Задержку нервно-психического развития у детей объяснили мутацией в гене фермента аутофагии

Американские врачи описали трех детей из двух неродственных семей с задержкой нервно-психического развития, у которых обнаружили мутации в гене ATG4D, ответственном за экспрессию одноименного изофермента цистеиновой протеазы. Этот фермент участвует в процессах аутофагии в нейронах и регулирует таким образом развитие головного мозга. Кроме того, у всех детей оказались схожи черты лица. Результаты наблюдений опубликованы в статье журнала npj Genomic Medicine.

Аутофагия — это процесс разрушения внутриклеточных элементов: органелл, макромолекул, обломков клеточных мембран и других. Аутофагия реализуется несколькими путями, в одном из которых участок цитоплазмы с органеллами окружается двумя мембранами, похожей на цистерну эндоплазматической сети. Такие двухмембранные органеллы называют аутофагосомы, которые в дальнейшем сливаются с лизосомами, образуя аутофаголизосомы, в которых органеллы (или другой клеточный «мусор») непосредственно перевариваются.

За регуляцию аутофагии отвечают порядка 20 белков и ферментов, основными из которых считаются ферменты группы ATG. В частности семейство цистеиновых протеаз ATG4 с четырьмя гомологичными формами ATG4A, ATG4B, ATG4C и ATG4D непосредственно регулирует процесс роста аутофагосом и их слияние с фагосомами. Известно, что нарушение работы ферментов этого семейства у животных вызывает патологии нервной системы – нарушения движения, нейродегенерацию мозжечка и отложения в клетках его ядер белковых агрегатов. 

Группа ученых под руководством Мэй Кристин Маликдан (May Christine Malicdan) из Национального института здравоохранения США столкнулась с тремя случаями задержки нервно-психического развития у детей в младшем возрасте, в которых не удавалось найти однозначной причины задержки по типу болезней перинатального периода, травм или наследственных заболеваний. 

Первый ребенок обследован в возрасте три года и четыре месяца из-за жалоб родителей на нарушение походки, плохую координацию и периодические замирания взгляда. Второй ребенок от здоровых родителей – не кровных родственников. У старшей сестры (15 лет) в детстве обнаруживали признаки нарушения развития, которые прошли и в данный момент ее успеваемость в школе находится на хорошем уровне.

Раннее развитие ребенка без особенностей, начал ходить в 13 месяцев. В два года врачи отметили снижение мышечного тонуса, частые спотыкания и падения, участились эпизоды замирания взгляда. В три года и два месяца начались эпизоды нарушения координации движений, речи, спутанности сознания и изменения поведения, которые длились примерно 20 минут. Неврологическое обследование выявило снижение мышечного тонуса, снижение глубоких сухожильных рефлексов, широкую и нескоординированную походку, а также снижение вербального взаимодействия. 

В три с половиной года у него случился абсанс, и электроэнцефалография показала мультифокальные нарушения с высоким риском генерализованных и фокальных припадков. Спустя год у него продолжали периодически возникать судороги, несмотря на лечение противоэпилептическими препаратами. В пять лет у ребенка начались быстрые согласованные движения глаз (саккады) и центральный нистагм, сохранялись нарушения речи, интенционный тремор и нарушения пространственного ориентирования. В девять с половиной лет отмечались легкие когнитивные нарушения, синдром дефицита внимания и гиперактивности и вызывающее оппозиционное расстройство. Ежегодная магнитно-резонансная томография (МРТ) головного мозга стабильно показывала умеренную мозжечковую атрофию верхних полушарий мозжечка и червя.

У второго ребенка в исследовании с девяти месяцев отмечались нарушения движения рук. Девочка – третий ребенок от здоровых русских родителей – не кровных родственников. В семье также есть четверо детей – трое практически здоровых (старшая сестра родилась с расщелиной неба) и один – больная сестра (третий ребенок в этом исследовании). У девочки наблюдалась сильная задержка двигательного развития: она начала ползать в 12 месяцев, а самостоятельно ходить – в 20 месяцев. МРТ головного мозга в возрасте одного года и трех месяцев не показала никаких значимых отклонений. В возрасте двух лет у нее появилась шаркающая походка с частыми спотыканиями и падениями. Глубокие сухожильные рефлексы были снижены, хотя и сохранялись в надколеннике. 

В два года она плохо выговаривала всего три слова. К двум годам и десяти месяцам в ее нервно-психическом развитии наступил прогресс: она могла бегать на короткие дистанции, но часто спотыкалась. В четыре года и восемь месяцев невролог признал девочку практически здоровой: нарушения движения рук и походки разрешились, сохранялись трудности в обучении и плохая артикуляция. 

Третий ребенок – младшая сестра второго ребенка в исследовании. Она родилась на 32 неделе беременности с помощью кесарева сечения из-за вагинального кровотечения у матери. После рождения девочка четыре недели провела в отделении реанимации. В раннем возрасте у нее отмечалась умеренная задержка речи и тяжелая задержка двигательного развития. К трем годам и пяти месяцам ситуация нормализовалась, хотя артикуляция остается неудовлетворительной. 

Секвенирование генома показало, что у первого и второго ребенка присутствовали сложные гетерозиготные варианты гена ATG4D, которые дети наследовали по аутосомно-рецессивному типу. У третьего ребенка ученые наблюдали такие же варианты гена, как и у ее старшей сестры – второго ребенка в исследовании. Обнаруженные варианты гена включали три точечные мутации, которые должны были приводить к сдвигу рамки считывания или к миссенс-мутациям. Однако анализ клеточных линий, полученных от пациентов, показал, что эти мутации не влияют на экспрессию мРНК и последующую трансляцию фермента ATG4D. 

Из-за того, что все гомологи ATG4 функционально избыточны (выполняют схожие функции и берут на себя часть функций, если один из гомологов не работает) исследовать последствия недостатка кого-то из них довольно проблематично. Поэтому ученые по очереди в разных комбинациях снижали экспрессию того или иного гомолога фермента. Выяснилось, что в фибробластах и лимфобластах с двухаллельными вариантами ATG4D образование аутофагосом никак не нарушено, равно как не нарушена индукция аутофагии и вывод продуктов распада из клетки. Ученые обнаружили лишь незначительное снижение числа аутофагосом.

Чтобы снизить влияние других генетических факторов на процесс аутофагии, ученые проверили эффект нокдауна гена ATG4D в бессмертных клетках HeLa. В такой модели ученые зафиксировали значительное снижение экспрессии мРНК ATG4D и уровень фермента ATG4D. Кроме того, значительно снизилось количество аутофагосом, они стали меньше, при этом индукция аутофагии не пострадала. Однако несколько анализов in vitro показали, что варианты ATG4D, которые экспрессируются у больных детей, недостаточно эффективно запускает экспрессию вспомогательных генов.

По мнению ученых именно дефект гена ATG4D стоит считать причиной наблюдавшегося у трех детей синдрома нарушения нервно-психического развития. Еще предстоит подробнее изучить морфологические изменения тканей мозга у детей с такой же мутаций и клиническими проявлениями, чтобы понять патогенез синдрома. Кроме того, остается неясным, как формируется специфический фенотип лица при такой мутации.

Впрочем, нарушения нервно-психического развития порой являются следствием органического поражения мозга плода из-за, например, внутриутробной инфекции. В трехмерной органоидной модели головного мозга человека вирус простого герпеса первого типа нарушил процессы дифференцировки стволовых нервных клеток и формирования коры головного мозга.