Аутистический синдром, DOCK4, Rac1 и NMDA-рецепторы

Расстройства аутистического спектра (РАС) – это расстройство нервно-психического развития, характеризующееся нарушением социального и коммуникативного функционирования, появлением стереотипий, страхов и необычных увлечений. РАС являются генетически опосредованными заболеваниями. Они связаны с вариациями генов, кодирующих нейротрансмиссию. Белок Rac1, являющийся G-белком и относящийся к семейству гуанозинтрифосфатаз (ГТФаз), играет одну из основных ролей как в модуляции рецепторов синапса, так и в клеточном возбуждении. Rac1 был идентифицирован как взаимноусиливающий фактор множества белков, кодирующих гены повышенного риска аутизма: SHANK, FMR1, NRXN, AUTS2. Нарушение продукции этих генов провоцирует обратные Rac1 эффекты. Так, дисфункции в SHANK и AUTS2 снижают активность Rac1, а FMR1 наоборот, активизируют Rac1, и оба этих эффекта приводят к нарушению нервно-психического развития с различными поведенческими проявлениями. Поэтому восстановление адекватной работы этого белка является залогом успешной коррекции аутистического синдрома. К тому же, понимание роли Rac1 в синапсе может быть важным в определении синаптических факторов в развитии РАС. 

Активность Rac1 регулируется гуанин нуклеотид-обменным фактором (GEFs) и белками-активаторами ГТФазной активности (GAPs). Doc4 является атипичным GEF для Rac1, способствующим появлению РАС и аутистического синдрома. Doc4 располагается на хромосоме 7q31.1 – аутизм-чувствительном локусе, в котором находятся гены, ответственные за РАС, когнитивное развитие и речь. Недавние исследования обнаружили вариации Doc4, экспрессии которых могут приводить к аутизму: это единичные нуклеотидный вариации (SNV), хромосомные микроделеции и дупликации. Считается, что это ведёт к снижению функций этого гена: некоторые микроделеции приводят к удалению участков различной длины на С-терминали белков гена Doc4, который отвечает за активность Rac1. Помимо этого, в крови двух популяций детей с РАС был повышен уровень мРНК в лимфобластах, образованной посредством Doc4. Ещё было обнаружено, что Doc4 играет роль в определении направления аксонов и в разветвлённости дендритов. Однако, это исследование было проведено in vitro. Каким же образом дисфункция Doc4 приводит к повреждению синапсов и появлению аутистикоподобного поведения, остаётся неизвестным. 

В августе 2019 года в журнале Molecular Psychiatry было опубликовано исследование Daji Guo и соавторов. Учёные воспроизвели линию мышей с недостаточной экспрессией гена Doc4 во всём организме (Dock4 KO мыши). Эти мыши демонстрировали неадекватность в социальном поведении, вокализациях, уровне тревоги, обучении и запоминании. Данные  симптомы сопровождались снижением количества гиппокамп-возбуждающих синапсов и подавленной нейротрансмиссией в них. Было обнаружено, что делеция хромосом в в участке С1 гиппокампа провоцировала те же симптомы. Дефицит экспрессии Doc4 вызывал снижение активности Rac1 в гиппокампе. Это уменьшало интенсивность нейротрансмиссии и подавляло активность АМРА (альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты) рецепторов и NMDA (N-метил-D-аспартат) рецепторов. Нормализация активности Rac1 в гиппокампе лабораторных мышей способствовала восстановлению нейротрансмиссии и коррекции социального поведения. Восстановление работы NMDA-рецепторов также улучшило их социализацию. 

Данное исследование позволило выявить неописанные ранее Doc4-Rac1-зависимые механизмы. Посредством данного механизма регулируется работа субъединиц GluA2, GluN1, GluN2A и GluN2B глутаматных рецепторов. Условием для восстановления социального функционирования является повышение активности Rac1 в области С1 гоппокампа, где снижена экспрессия Doc4. Использование в исследовании активаторов NMDA-рецепторов – их парциального анониста D-циклоскрина – привело к тому, что мыши заинтересовались созданием контактов с сородичами. Следовательно, можно сделать вывод, что Doc4-Rac1-зависимый механизм регуляции гиппокампа контролирует социализацию. 

Таким образом,  up-регуляция и down-регуляция синтеза синаптических белков связаны с аутистическим синдромом. Усиление синтеза приводит к нарушению нейротрансмиссии и, как следствие, к неадекватно у поведению (что видно на примере синдрома ломкой Х-хромосомы, для которого характерен аутистический синдром). Снижение синтеза синаптических белков тоже приводит к появлению аутистических черт в фенотипе. Кроме этого, смоделированных на мышах аутизм вследствие нарушения трансляции был редуцирован при помощи ISRIB – молекулы, стимулирующей трансляцию. В ходе исследования также было обнаружено, что стремление к новым контактам у мышей зависело от нормального уровня синтеза белков в глутаматных рецепторах (особенно в NMDA-рецепторах), что регулируется Doc4, а его мишенью является Rac1. Нормальный уровень синтеза белков в разных областях головного мозга помогает сформировать социальную память, а гиппокамп ответственен за их взаимодействие (особенно участок С1). 

Rac1 – это достаточно изученный регулятор актина, способствующий нормальному функционированию нервной клетки посредством активации работы «алгоритма»  нейротрансмиссии. Авторы исследования обнаружили его ранее неизвестную роль в синтезе белка. Так, Rac1, получив сигнал от генов, ассоциированных с РАС, может двойственно влиять на актин,  в зависимости от степени активности синапса. То, что при нормализации работы этого белка снижается выраженность аутистического поведения у животнго, говорит о том, что Rac1 может являться терапевтической мишенью и у людей. Механизмы, через которые он регулирует синтез белков, возможно, следующие. 

Во-первых, Rac1 активирует белок mTOR, и его мишень p70S6K (70-kDa рибосомальная-S6-киназа) – активатор трансляции. Во-вторых, активный  Rac1 отделяет CYFIP (цитоплазматический FMRP1-взаимодействующий белок) от CYFIP- FMRP1-комплекса. Затем CYFIP активирует трансляцию. Последующие исследования должны быть направлены на уточнение механизма синтеза Doc4/Rac1-зависимых белков как в норме, так и при РАС. 

При РАС возникает изменение соотношения активация/ингибиция синаптической передачи в различных зонах головного мозга. Авторы нового исследования обнаружили снижение активности нейротрансмиссии в пирамидных клетках С1-зоны гиппокампа у специально выведенной группы мышей, что ведёт к подавлению активности клетки. Нарушение работы NMDA-рецепторов явилось основной причиной появления трудностей в социализации мышей. Использование анонимов данных рецепторов способствовало улучшению состояния. Сниженная нейротрансмиссия в  синапсах с GluN2B рецепторами обнаруживает их связь с аутистическимм симптомами. 

Подытоживая вышесказанное, следует сказать, что дальнейшие исследования РАС, возможно, необходимо направить именно на глутаматные NMDA рецепторы. 

Автор перевода: Вирт К.О.

Источник: Daji Guo, Yinghui Peng, Laijian Wan, Xiaoyu Sun, Xiaojun Wang, Chunmei Liang, Xiaoman Yang, Shengnan Li, Junyu Xu, Wen-Cai Ye, Bin Jiang, Lei Shi. Autism-like social deficit generated by Dock4 deficiency is rescued by restoration of Rac1 activity and NMDA receptor function. Molecular Psychiatry.