронов
Активация рецепторов
Поглощение нейромедиатора
Формирование комплекса AP-2 и клатрина
GABA
AMPA
GABA A
GABA B
PRKN
DAB1, MAGI2, RELN

Выводы
1
3
5
2
4
6

1
2
3
В сформированных группах генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера выявлено 617 общих генов, кодирующих белок, 3 псевдогена (CHCHD2P9, GGTA2P, HSP90AA2P) и 9 РНК-генов (DLEU1, H19, MSH5-SAPCD1, PVT1, RNY3, TERC, TSNAX-DISC1, MIR129-2, LINC00461).
Идентифицировано 6 генов (ADGRG2, GPR101, IL3RA, PCDH11X, PDHA1, PLCXD1) предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера, сцепленных с половыми хромосомами.
Выявлено 36 общих функций генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера, среди которых функции, связанные с организацией и регуляцией обмена белково-липидного комплекса, поглощением нейромедиатора синаптическими везикулами, биосинтезом гликогена, пролиферацией и миграцией клеток в развивающейся коре головного мозга, а также с активацией и дифференцировкой иммунокомпетентных дендритных клеток.
4
Выявлено 18 общих биологических путей, среди которых сигнальные и метаболические пути, связанные с активацией и сигнализацией ГАМК-рецепторов, активацией аденилатциклазы, эндоцитозом Ca-непроницаемых AMPA, регуляцией TF в адипогенезе, образованием комплекса АпоЕ/ЛНП, ролью фосфолипидов в фагоцитозе, гидролизом сигнальных пептидов, формированием комплекса AP-2 и клатрина, регулируемым протеолизом p75N, сигнализацией NTRK3 (TRKC), влиянием IL1 на мегакариоциты, TRAF6-опосредованной активацией NF-kB и регуляцией HSCs α, β-комплексом GABP.

5
6
Идентифицированные 3 псевдогена (CHCHD2P9, GGTA2P, HSP90AA2P) и 9 РНК-генов (DLEU1, H19, MSH5-SAPCD1, PVT1, RNY3, TERC, TSNAX-DISC1, MIR129-2, LINC00461) ассоциированы как с шизофренией, так и с болезнью Альцгеймера и предположительно вовлечены в обмен белков, процессы функционирования внутри- и межклеточной сигнализации, а также онкогенез и канцерогенез путем регуляции экспрессии структурных генов предрасположенности к исследуемым заболеваниям.
Анализ сети белок-белковых взаимодействий продуктов генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера выявил 31 ген-кандидат, среди которых 3 гена (APP, CDH1 и CSNK2A1), ассоциированных с болезнью Альцгеймера, непосредственно связаны с генами предрасположенности к шизофрении. Из 28 кандидатов - ближайших соседей для генов предрасположенности к исследуемым заболеваниям 8 генов (ALDH6A1, ATG8, CD82, DUSP8, GK, NUDT6, TMEM11, TNNI3) с высоким плейотропным эффектом могут потенциально участвовать в механизмах ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера.
7
Выявленные молекулярно–генетические факторы ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера вовлечены в процессы обмена липидов, белков и регуляции функций клеток нервной системы.

Апробация результатов работы
Гречишникова, А. Ю. Функциональный анализ генов предрасположенности к болезни Альцгеймера / А. Ю. Гречишникова, Д. В. Смирнов, Н. Ю. Часовских // Сборник тезисов V Всероссийской конференции молодых ученых и студентов с международным участием «VOLGAMEDSCIENCE»: материалы конференции. – Н. Новгород: Издательство ПИМУ, 2019. – С. 410 - 412.
Смирнов, Д. В. Функциональный анализ генов, ассоциированных с шизофренией и болезнью Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских // Актуальные проблемы медико-биологических дисциплин: сб. науч. тр. IV Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов, студентов / под ред. Л. В. Матвеевой. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2019. – С. 156.
Смирнов, Д. В. Функциональный анализ генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских /Актуальные вопросы медицинской науки: 3-ей Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы медицинской науки», посвященная 75-летию Ярославского государственного медицинского университета.— Ярославль, издательство «Аверс ПЛЮС», 2019. – С. 107.
Смирнов, Д. В. Анализ обогащения биологических путей генами предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских // FORCIPE. – 2019. – Т. 2. – С. 577.