Вклад нейроиммунологии и нейроэпигенетики в формирование половых различий мозга

Исторически складывалось так, что исследования, направленные на изучение половых различий в строении мозга и поведении, не были так уж важны для нейронаук, и обсуждались в достаточно узкой и скромной рубрике, посвященной «репродуктивной эндокринологии». Проблема заключалась в том, что эта область ниши была сосредоточена только на нейрофизиологии овуляции и лактации, а также на поведении спаривания и воспитания. Тем не менее, регулярно все же появлялись публикации о различиях мужчин и женщин по нерепродуктивным параметрам, таким как эффективность обучения и соответствующим нейрофизиологическим коррелятам.

Параллель с исследованиями на животных была проведена после появления функциональной МРТ (фМРТ), которая позволила оценивать деятельность мозга человека в режиме реального времени и предоставила, наконец, возможность пересмотреть вечный вопрос: «А думают ли мужчины и женщины по-разному?». Исследования с использованием фМРТ, выявляющие подобные различия, включают задачи, оценивающие вербальное воспроизведение, пространственное обучение, невербальное мышление, распознавание эмоций, уровень страха и тревоги, ответ на сексуальные стимулы, а также влияние стресса на выполнение большинства из этих задач. Аналогичным образом, появление дифузионной спектральной томографии выявило наличие половых различий в строении коннектома: у девушек и молодых женщин отмечались более выраженные межполушарные связи, тогда как у мальчиков и юношей оказались более развитыми внутриполушарные соединения. В последующих исследованиях было обнаружено, что мужчины лучше справлялись с обработкой сенсомоторных задач, что коррелировало с более высокой выраженностью связей между моторными и сенсорными узлами коры, тогда как женщины показывали лучшие результаты при выполнении задач, связанных с социальным познанием и невербальными рассуждениями, что объяснялось за счет более развитых связей между подкорковыми областями полушарий.

Споры о достоверности использования нейровизуализации для оценки половых различий у людей ведутся и по сей день, и, вероятно, будут продолжаться в течение многих лет. Эта проблема особенно заметна при рассмотрении понятие гендера. Гендер – это уникальная, свойственная лишь человеку конструкция, которая сочетает в себе самосознание собственного пола и социальную осведомленность, включая влияние культурных норм, неявного предвзятого отношения и родительских ожиданий. Это понятие значительно затрудняет выделение чисто биологического вклада в половые различия в человеческом мозге и поведении. Действительно, некоторые утверждают, что мы не должны даже пытаться этого делать, поскольку научные исследования, базированные даже на хорошо укоренившихся стереотипах, могут принести больше вреда, чем пользы.

Несмотря на эти законные опасения, есть две причины, по которым по-прежнему следует учитывать биологический вклад. Во-первых, исследования на животных показывают, что пол является решающей переменной, которая модулирует фундаментальные нейробиологические процессы на различных уровнях: от нейрогенеза до физиологии синапса. Во-вторых, клинические исследования недвусмысленно демонстрируют разницу в распространенности и тяжести нейропсихиатрических, неврологических и нейродегенеративных расстройств в зависимости от пола (таб. 1). Этот гендерный перекос заметно смещается на протяжении всей жизни: так, среди мальчиков описанные нарушения гораздо чаще возникают в более раннем возрасте и имеют менее благоприятных прогноз, в то время как женщины непропорционально чаще страдают от этих расстройств во взрослом возрасте. Эти примеры обязывают нас исследовать биологические различия мужчин и женщин, влияющие на течение и риск развития различных расстройств, а также события, происходящие в ходе развития человеческого организма, которые приводят к этим биологическим расхождениям.

Таблица 1. Половые различия в протекании нейропсихиатрических, неврологических и нейродегенеративных состояний

Опозиционное вызывающее расстройство

Более выражены аффективные нарушения у женщин

У женщин чаще аффективнаясимтоматика

БАР II — чаще у женщин

Цель данного обзора состоит в том, чтобы осветить последние данные, выявляющие факторы гендерной устойчивости и предрасположенности. Половые различия в мозге обнаруживаются на макро- и микроуровне: целые области мозга могут варьироваться по размеру в зависимости от пола. Могут различаться как число конкретных типов клеток, так и величина проекций между областями мозга и внутри них. Даже пути передачи сигнала могут заметно отличаться в зависимости от пола. Отождествление этих половых различий с конкретным поведением и физиологическими ответами наиболее легко достигается в случаях непосредственно связанных с размножением и процессами регулирующими высвобождение лютеинизирующего гормона из передней доли гипофиза. Хотя может показаться, что между репродуктивным поведением и нейропсихиатрическими, неврологическими и нейродегенеративными заболеваниями мало общего, мы утверждаем, что обнаружение основополагающих механизмов, устанавливающих эти половые различия, может дать нам важную информацию об источниках гендерной предрасположенности и устойчивости к указанным расстройствам.

Половые гормоны и раннее программирование.

Известно, что репродуктивное поведение взрослых самцов и самок зависит от профиля половых гормонов, который уникален для каждого пола. Мужчины имеют более высокий уровень циркулирующего тестостерона, вырабатываемого яичком, тогда как у женщин наблюдаются циклические колебания уровней эстрогенов и прогестинов, вырабатываемых яичником. В идеальных лабораторных условиях самцы всегда сексуально активны, тогда как самки с готовностью идут на спаривание лишь во время овуляции. Еще один момент, который стоит упомянуть –  гормональная среда взрослых и их репродуктивная деятельность напрямую зависит от программирования на ранней стадии жизни, что описано с помощью концепции, которая исторически упоминается как организационно-активационная гипотеза.

У самцов грызунов это программирование инициируется пренатально, когда эмбриональные семенники производят андрогены, которые достигая мозга, в больших количествах превращаются в эстрогены и инициируют маскулинизацию мозга. Как самцы, так и самки экспрессируют высокие уровни стероидсвязывающего глобулина ?-фетопротеина, который изолирует материнские эстрогены, присутствующие в крови плода, тем самым защищая мозг от влияния стероидов матери. Поскольку женский эмбриональный яичник остается в состоянии покоя, связывание материнских эстрогенов приводит к тому, что только самцы испытывают на себе влияние интрацеребрального эстрогена (в результате ароматизации тестикулярных андрогенов). Если ?-фетопротеина по каким-то причинам становится мало, материнский эстрадиол беспрепятственно проникает в мозг плода, и если это происходит в критический период, самки впоследствии становятся маскулинизированными.

Рисунок 1. Раннее «программирование» полового развития

Процессы маскулинизации и феминизации мозга происходят в так называемый критический период (рис. 1). У грызунов критический период начинается пренатально во время всплеска продукции андрогенов у самцов. Конец критического периода определяется как время, в течение которого женский фенотип больше не трансформирован в мужской путем введения экзогенных стероидных гормонов. У крыс и мышей он составляет от одной недели до 10 дней после рождения. Существование этого критического окна является инструментом для изучения процесса маскулинизации. Введение самкам крыс тестостерона или его ароматизированного метаболита, в течение 1 или 2 дней сразу после рождения вызывает активацию большинства (хотя и не обязательно всех) тех же профилей экспрессии генов и клеточных сигнальных каскадов, которые обычно встречаются у плодов-самцов в матке. Несмотря на то, что эта модель маскулинизации далека от идеальной, она обеспечивает превосходное средство для воспроизведения как краткосрочных и долгосрочных последствий половой дифференциации мозга, которые изучаются путем сравнения самцов, самок и маскулинизированных самок. Существует, по-видимому, отдельный чувствительный период для феминизации головного мозга грызунов, который происходит через несколько недель после рождения, однако до сих пор он остается малоизученным. В дополнение последствиям воздействия половых гормонов на развитие мозга, многие половые различия у взрослых животных (и, вероятно, у людей тоже) являются результатом различной гормональной среды гонад, которые каждый испытывает в зрелом возрасте. Они часто упоминаются как «активирующие» гормональные эффекты, которые могут зависеть от предшествующих организационных гормональных эффектов.

Хромосомный набор: XX и XY тоже имеют значение.

Не все гормональные эффекты у взрослых предопределены развитием, и не все половые различия обусловлены гормонами. Хромосомный набор также является важнейшим фактором, влияющим на половые различия в мозге и поведении (рис. 2). Потенциал прямых эффектов половых хромосом можно заметить при сравнивании нервных стволовых клеток, полученных из эмбрионов мышей разного пола. В образцах собранных еще до начала выработки половых гормонов, между женскими (XX) и мужскими (XY) стволовыми клетками были найдены различия в более чем 100 транскриптах. Стволовые клетки обоих полов реагировали на введение тестостерона, но что интересно, ответ происходил совершенно по-разному: при исследовании клеток с кариотипом ХХ была выявлена разница, измерявшаяся тысячами транскриптов. Таким образом, женские клетки демонстрировали более выраженный ответ.

Рисунок 2. Прямое и непрямое влияние половых хромосом на развитие мозга

Ген SRY, расположенный на Y-хромосоме, который наиболее известен своей ролью в развитии яичка, также способствует производству катехоламинов дофаминергическими нейронами черного вещества мышей и клетками NT2 человека. Ген SRY является признаком истинного полового диморфизма, поскольку его носителями являются исключительно мужчины. Предполагается, что это способствует повышению восприимчивости мужчин к расстройствам, связанным с дисрегуляцией дофаминового обмена, такими как болезнь Паркинсона и шизофрения.

Генетически модифицированная линия мыши, в которой SRY был перенесен из Y-хромосомы в аутосому, позволяет создавать XX особей с семенниками и XY с яичниками, тем самым разделяя половой генотип и фенотип гонад. Этот мощный инструмент, называемый четырехъядерным генотипом, показал, что множественные половые различия в поведении и морфологии мозга могут быть последствием половых особенностей хромосомного набора, а не фенотипического строения гонад. К таким различиям относятся встречаемость дефектов нервной трубки, разница в восприятии боли и другие дополнительные фенотипы.

Четырехъядерный генотип также использовался, для выделения источника повышенной предрасположенности женщин к аутоиммунным нарушениям, с упором на рассеянный склероз (который легко моделируется у грызунов в модели, называемой экспериментальным аутоиммунным энцефаломиелитом). Мыши с кариотипом ХХ демонстрировали более выраженную тяжесть симптомов и степень демиелинизации по сравнению с XY-мышами, независимо от фенотипа гонад, предполагая тем самым генетическое происхождение заболевания. Однако важно отметить, что четырехъядерный генотип включает в себя каждую клетку в организме, что усложняет разделение эффектов на периферии от тех, что базируются в ЦНС. Эта головоломка была решена с помощью трансплантации костного мозга для создания субъектов с нервной системой XX и периферийной иммунной системой XY и наоборот, тем самым было выявлено, что нервная система XY более чувствительна к повреждениям, чем XX. Противоположные эффекты половых хромосом дополняют модулирующий вклад половых стероидных гормонов в отношении периферической иммунной и центральной нервной системам, выявляя тем самым сложность гендерных влияний на течение заболеваний и важность изучения вклада пола как биологической переменной.

Нейроиммунитет и половые различия в строении мозга.

Действие стероидных гормонов обеспечивается посредством связывания с внутриклеточными рецепторами. Далее происходит процесс димеризации и закрепление комплекса «гормон-рецептор» на ДНК для регуляции транскрипции гена. Удивительным фактом оказалось то, что было обнаружено относительно небольшое количество генов, которые непосредственно индуцируются стероидными гормонами и опосредуют маскулинизацию. Вместо этого, за последнее десятилетие, была выявлена роль иммунных медиаторов в качестве основных драйверов процесса маскулинизации.

Считается, что мозг защищен от системных иммунных реакций и патогенов гематоэнцефалическим барьером. Однако это не означает, что мозг находится в постоянном состоянии иммунодефицита. На самом деле, головной мозг получает информацию от периферии об иммунном статусе из разных источников, включая блуждающий нерв, гуморальную и цитокиновую передачу, а также сигналы от оболочек и эпителиальных клеток через гематоэнцефалический барьер. Мозг также населен резидентными иммунокомпетентными клетками, известными как микроглия, функция которых состоит в распознавании различных агентов и подавлении патогенов. Эти клетки продуцируют множество нейровоспалительных медиаторов, которые являются важнейшими регуляторами гомеостаза и участвуют развития мозга. Среди них цитокины, простаноиды, пурины и активные формы кислорода. Многие из этих нейроиммунных медиаторов действуют образом, схожим с функциями нейромодуляторов или нейрогормонов.

Микроглия появляется в мозге в начале развития плода, начиная примерно с 4,5 гестационных недель у людей и с 8-9,5 эмбрионального дня у мышей и крыс. Микроглия развивается из клеток-предшественников желточного мешка, которые колонизируют мозг еще до образования гематоэнцефалического барьера, а затем продолжают локально размножаться до конца эмбрионального развития и в раннем послеродовом периоде. Данный процесс у мужчин и женщин протекает по-разному. На 17 эмбриональный день, до того момента, когда у эмбрионов мужского пола происходит выброс андрогенов, и самцы и самки обнаруживают одинаковые объемы микрогли. Через неделю у мужчин в некоторых областях мозга (гиппокамп, миндалина, теменная кора, паравентрикулярное ядро гипоталамуса) можно наблюдать значительно более выраженный рост микроглии, чем у женщин. Такая же динамика роста микроглии наблюдается у самцов и в развивающейся медиальной преоптической области (mPOA). Мужские клетки микроглии этой области в два раза чаще обнаруживаются в активированном состоянии по сравнению с женскими (эти данные основаны на выделении амебоидоподобной морфологии активных клеток). Введение новорожденным самкам маскулинизирующей дозы эстрадиола увеличивает как количество микроглии, так их активированное состояние до мужского уровня.

Рисунок 3. Нейроэпигенетический и нейровоспалительный вклад в половые различия в преоптической области.

В последние годы стало более очевидным функциональное значение этих половых различий в таких процессах, как нейроиммунная сигнализация и интенсивность роста микроглии (рис.3). Медиальная преоптическая область является ключевым регионом мозга, отвечающим за мужское половое поведение. Обонятельные сигналы, идущие от сексуально восприимчивых самок, обнаруживаются мужской обонятельной системой и проецируются на миндалину, которая, в свою очередь, передает сигнал в mPOA. Оттуда сигналы интегрируются с нейронными цепями мотивации и вознаграждения и проецируются на гипоталамус и средний мозг для осуществления спаривания. Дендриты нейронов mPOA усеяны дендритными шипами, и у самцов плотность этих шипов в два раза выше, чем у самок, что приводит к большему возбуждению в ответ на обонятельные раздражители. У грызунов важнейшим молекулярным драйвером половых различий, выражающихся в плотности дендритных шипиков mPOA, является простаноидный простагландин E2 (PGE2). Выброс эстрадиола в мужском мозге во время критического периода вызывает повышение активности в экспрессии циклооксигеназы 2 (СОХ2), фермента, который приводит к синтезу простагландинов. Повышенный СОХ2 приводит к увеличению PGE2 в mPOA, что необходимо для индукции как распределения шипиков на дендритах, так и типичного мужского копулятивного поведения во взрослом возрасте. Шипикогенный эффект PGE2 включает в себя активацию простаноидных рецепторов EP2 и EP4, которые связаны с активацией протеинкиназы А, что приводит к фосфорилированию и мобилизации AMPA рецепторов глутаматана мембране как нейронов, так и астроцитов, и глутаматзависимому образованию дендритных шипиков.

Теперь мы знаем, что микроглия медиальной преоптической области имеет решающее значение для опосредованной PGE2 индукции специфического для самцов синаптического паттерна и связанного с ним мужского копулятивного поведения во взрослой жизни. Введение эстрадиола в организм самки, способно увеличивать число амебоидных клеток микроглии до мужского уровня, а также повышать плотность дендритных шипиков на нейронах mPOA. Обработка эстрадиолом или PGE2 клеточной культуры, также будет приводить к маскулинизации POA-нейронов, о чем свидетельствует увеличение плотности шипикоподобных выпячиваний. Однако если культура лишена микроглии,такой трансформации не происходит. In vivo индуцированное эстрадиолом высвобождение PGE2 в mPOA притупляется миноциклином, антибиотиком, который, как известно, ингибирует активность микроглии, подтверждая вклад микроглии в поддержании воспалительной сигнальной связи, которая отвечает за формирование синаптического паттерна, характерного для самцов. Более того, маскулинизацию копулятивного поведения при введении эстрадиола самкам в неонатальном периоде можно предотвратить путем лечения миноциклином. Даже кратковременная микроглиальная абляция мозга самцов в неонатальном периоде, во взрослом возрасте приводит к полной утрате как типичного мужского копулятивного поведения, так и других поло-специфических эффектов.

Процесс половой дифференцировки параллельно можно также наблюдать и в соседнем антеровентральном перивентрикулярном ядре (AVPV) POA. Воздействие эстрадиола на мозг самцов в этой области приводит к усиленной гибели клеток, что значительно уменьшает размер AVPV по сравнению с женским. Этот процесс также связан с разницей в выраженности воспалительного ответа у представителей разного пола. Объективные показатели экспрессии гена AVPV указывают на то, что сразу несколько типов цитокинов из семейства факторов некроза опухолей (фактор некроза опухоли (TNF), рецептор TNF 2 (TNFR2, также известный как TNFRSF1B) и ядерный фактор-?B (NF-?B)) являются конститутивно активными в нейронах женского AVPV. У самцов эта активность блокируется вызванной тестостероном экспрессией E3 убиквитин-протеинлигазы TRAIP, которая участвует в протекании апоптоза.

Резидентные иммунные клетки, возможно, являются не единственными иммунными игроками в процессе половой дифференцировки. Косвенные доказательства подтверждают роль иммунных клеток, полученных из костного мозга и тимуса. Т-клетки тимуса выявляются также в мозговых оболочках, и в недавних исследованиях было обнаружено, что у мышей с дефицитом Т-клеток во взрослом возрасте обнаруживаются нарушения в поведении, которые затрагивают пространственное обучение и социальное поведение. Существуют исследования, посвященные изучению роли Т-клеток в развитии нервной системы. Опорное ядро терминального тяжа (bed nucleus of stria terminalis – BNST), область мозга, которая граничит с POA, в зрелом возрасте в норме достигает высокой степени полового диморфизма, т.к. в период развития плода испытывает на себе влияние стероидных гормонов. У самок, у которых с рождения отсутствовали Т-клетки, эта область маскулинизировалась, то есть увеличивалась в размерах по мужскому типу. BNST опосредует социополовое поведение, в том числе понятие территориальности, реакции на обонятельные сигналы, а также поведение, связанное с настроением. У самок с дефицитом Т-клеток наблюдалось снижение тревожного поведения, что может быть результатом увеличения объема BNST. До настоящего времени работ изучающих социальное и сексуальное поведение на таких животных еще не проводилось, но это является вопросом времени. В целом, данные исследований предполагают, что Т-клетки являются активными участниками феминизации мозга, но механизм, с помощью которого они влияют на физиологию ЦНС, до сих пор остается неясным.

Тучные клетки представляют собой гранулоциты миелоидной линии, которые вырабатываются костным мозгом, и распространяются по всему телу, включая головной мозг. Некоторые тучные клетки синтезируют гонадотропин-рилизинг гормон, пептид, имеющий решающее значение для контроля функции переднего гипофиза и гонад. Под воздействием сексуальных стимулов идущих от противоположного пола в определенных областях мозга происходит увеличение количества тучных клеток, причем такие изменения происходят и у самок и у самцов. Однако, стоит отметить то, что мужские и женские периферические тучные клетки заметно отличаются друг от друга по профилю экспрессии генов (транскриптому). Непосредственная роль тучных клеток в процессы половой дифференциации мозга еще не была доказана, но, учитывая их вклад в репродуктивные реакции, можно ожидать, что потенциал для такой роли довольно высок.

Нейроэпигенетика и половые различия мозга.

Термин «эпигенетика» описывает модификации ДНК или ассоциированных гистонов, которые не связаны с изменениями нуклеотидных последовательностей, но оказывают влияние на уровни экспрессии генов в долгосрочной перспективе. К каноническим эпигенетическим модификациям относятся: метилирование 5?-углерода цитозина (CpG-нуклеотиды) и посттрансляционная модификация хвостов гистонов, наиболее распространенными из которых являются ацетилирование и метилирование. Эпигенетические механизмы также включают дополнительные сайты метилирования ДНК и другие модификации гистонов наряду с действиями некодирующих РНК и генерирование совокупности эпигенетических меток, которые дезактивируют Х-хромосому. Понимание того, что эпигенетические изменения в нервной системе происходят быстро и обратимы в течение жизни, привело пересмотру традиционного взгляда на судьбу клеток. Так и появилась нейроэпигенетика.

Вклад нейроэпигенетики в половой диморфизм одновременно и загадочен и очевиден. Так, например, каждая клетка женской нервной системы имеет одну эпигенетически инактивированную Х-хромосому, но до сих пор остается неясным как это влияет на функциональные половые различия. Как упоминалось выше, очевидно, что набор половых хромосом является важнейшим фактором, обеспечивающим половые различия в головном мозге, но до сих пор неясно, вызывают ли различия те гены Х-хромосомы (у самок), которые избежали инактивации, или это результат образования гетерохроматиновых «районов», появляющихся при скоплении большого количества эпигенетических регуляторных белков (такое скопление необходимо для «глушения» второй Х-хромосомы). Неочевидно приведет ли уменьшение доступных эпигенетических модификаторов в клетках с двумя Х-хромосомами к уменьшению способности к другим формам эпигенетической регуляции. Также важно не забывать о потенциальных прямых эффектах генов Y-хромосомы.

При наблюдении последствий раннего программирования, которые проявляются только во взрослой жизни, например, в отношении гормональной половой дифференциации, становится очевидным, что должна существовать какая-то форма клеточной «памяти». Стероиды связываются с факторами ядерной транскрипции (которые непосредственно взаимодействуют с ДНК), а также с более крупными транскрипционными комплексами, включая гистон-модифицирующие ферменты, тем самым увеличивая вероятность задействования эпигенетических механизмов. Описанный выше сценарий раннего программирования подразумевает то, что маскулинизация обусловлена прямой транскрипционной регуляцией набора маскулинизирующих генов, которые включаются на ранних этапах (и, возможно, работают непрерывно), тем самым дифференцируя мужской мозг. Данные подтверждающие эту гипотезу были обнаружены в миндалине эмбрионов крысы. В миндалине взрослых самцов грызунов было выявлено больше мРНК вазопрессина, чем у самок, и эта разница детерминирована в процессе развития большим уровнем андрогенов. Было показано, что экспериментально индуцированное во время критического периода временное снижение количества ДНК белка, обеспечивающего метилирование (CpG-метилирующий белок-2, MeCP2), может навсегда уменьшить экспрессию вазопрессина миндалины у мужчин до уровня самок, предполагая, что эпигенетическая модификация (метилирование ДНК и последующее связывание MeCP2) устанавливает и поддерживает половую разницу в уровнях вазопрессина этой области мозга (рис.4). Амигдала является участком множественных нейроанатомических половых различий и имеет центральное значение для контроля полового поведения, включая юношескую социальную игру (juvenile social play – которая у большинства видов более развита у мужских особей).

Эпигенетическая регуляция экспрессии вазопрессина и MeCP2, как предполагается, находится ниже в иерархии процессов обеспечивающих половую дифференцировку, чем действие стероидных гормонов, но как насчет регуляции самих стероидных рецепторов? Прямая модуляция этих генов транскрипционного фактора должна обеспечивать широкий диапазон и стойкую регуляцию гормональных реакций во взрослом возрасте. Существуют исследования, проводившиеся на грызунах и посвященные метилированию промотора как изоформ рецептора эстрогена, так и рецептора прогестерона. Тем не менее, общий взгляд на существование, направление и выраженность влияния метилирования промотора на половые различия до сих пор не сформирован. В немногих случаях, когда измерения производились более чем единожды в течение времени, специфические половые эпигенетические паттерны, установленные в раннем возрасте, позже заменялись другими, но все же специфичными для пола признаками. Это наиболее ярко проявилось при полногеномном анализе наиболее метилированных геномных областей. При сравнении  новорожденных самцов, самок и маскулинизированных самок грызунов исследователи обнаружили относительно небольшое количество генов, уровни метилирования которых бы разительно различались. Но, при исследовании таких же животных во взрослом возрасте, были выявлены сотни метилированных под действием тестостерона генов. Одной из проблем, связанных с эпигенетическими исследованиями, является невозможность одновременно оценить метилирование ДНК и модификации гистонов на одном и том же гене и, что еще важнее, сделать это ретроспективно. Таким образом, когда наблюдается эпигенетическая модификация, невозможно понять, произошло ли это давно и длится до сих пор или же изменения произошли там только вчера. Тем не менее, эти исследования показывают, что раннее эпигенетическое воздействие на гормональную систему является устойчивым, но динамичным, создавая эпигенетическое «эхо», которое растет и искажается на протяжении всей жизни, но сохраняет аспекты его первоначальной формы.

Как отмечено выше, стероид-опосредованная транскрипция является очевидным средством, с помощью которого самцы и самки могут быть дифференцированы друг от друга. Кроме того, недавнее исследование показало, что активность ДНК-метилтрансферазы (DNMT) в преоптической области у самок крыс была выше, чем у самцов, и что у маскулинизированных с помощью тестостерона самок ферментативная активность снижалась до мужского уровня. Эта разница наблюдаласьтолько в течение первых нескольких дней после рождения. ДНК, выделенная из женского медиальной преоптической области, была более метилирована, и имела большее число 100% метилированных CpG-сайтов, в сравнении с показателями самцов и маскулинизированных самок, что сопровождалось также более высокой активностью DNMT. Но так ли важна ли эта разница в метилировании? Для изучения этого вопроса использовали секвенирование РНК транскриптомов у новорожденных самцов и самок, получавших и не получавших терапию снижающую метилирование ДНК. Как и ожидалось, у женских особей снижение метилирования ДНК увеличивало количество апрегулированных генов в большей степени, чем у мужских. Более интересно что, после сравнивания транскриптомов самцов и самок, было выявлено незначительное количество различающихся по половым признакам генов (70).

Кроме того, около половины из них в большей степени экспрессировалась у мужчин, в то время как другая была выше у женщин. Это удивительно, потому что сценарий, в котором транскрипция, индуцированная стероидным рецептором, отличает самцов от самок, предсказывает увеличение экспрессии генов именно у мужчин. Более того, большинство половых различий в экспрессии генов отмечалось у животных, у которых было снижено метилирование ДНК, что подтвердило гипотезу о том, что эпигенетические влияния являются основой для формирования специфических половыхт ранскриптомов. Больше доказательств было выявлено при исследовании половых различий в синаптической плотности в медиальной преоптической области и взрослого копулятивного поведения у самок со сниженным в неонатальном периоде уровнем метилирования ДНК. Механизм, с помощью которого стероиды уменьшают активность DNMT, неизвестен, но его объем снижается к концу первой недели жизни, что совпадает с окончанием критического периода. Однако, если к моменту окончания критического периода самок обрабатывают деметилирующим агентом, критическое окно остается открытым, и самки маскулинизируются. Таким образом, метилирование ДНК, по-видимому, имеет важное значение как для инициирования, так и для поддержания сексуальной дифференцировки mPOA.

В отличие от эффектов метилирования ДНК (которые предотвращают маскулинизацию), для маскулинизации требуется деацетилирование гистона, опосредующее снижение экспрессии гена. Это является еще одним удивительным моментом, потому что метилирование ДНК и деацетилирование гистонов обычно работают сообща, подавляя таким образом экспрессию генов. Еще более интересно, что существуют доказательства того, что эти две противостоящие силы работают в одной и той же области мозга. Как описано выше, BNST имеет большие объемы у самцов, чем у самок, т.к. у самок в данной области более выраженапоптоз. Это половое различие может быть нивелировано в период критического окна посредством введения женщинам маскулинизирующей дозы стероида, что указывает на то, что стероиды поддерживают выживание клеток. Для проявления этого эффекта выживания потребуется несколько дней, пока стероиды индуцируют эпигенетические изменения, которые будут защищать клетки отапоптотической программы. Введение новорожденным мышам ингибитора гистоновой деацетилазы (HDAC) увеличивало ацетилирование гистонов и предотвращало маскулинизацию BNST, что приводило к активации проапоптотических генов, которые обычно подавляются у мужчин. Функциональное влияние ингибирования HDAC у новорожденных во взрослом возрасте у мужчин проявляется в нарушении половой активности, что по меньшей мере, частично объясняется нарушением регуляции гена Cyp19a1, который кодирует фермент ароматазу, ответственную за превращение тестостерона в эстрадиол.

Существует два подхода к обнаружению половых различий в эпигеноме. Одним из них является использование широкомасштабных исследований, направленных на поиск максимального количества потенциальных мишеней. Второй подход – сосредоточиться на конкретных генах-кандидатах или эпигенетических метках. Преимущество широких подходов к исследованию заключается в том, что в анализ включены все внутригенные области, промоторы, регуляторные элементы и рамки считывания генов. Анализ секвенирования цельного генома образцов изпреоптической области новорожденных показал, что большинство половых различий в уровнях метилирования ДНК обнаруживается в межгенном регионе, функциональное значение которого остается загадкой. Более целенаправленное данные были получены путем анализа эпигенетической метки, известной как кластер сайта начала транскрипции -H3K4me3, который, как правило, обеспечивает экспрессию гена. С помощью иммунопреципитации хроматина с последующим секвенированием (CHIP-seq) было установлено, что большинство генов самцов и самок имели одинаковое количество меток H3K4me3, но воколо 200 генах были обнаружены отличия (большинство из них превалировали у женщин). Тринадцать кандидатур генов были подтверждены с помощью количественной полимеразной цепной реакции, в момент анализа которых, были выявлены значимые различия, и два из них были расположены на Х-хромосоме, где они не поддались Х-инактивации. Вместе эти данные подчеркивают важность рассмотрения понятия «сексом» – совокупности изменений экспрессии генов, связанных с полом, а не половых различий, связанных только с отдельным геном.

Нейроиммунитет и нейроэпигенетика, точки соприкосновения.

Учитывая вышеизложенные выводы, естественно поставить вопрос о наличии точек соприкосновения между нейроиммунными и нейроэпигенетическими механизмами половой дифференциации. Х-хромосома имеет самую высокую концентрацию генов связанных с иммунитетом, чем любая другая хромосома. Таким образом, инактивация Х-хромосомы у самок имеет решающее значение для предотвращения избыточной экспрессии этих генов. Именно неадекватно проведенная инактивация Х-ромосомы предполагается в качестве возможной причины развития аутоимунных заболеваний, от которых, как известно, женщины страдают чаще.

Geneontology анализ генов (прим.: Geneontology – биоинформатический проект, посвященный созданию унифицированной терминологии для аннотации генов и генных продуктов всех биологических видов), регулируемых метилированием ДНК в преоптической области, показал почти четырехкратное увеличение генов иммунной системы у самцов крыс, подвергшихся обработке  ингибитором DNMT (рис.3). К ним относятся цитокины, хемокины и их рецепторы, белки связанные с системой комплемента, специфичные гены микроглии и макрофагов, а также гены, связанные с фагоцитозом, антигенной презентацией и рецепторами. Выявлены также множество изоформ генов, в разной степени представленных у мужчин и женщин. Среди них много  генов, связанных с иммунной системой, в том числе гены,кодирующие протеазы тучных клеток -именно этот тип не-нейрональных клеток участвует в процессе половой дифференциации.

Дополнительной перспективой является то, что иммунокомпетентные клетки обладают дифференцированными по половому признаку эпигенетическими тегами. Воздействие стресса на ранней стадии при неонатальной обработке новорожденных крыс индуцирует микроглиально-специфическое снижение метилирования противовоспалительного иммунного  гена интерлейкина-10, что приводит к долгосрочному увеличению уровня цитокинов и последующей устойчивости к тесту «предпочтения места», обусловленного морфином. Хотя в этой работе не было выявлено никаких половых различий, дальнейшие исследования специфических для иммунных клеток половых различий в модификациях метилома или гистоновсмогут помочь ответить на вопрос о том, в чем же в действительности состоит вклад эпигенетической регуляции этих клеток: в обеспечении или поддерживании полового диморфизма.

Диагноз расстройства аутистического спектра (РАС) в 4-5 раз чаще встречается у мужчин, чем у женщин, а также выше у лиц, которые в ходе эмбрионального развития подвергались воздействию более высокого уровня тестостерона при таких состояниях, как синдром поликистозных яичников у матери. Повышенный уровень некоторых стероидных гормонов в амниотической жидкости во время беременности, будь то кортизол, прогестерон или тестостерон, могут предопределять более высокие риски диагностики аутизма. Низкий уровень эстриола и измененный уровень хорионического гонадотропина у матери во время беременности связывают с более высоким риском развития аутизма у мужчин, но не у женщин. Однако конкретная роль этих изменений  в развитии аутизма, неизвестна.

Вклад половых гормонов в процесс маскулинизации нервной системы является центральным звеном теории аутизма, носящей название «экстремально мужской мозг» (extreme male brain), однако, в отсутствие полного понимания клеточных механизмов, с помощью которых стероиды мускулинизируют мозг, трудно оценить, какой мозг можно назвать «экстремально мужским». Как было рассмотрено выше, нейровоспалительные медиаторы являются важным фактором половой дифференцировки нервной системы грызунов. Новые данные, полученные при анализе существующих профилей экспрессии генов аутопсийного материала коры головного мозга человека, показывает, что многие маркеры, связанные с активированными астроцитарными и микроглиальными клетками, в большем объеме встречаются у мужчин, чем у женщин, что указывает на то, что эти клетки играют роль в нормальной маскулинизации мозга человека. Более того, при сравнении профилей экспрессии генов в аутопсийном материале взрослых мужчин с расстройствами аутистического спектра и без него, было обнаружено, что у лиц с РАС показатели оказались намного выше. В настоящее время, невысокая распространенность РАС среди женщин затрудняет сравнительный анализ половых различий, однако это является важной целью для будущих исследований. Тем не менее, уже имеющиеся данные дают убедительные доказательства того, что нормальная биология типичного развития мужского мозга у грызунов также применима к людям и напрямую связана с генами повышенного риска развития аутизма или факторами окружающей среды, что делает мужчин более предрасположенными к данному расстройству. Шизофрения также чаще диагностируется у мужчин, чем у женщин (в порядке 1,5 диагнозов: 1 диагноз женщины), кроме того, шизофрения у мужчин ассоциирована с более ранним началом и большей тяжестью как негативной, так и продуктивной симптоматики. Напротив, женщины более склонны к аффективным нарушениям и манифестациям психоза в период менопаузы, что, как предполагалось, связано со снижением уровня эстрогенов, имеющих антипсихотические и антидепрессивные свойства.

Нейровизуализационные методы указывают на то, что те области коры головного мозга, которые проявляют половые различия у здоровых индивидуумов, показывают наиболее выраженные аномалии у пациентов с шизофренией, предполагая, что шизофренический процесс может сопутствовать нарушениям половой дифференцировки. Поведенческие расстройства, которые начинаются в детстве, включая расстройство гиперактивности дефицита внимания (СДВГ), оппозиционное вызывающее расстройство, расстройства поведения, заикание, дислексия и синдром Туретта, также чаще встречаются у мужчин. Из этих расстройств СДВГ наиболее изучено с точки зрения половых различий. Как и при шизофрении, мужчины и женщины демонстрируют фенотипические различия в выраженности расстройства, причем девочки проявляют меньшую импульсивность, гиперактивность и экстернализацию и более выраженные изменения внимания и настроения в сравнении с мальчиками. Нейровизуализация позволила выявить половые различия и при данном расстройстве: у женщин с диагнозом СДВГ, обнаруживаются меньшие объемы префронтальной коры, а у самцов наблюдается уменьшение премоторной коры, также половые различия найдены и в белом веществе. Определенные аллели повышенного риска СДВГ, например, связанные с Катехол-O-метилтрансферазой (COMT – фермент, играющий важную роль в распаде катехоламинов), как представляется, у мужчин играют более значимую роль в заболеваемости СДВГ (другие аллели, включая МАО типа A (MAO-A)) и натрийзависимый транспортер серотонина (SERT, также известный как SLC6A4), как представляется, играют большую роль в женском СДВГ). На данный момент роль этих генов в нормальном половом развитии головного мозга или в развитии СДВГ на животных моделях все еще не изучена.

Единственное неврологическое расстройство чаще диагностируется у женщин, чем у мужчин, – это синдром Ретта, генетическое заболевание, связанное с Х-хромосомой, для мужского пола является летальным еще в эмбриональном периоде (что и объясняет его половую предвзятость). Это подчеркивает очень важную оговорку к любому обсуждению половых различий расстройств развития нервной системы: важно отметить, что получаемые данные относительно конкретного расстройства не учитывают случаи, когда нарушенное развитие, лежащее в основе этого заболевания, является эмбрионально фатальным. Таким образом, следует понимать, что меньшая распространенность некоторых нозологических единиц среди женской популяции может быть обусловлена низкой пренатальной выживаемостью, что не позволяет учитывать их в общей статистике и создает ложное впечатление большей распространенности данного расстройства у мужчин.

Влияние пола и гендера на здоровье и развитие заболеваний является сложным, многофакторным и распространенным явлением. Определение биологического происхождения половых различий в восприимчивости к болезням является одним из множества инструментов, которые помогут в усовершенствовании диагностики и лечения состояний, затрагивающих как мужчин, так и женщин. Выделение различных факторов, влияющих на половые различия в мозге и поведении, в настоящее время является особенно сложной задачей, но животные модели в этом отношении уникальны. Недавние открытия намекают на наличие новых биологических источников половых различий в мозге, включая медиаторы воспаления, которые могут использоваться в качестве естественных агентов для половой дифференцировки. Расходящиеся нейроэпигенетические профили у мужчин и женщин, по-видимому, связаны с различиями в нейровоспалении, и, хотя этот вклад в настоящее время не до конца ясен, эта проблема, несомненно, требует дальнейшего изучения

Подготовила: Чеснокова О.И.

Источник: Margaret M. McCarthy, Bridget M. Nugent, Kathryn M. Lenz. Neuroimmunology and neuroepigenetics in the establishment of sex differences in the brain. Nature Reviews Neuroscience 18, 471–484 (2017) doi:10.1038/nrn.2017.61 Published online 22 June 2017

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарий

Имя *

E-mail *

Сайт

Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.

Уведомить меня о новых комментариях по email.

Уведомлять меня о новых записях почтой.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

“Психиатрия и Нейронауки” предлагает уникальную базу данных по психофармакологии, основанную на самых современных достижениях мировой науки

Источник: psyandneuro.ru

Комментарии: