NEUROBIOLOGIJA AUTIZMA – predavanje na TJEDNU MOZGA 2016.

 

„A lot can go wrong in the development of the human brain.“
                        Mitchell KJ, Curr Opin Neurobiol 2010;21:1-7.

 

Misterij razvoja živčanog sustava, te njegovo funkcioniranje tijekom života oduvijek su intrigirali znanstvenike. Osnovnu mapu razvoja ljudskog tijela pa tako i neurorazvoja svakog pojedinca čini genetski zapis koji je pohranjen unutar svake stanice u obliku genoma koji je građen od sljedova nukleotidnih parova baza „složenih“ u molekulu DNK – „dvostruka zavojnica“ (deoksiribonukleinska kiselina, engl. deoxyribonucleic acid – DNA). Kada bi „odmotali“ dvostruku zavojnicu i izbrojali pojedinačne parove baza došli bi do brojke 3,2X109, što znači da je humani genom veličine 3,2X109 parova baza [1]. Djeca nasljeđuju od roditelja kodiranu informaciju u obliku nasljednih jedinica koje nazivamo genima. Geni su specifični dijelovi DNK molekule koji kodiraju za određene informacije. Kondenzirane DNK molekule organizirane u kromatinske niti predstavljaju kromosome kojih čovjek ima 46, 23 para (22 para autosoma i jedan par spolnih kromosoma).

Kromosomi dolaze u homolognim parovima od kojih jedan dolazi od mame a drugi od tate. Svaki član homolognog para kromosoma nosi jedan od alela gena na određenom mjestu tj. dva alternativna gena koja određuju istu osobinu. Aleli mogu biti identični ili se mogu razlikovati, a rezultat njihova djelovanje je fenotipsko obilježje. Prema najnovijim istraživanjem čovjek ima 20-25 000 gena. Osnovni put informacije od gena prema funkciji je preko proteina. Tako geni (DNK) informaciju prenose preko RNK (ribonukleinska kiselina, engl. ribonucleic acid, RNA) do sinteze proteina, te u konačnici obavljanje određene funkcije. Istraživanjem sekvence humanog genoma (cjelokupne DNK) utvrđeno je da samo oko 2% humanog genoma (geni) ima ulogu kodiranja informacija za proteine procesima transkripcije (prepisivanjem u glasničku RNK) i translacijom (prevođenjem u proteine), dok se za ostalih 98% smatralo da je većinom nekodirajuća DNA. Međutim, analizom transkriptoma (cjelokupna RNK) utvrđeno je da je više od 85% genoma čovjeka transkripcijski aktivno.

Osnovni put prijenos informacije od gena do funkcije može biti modificiran na nekoliko načina, te u konačnici „ispravna informacija od gena“ ne mora dovesti do ispravne funkcije. Modifikacije mogu biti vezane na samoj DNK molekuli te ih u tom slučaju nazivamo epigenetskim modifikacijama, na razini prevođenja informacije putem RNK molekula može doći do neispravnog slaganje sastavnih dijelova proteina, te sami proteini mogu biti „neispravni“ i ne ispunjavati svoje normalne funkcije. Sve to u konačnici može dovesti do patoloških promjena u fenotipu. 

Tijekom embriogeneze (prenatalni razvoj) središnji živčani sustav složenim progresivnim i reorganizacijskim histogenetskim procesima dinamički se mijenja. Međutim mozak i tijekom prenatalnog razvoja i u prvim godinama života nekoliko puta promijeni strukturno-funkcionalno ustrojstvo procesom razvojne reorganizacije. Svaka, pa i najmanja, promjena ili odstupanje od genetske osnove za normalan neurorazvoj može dovesti do poremećaja te u konačnici imati širok spektar posljedica koje se mjere od male promjene u morfologiji i funkcioniranju živčanog sustava pa do potpunog gubitka različitih funkcija.

Oštećenja koja nastaju tijekom razvoja živčanog sustava, a kao posljedicu imaju narušeno napredovanje u jednoj ili više razvojnih domena (tjelesna, kognitivna/spoznajna, socijalna i emocionalna) dovodi do nastanka neurorazvojnih poremećaja. Tako možemo reći da neurorazvojni poremećaji obuhvaćaju veliku grupu, klinički heterogenih, kroničnih poremećaja koje karakterizira oštećenje razvoja središnjeg živčanog sustava. Oboljenja se smatraju neurorazvojnima ako se očituju u dojenačkoj dobi, djetinjstvu ili ranoj adolescenciji. Zbog kompleksnosti i etiološke heterogenosti poremećaji koji se ubrajaju u neurorazvojna oboljenja često su se dijagnosticirali, ne na temelju objektivnih dijagnostičkih laboratorijskih testova, nego na temelju zapaženih kliničkih simptoma.

Poremećaji autističnog spektra (engl. Autism Spectrum Disorders – ASD) imaju izrazito heterogenu etiologiju koja obuhvaća (i) genetsku, (ii) stečenu ili (iii) okolišnu podlogu. Stečeni i okolišni faktori mogu djelovati prenatalno, perinatalno te postnatalno, a među njima se nalaze izloženost infekcijama i teratogenima, traume te asfiksije. Genetska podloga može preko (i) kromosomskih aberacija koje rezultiraju disbalansom u broju kopija određenih gena ili genomskih regija; (ii) epigenetskih promjena, deregulacije imprinting zapisa određenih gena ili genomskih regija; (iii) disfunkcije pojedinih gena ključnih za razvoj kognitivnih funkcija rezultirati poremećenom kognitivnom funkcijom. Važnost genetskog doprinosa razvoju ASD-a postala je jasna početkom 1980tih godina kada su zabilježeni prvi slučajevi autističnog poremećaja kod osoba s kromosomskim poremećajima i rijetkim sindromima. Genetski faktori koji predstavljaju najveći dio poznate etiologije mogu biti različiti (od poznatih genetskih sindroma pa do promjena u pojedinim bazama DNK), međutim niti jedan od njih ne obuhvaća više od 1-2% svih slučajeva ASD-a. Smatra se da postoji znatno veća genetska osnova ASD-a, na što ukazuje i veliki rizik pojavljivanja ASD-a kod braće i sestara unutar zahvaćene obitelji. Učestalost pojavljivanja kod zahvaćenih braće i sestara raste na 2-8%, kod dvojajčanih (dizigotnih) blizanaca na 10%, a kod monozigotnih blizanaca na čak 92%.

Završetkom projekta sekvenciranja humanog genoma, 2000. godine, i razvojem sofisticiranih tehnika molekularne citogenetike započela je nova era istraživanje genetske podloge ASD. Danas dostupnim tehnikama moguća je detekcija vrlo malih strukturnih promjena u broju kopija DNK – višak ili manjak određenog DNK segmenta (engl. Copy Number Variation – CNV). Tehnike biočipova (array komparativna genomska hibridizacija, engl. Array comparative genomic hybridization – aCGH) omogućavaju pretraživanje čitavog genoma na višak odnosno manjak specifičnih DNA sekvenci koje su iznimno male veličine, te detekciju suptilnih submikroskopskih promjena broja kopija DNA sekvenci na rezolucije od nekoliko Kb (1000 parova baza DNK molekule), pa i manje.

Genetski faktori nalaze se u najvećem djelu poznatih uzroka ASD-a. Upravo zbog toga genetska evaluacija pojedinca prvi je korak u postavljanju etiološke (uzročne) dijagnoze. Poznavanje etiologije poremećaja može se prevesti u klinički korisne informacije za obitelj koje uključuju: pružanje informacija o prognozi, rizicima ponavljanja, te preferiranim oblicima terapije. U fokusu genetske analize uvijek je cijela obitelj, a ne samo njezin zahvaćeni član.
Patogeneza neurorazvojnih poremećaja, uključujući i ASD, samo je djelomično razjašnjena. Međutim veća dostupnost modernih tehnika molekularne citogenetike uvelike je promijenila način istraživanja etiologije neurorazvojnih poremećaja, te će u budućnosti biti potreban multidisciplinarni pristup koja će omogućiti povezivanje svih čimbenika koji gensku informaciju prevode do krajnje funkcije. 

Dijagnostički postupak evaluacije pacijenta s neurorazvojnim poremećajima 

Genetski faktori nalaze se u najvećem djelu poznatih uzroka neurorazvojnih poremećaja. Upravo zbog toga genetska evaluacija ispitanika prvi je korak u postavljanju etiološke dijagnoze. Prema dosadašnjem algoritmu nakon kliničke i obiteljske anamneze, fizičkog i neurološkog pregleda u slučaju indikacije učinjene su specifične analize (FISH analiza specifičnih kromosomskih regija, FRAX analiza ili metaboličko testiranje). Međutim, u slučaju nespecifične ili nejasne kliničke slike prvo je indicirana GTG analiza kromosoma (GTG engl – G-bands by Trypsin using Giemsa; G-pruganje), zatim u negativnim slučajevima FISH analiza subtelomera i metaboličko testiranje [2]. Značajne promjene dogodile su se u zadnjih nekoliko godina na području dijagnostike genetskih poremećaja. Veća dostupnost modernih tehnika molekularne citogenetike uvelike je promijenila uvriježene algoritme dijagnostičke evaluacije ispitanika s neurorazvojnim poremećajima. Tako danas nakon kliničke i obiteljske anamneze, fizičkog i neurološkog pregleda u slučaju nejasne kliničke slike aCGH postaje prva indicirana analiza. U nastavku na slici 1. prikazano je kako bi dijagnostički algoritam evaluacije ispitanika s neurorazvojnim poremećajima trebao izgledati prema najnovijim smjernicama Američke akademije za pedijatriju, Odbor za genetiku [3].

Gledajući dijagnostički potencijal pojedinih tehnika istraživanja genoma u otkrivanju etiologije ASD-a vrlo je teško govoriti o postotcima detekcije aberacija i to iz više razloga: (i) kriteriji za postavljanje dijagnoze, pa tako i uključivanje ili isključivanje iz studije, se mogu značajno razlikovati, (ii) broj ispitanika po studijama ima velik raspon, (iii) iako su tehnike standardizirane svaki laboratorij može imati vlastiti način provođenja istraživanja, (iv) same tehnike imaju različitu senzitivnosti, što znači da mogu detektirati promjene različitih veličina. Upravo zbog navedenih razloga kroz znanstvenu literaturu postotak detekcije aberacija u podlozi ASD-a može, i često zna, imati velik raspon.

Ponekad je potrebno upotrijebiti nekoliko različitih tehnika da bi se došlo do konačnog odgovora na pitanje „Zašto?“. Kada bi gledali postotak detekcije aberacija citogenetski vidljive kromosomske aberacije (GTG analizom kromosome) prema danas dostupnim podatcima, otkrivaju se kod 6-7% slučajeva ASD-a, iako bi taj postotak mogao biti i znatno veći kod kliničke slike ASD-a udružene s dizmorfijama i nižim intelektualnim funkcioniranjem [4]. Array tehnikom visoke rezolucije za pretraživanje cijelog genoma moguće je utvrditi etiologiju u dodatnih 20% slučajeva u uzorku pacijenata s zaostajanjem u razvoju/intelektualnim teškoćama koji imaju uredan nalaz GTG analize [5-7]. Također velik broj studija potvrđuje velik potencijal array tehnike u istraživanju etiologije ASD-a, te povezanost CNV-ova s razvojem autističnog spektra [8-11]. Bitno je za naglasit da je u genetsku obradu bilo kojim tehnikom od neophodnog značenja uključiti cijelu obitelj (u prvom redu roditelja, braću i sestre), te da bez kompletne obrade obitelji iznimno je teško interpretirati sve dobivene rezultate. 

Budućnost?

Zadnjih nekoliko godina svjedoci smo iznimnom napretku na otkrivanju uzroka ASD-a, te sve boljem razumijevanju genetske podloge neurorazvojnih poremećaj, te bi mogli reći da danas možemo puno! Velike konzorcijske studije povezale su ASD s mnogo različitih genetskih faktore rizika (engl. genetic risk factors) koji uključuju uobičajene poligenske rizike, de novo promjene u pojedinim bazama, CNV-ove i rijetke naslijeđene varijante. U cjelini ovi rezultati ukazuju na heterogenost i kompleksnost patologije ASD-a [12]. Daljnje genetsko istraživanje ima ogroman potencijal u otkrivanju bioloških mehanizama u podlozi ASD-a, što bi u budućnosti moglo pomoći u otkrivanju i razvoju ciljane terapije (terapija koja je usmjerene na molekularni uzrok problema). Osim toga, cjelovita genetska arhitektura ASD-a može dovesti do novih biomarkera, koji bi se osim za ranu predikciju mogli koristiti i za poboljšanje epidemioloških studija koje bi mogle biti na temelju genetskih nalaza bile više specifične. 

Slika 1. Dijagnostički postupak evaluacije pacijenta s neurorazvojnim poremećajima. (1) ukupni homocistein, acylcarnitine profil, aminokiseline i organske kiseline, mukopolisaharidi (glikozaminoglikani), oligosaharidi, kreatin, i drugi. (2) drugi urođeni metabolički poremećaji. 

 

dr.sc. Martina Rinčić, znanstveni suradnik
Hrvatski institut za istraživanje mozga 
Medicinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu 

 

 

Literatura


1.    [https://www.genome.gov/11006943]

2.    Moeschler JB, Shevell M, Genetics AAoPCo: Clinical genetic evaluation of the child with mental retardation or developmental delays. Pediatrics 2006, 117(6):2304-2316.

3.    Moeschler JB, Shevell M, Genetics Co: Comprehensive evaluation of the child with intellectual disability or global developmental delays. Pediatrics 2014, 134(3):e903-918.

4.    Marshall CR, Noor A, Vincent JB, Lionel AC, Feuk L, Skaug J, Shago M, Moessner R, Pinto D, Ren Y et al: Structural variation of chromosomes in autism spectrum disorder. Am J Hum Genet 2008, 82(2):477-488.

5.    Hochstenbach R, Buizer-Voskamp JE, Vorstman JA, Ophoff RA: Genome arrays for the detection of copy number variations in idiopathic mental retardation, idiopathic generalized epilepsy and neuropsychiatric disorders: lessons for diagnostic workflow and research. Cytogenet Genome Res 2011, 135(3-4):174-202.

6.    Kashevarova AA, Nazarenko LP, Skryabin NA, Salyukova OA, Chechetkina NN, Tolmacheva EN, Sazhenova EA, Magini P, Graziano C, Romeo G et al: Array CGH analysis of a cohort of Russian patients with intellectual disability. Gene 2014, 536(1):145-150.

7.    Rosenberg C, Knijnenburg J, Bakker E, Vianna-Morgante AM, Sloos W, Otto PA, Kriek M, Hansson K, Krepischi-Santos AC, Fiegler H et al: Array-CGH detection of micro rearrangements in mentally retarded individuals: clinical significance of imbalances present both in affected children and normal parents. J Med Genet 2006, 43(2):180-186.

8.    Devlin B, Scherer SW: Genetic architecture in autism spectrum disorder. Curr Opin Genet Dev 2012, 22(3):229-237.

9.    Nicholl J, Waters W, Mulley JC, Suwalski S, Brown S, Hull Y, Barnett C, Haan E, Thompson EM, Liebelt J et al: Cognitive deficit and autism spectrum disorders: prospective diagnosis by array CGH. Pathology 2014, 46(1):41-45.

10.    Anney R, Klei L, Pinto D, Regan R, Conroy J, Magalhaes TR, Correia C, Abrahams BS, Sykes N, Pagnamenta AT et al: A genome-wide scan for common alleles affecting risk for autism. Hum Mol Genet 2010, 19(20):4072-4082.

11.    van de Lagemaat LN, Grant SG: Genome variation and complexity in the autism spectrum. Neuron 2010, 67(1):8-10.

12.    Robinson EB, Neale BM, Hyman SE: Genetic research in autism spectrum disorders. Curr Opin Pediatr 2015, 27(6):685-691.

 

 

Vijesti

Aktivnosti

Članice diljem Hrvatske:

PRIRUČNIK

BROŠURA SUZAH-a