TE pri mentalnih boleznih

Uvod

Transpozicijski elementi so visoko ponavljujoča zaporedja DNA, ki predstavljajo več kot 50% človeškega genoma in okoli 52% vseh CpG dinukleotidov. Večina transpozicijskih elementov je zaradi pridobljenih mutacij ali epigenetkih procesov prepisno neaktivnih, samo okoli 8% pa jih ima trankripcijsko aktivnost. Odstopajoča epigenetska regulacija in izražanje transpozicijskih elementov predstavlja potencialno osnovo za razvoj različnih mentalnih bolezni, ki vključujejo motnje avtističnega spektra, shizofrenijo, bipolarno motnjo, depresijo in Alzheimerjevo bolezen. Rezultati študij so pokazali, da pride do izražanja nekaterih zaporedij človeških endogenih retrovirusov (HERVa) samo pri določeni skupini pacientov z mentalnimi boleznimi in ne pri zdravih kontrolah. Ocenjuje se, da okoli 0, 27% človeških genetskih bolezni povzroča retrotranspozicija. Ta igra pomembno vlogo pri somatskem mozaicizmu, ki je odgovoren za funkcijsko specifikacijo možganskih celic. Somatski mozaicizem je pojav dveh genetsko različnih populacij celic znotraj istega organizma in naj bi bil vodilni vzrok aberantnih možganskih vzorcev oseb, ki trpijo za psihiatričnimi obolenji. Večina mozaicizma, ki ga sprožijo TE v možganih, bi naj bila posledica retrotranspozonov, predvsem L1 retrotranspozicije.

Potencialni mehanizmi vpliva transpozicijskih elementov na mentalne bolezni

Raziskave monogenih bolezni, ki se pojavijo zaradi retrotranspozicije, kažejo na to, da bi naj bila za pacienta škodljiva samo transpozicija zaporedji LINE-1, Alu in SVA. Alu zaporedja vsebujejo veliko stop kodonov, ki lahko povzročijo, da se translacija proteina prehitro zaključi in je posledično sintetiziran protein veliko krajši. Alu zaporedja, ki so se retrotranspozirala, imajo v primerjavi z normalnim DNA zaporedjem več močno metiliranih CpG parov, ki so nagnjeni k nastanku mutacij. Pri transpozicijah v območje promotorske regije gena lahko ta zaporedja vplivajo na njegovo izražanje. V drugem primeru pa lahko homologije zaporedij promovirajo homologne rekombinacije in s tem povzročijo insercije ali delecije. Pri raziskavah s pacienti, ki so imeli razvite mentalne bolezni, so potrdili spremembe ekspresije ali / in epigenetske regulacije retrotranspozonov. Kot obrambni mehanizem pri retrotranspoziciji se je razvilo mnogo epigenetskih procesov, kot so metilacija DNA, histonske modifikacije, regulacija, ki je pogojena s small-RNA in posttranslacijsko utišanje s kratko interferenčno RNA (siRNA) ter DICER ribonukleazo, ki je ključna za biogenezo microRNA. Večina transkripcijskih elementov v človeškem genomu je hipermetiliranih. Čeprav metilacija DNA deluje kot obrambni mehanizem, možnosti, da hipermetilacija na novo vključenih TE vodi v spremembe v kromatinski konfiguraciji, ne moremo izključiti. Poudariti moramo, da so odkrili le malo transpozicijskih elementov, ki so lahko vpleteni v retrotranspozicijske procese. Le okoli 30 do 60 & LINE-1 zaporedij v diploidnih celicah je zmožnih transpozicije. Metilacija bi lahko vplivala na gensko ekspresijo preko specifičnih mehanizmov. Eden izmed teh se pojavi pri LINE-1. RNA transkripti LINE-1 zaporedij so zmožni vplivati na zapise genov daleč stran od njihove prvotne lokacije. Druga možnost je, da intragenska LINE-1 RNA zmanjšuje ekspresijo gena s pomočjo jedrnih RNA induciranih kompleksov, ki ga utišajo. Ti multiproteinski kompleksi s pomočjo ssRNA fragmentov, kot so miRNA ali siRNA, utišajo gene na nivoju transkripcije in translacije.

Mehanizmi LINE-1

LINE-1 vsebuje dva odprta bralna okvirja, in sicer ORF1, ki kodira RNA vezavni protein in ORF2, ki kodira endonukleazo in reverzno transkriptazo. Aktiven kompleks nato omogoča, da se TE prekopira nazaj v genom na novi lokaciji. Za retrotranspozicijo LINE1 se mora tvoriti ribonukleinski kompleks med LINE1 RNA in RNA vezavnim proteinom, ki se nato prenese v jedro. Mehanizem transpozicije, ki ga kodirajo LINE1 zaporedja, omogoča retrotranspozicijo ostalih transpozicijskih elementov, pomembnih pri razvoju mentalnih bolezni. To so SINE zaporedja - Alu in SVA zaporedja, ki so odvisna od ORF2, saj sama ne vsebujeta zapisa za endonukleazno in reverzno transkriptazo. Promotor na LINE1 vsebuje tudi vezavno mesto za veliko faktorjev, ki sodelujejo pri nevrogenezi. Interakcije teh faktorjev med nevrogenezo in diferenciacijo celic bi lahko vplivale na povečano retrotranspozicijo. S tem se lahko v genom živčnih celic doda preko sto novih kopij retrotranspozonskih zaporedij, ki bi lahko povzročila naključne spremembe v izražanju in vplivala na nevronski fenotip. Globalno DNA hipermetilacijo, ki napreduje s staranjem, so asociirali z genomsko nestabilnostjo. Te regije so nagnjene k povečevanju števila poškodb na DNA. Sem uvrščamo oksidativne poškodbe, depurinacije, depiriminacije in notranji dvojni prelom vijačnice, ki vodi v bolezenska stanja. Obravnavali so dva primera, kjer TE sodelujejo pri epigenetski regulaciji. Alu siRNA poveča stopnjo metilacije Alu zaporedji, zniža število notranjih poškodb DNA in poveča njeno odpornost do DNA poškodbenih faktorjev. Podobno tudi hipermetilacija LINE-1 prispeva h genomski nestablinosti preko interakcij z ekspresijo genov ATM (ataxia telangiectasia mutated gene). Prispevek redukcije metilacije Alu naj bi najbolj vplival na genomsko nestabilnost. Do danes je še vedno neznano, kako spremembe v ekspresiji TE pripomorejo k razvoju mentalnih bolezni.

Mehanizmi HERV

Mehanizmi, ki pripomorejo k inserciji HERV, so analogni tistim, ki jih uporabljajo eksogeni retrovirusi za replikacijo. Spremembe v ekspresiji TE preko epigenetskih procesov naj bi vplivale na imunski odziv in naredila gostitelja bolj nagnjenega k eksogenim vnetjem. Eksogeni virusi, ki so jih asociirali z depresijo (Epstein-barr virus – EBV, varicella zoster virus - VZV, herpes simples virus-1 -HSV-1 in borna diesese virus – BDV) lahko aktivirajo HERV zaporedja. Na ta zaporedja lahko vplivajo tudi ostali eksogeni virusi, kot so hepavirusi in virus infuenze ter spremenijo njihovo izražanje. Peptidi, ki izvirajo iz HERV zaporedji lahko interagirajo s PRR – to so receptorji, ki imajo ključno vlogo pri iniciaciji imunskega odgovora, saj zazanajo potencialno nevarne patogene molekule. Ta mehanizem naj bi imel zaščitniško vlogo, saj lahko HERV transkripti interagirajo s homologno RNA, ki izvira iz eksogenih retrovirusov. To vodi v formacijo molekul, ki jih lahko prepoznajo PRR, ki v tem primeru delujejo kot nespecifični imunski senzorji. Pri tem se sproži komplementacija, ki ovira formacijo virusnih delcev po celični infekciji. Po drugi strani pa imajo HERV zaporedja zmožnost zatrtja prirojene imunosti. Dokazali so, da HERV-K proteini inhbirajo tako aktivacijo T- celic kot tudi reducirajo število interlevkina-6 in toličnega receptorja-7 v telesu. Odkrili so tudi možnost aktivacije tranzpozicijskih elementov v tkivu preko steroidnih molekul, zato je verjetno, da lahko receptorji, ki se odzivajo na spolne hormone, vplivajo na stanje kromatina, aktivnost tranzpozicijskih elementov in njihovo transkripcijo. Spremembe v aktivaciji tranzpozicijskih elementov ali njihovi abnormalni steroid-receptor odvisni regulaciji bi lahko pripomogle k razumevanju, zakaj je en spol dovzetnejši za razvitje specifičnih motenj, kot npr. motnja avtističnega spektra, ki je kar štirikrat pogostejša pri moških kot pri ženskah. To hipotezo potrujejo odkritja pri shizofreničnih možganih, ki imajo višjo aktivnost LINE-1 kot pri kontroli.

Shizofrenija

Prvi dokazi o vplivu transpozicijskih elementov na razvoj mentalnih bolezni, specifično shizofrenije, segajo v leto 2001. Takrat so vzorcih možganske tekočine pacientov s to boleznijo našli retrovirusne transkripte (pri 28,6 % pacientov s prvo epizodo in pri 5 % pacientov s kronično boleznijo), ki zdravih kontrolah niso bili prisotni. Kasneje so pri istih pacientih potrdili abnormalne vzorce izražanja genov HERV, od tedaj pa so abnormalne vzorce izražanja HERV-W gag in pol ter HERV-K našli tudi v perifernem krvnem obtoku shizofrenikov. Do podobnih zaključkov o vlogi HERV pri razvoju mentalnih bolezni so prišli tudi znanstveniki, ki so preučevali klinično depresijo, motnjo avtističnega spektra in ADHD. Povišano izražanje HERV-W env v človeških glioma celicah U251 je zvečalo stopnjo izražanja številnih genov, ki so povezani s shizofrenijo. Med njimi tisti, ki kodirajo za BDNF(brain-derived neurotrophic factor), nevrotrofni tirozin kinazni receptor tipa 2 in dopaminski receptor D3. Zaporedja HERV v genu ERVWE1(7q21.2) so se izkazala za najbolj transkripcijsko aktivna v vseh možganskih regijah. Gen env na tem lokusu kodira za sincitin-1, ki se izraža v posteljici, spremenjeni vzorci izražanja pa so povezani z demielinizacijo, ki pogosto spremlja razvoj shizofrenije. Raziskave stopnje metilacije transpozicijskih elementov brez LTR pacientov s shizofrenijo so pokazale povečano retrotranspozicijo LINE-1 v nevronih v dorsolateralnem prefrontalnem korteksu. Zelo izrazita je bila v genih odgovornih, za sinaptične funkcije. Te ugotovitve so potrdili tudi na induciranih pluripotentnih matiČnih celicah pacientov z delecijo 22q11 ter na mišjih modelih shizofrenije. Preučevanje DiGeorgeevega sindroma, ki močno poveča verjetnost za razvoj shizofrenije, je pokazalo, da Alu elementi lahko mediirajo pri preurejanju kromosomov in povzročajo mikrodelecije, opazne na kromosomu 22q11. Raven metilacije elementov LINE-1 naj bi bila povezana tudi z dovzetnostjo osebe, da razvije post travmatično motnjo.

Motnje razpoloženja (bipolarna motnja)

Pri pacientih z motnjami razpoloženja so tako kot pri shizofrenikih zaznali preveliko izražanje zaporedij HERV-K in znižano izražanje proteina HERV-W gag v cingulatnem girusu in hipokampusu. Opažena je bila tudi hipometilacija elementov LINE-1 v krvi pacientov z bipolarno motnjo. Raven izražanja proteina HERV-W env je pri pacientih z bipolarno motnjo višja kot pri pacientih s shizofrenijo.

Avtizem

Pri primerjanju števila TE pri genih s tveganjem za avtizem s kontrolno skupino so odkrili, da je pojavnost TE pogostejša pri skupini pacientov z motnjo avtističnega spektra (ASD). Opazili so prekomerno izražanje HERV-H v perifernih krvnih mononuklearnih celicah teh otrok. Podobno so opazili tudi pri dveh vrstah miših z ASD, kjer je bilo izražanje mnogih družin endogenih retrovirusov (ERV) v primerjavi s kontrolami večje. Izražanje LINE-1 retrotranspozonov so povezali z ASD, kjer so raziskovali število LINE-1 ORF1 in ORF2 transkriptov v štirih različnih možganskih regijah pacientov s primarnim avtizmom. Povišano izražanje LINE-1 skupaj z nižjo vezavno afiniteto za represor MeCP2 protein in histon H3K9me3 so opazili le v malih možganih. Iz tega lahko sklepamo o zmanjšanju epigenetske represije in posledično povečani dostopnosti do kromatina. Povečanje v izražanju LINE-1 je bilo med drugim obratno sorazmerno s stanjem glutation redoks potenciala, kar pomeni, da je izražanje povečano v pro-oksidativnivnih pogojih.

Alzheimerjeva bolezen

Tekom staranja organizma se transpozicijskim elementom spremeni epigenetski vzorec (npr. izguba metilacije Alu elementov in HERV-K). Omejene klinične študije kažejo na povišane ravni metilacije LINE-1 pri pacientih z Alzheimerjevo boleznijo.

Viri in literatura

[1]. Misiak B, Ricceri L, Sąsiadek MM. Transposable Elements and Their Epigenetic Regulation in Mental Disorders: Current Evidence in the Field. Front Genet. 2019;10: 580. doi:10.3389/fgene.2019.00580

[2]. Guffanti G, Gaudi S, Fallon JH, Sobell J, Potkin SG, Pato C, et al. Transposable elements and psychiatric disorders. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet. 2014;165B: 201–216. doi:10.1002/ajmg.b.32225

[3]. Canli T. A model of human endogenous retrovirus (HERV) activation in mental health and illness. Medical Hypotheses. 2019;133: 109404. doi:10.1016/j.mehy.2019.109404

[4]. Lapp HE, Hunter RG. The dynamic genome: transposons and environmental adaptation in the nervous system. Epigenomics. 2016;8: 237–249. doi:10.2217/epi.15.107

[5]. Saleh A, Macia A, Muotri AR. Transposable Elements, Inflammation, and Neurological Disease. Front Neurol. 2019;10: 894. doi:10.3389/fneur.2019.00894