Некоторые психоневрологические состояния могут зависеть от того, насколько хорошо клетки мозга взаимодействуют друг с другом. На это может повлиять ряд факторов, в том числе слишком много или слишком мало белков, которые функционируют в синапсе – точке связи между двумя клетками мозга. SHANK3 – один из этих белков. В своих лабораториях доктор. Худа Зогби, доктор. Джимми Л. Держатель Jr. и их коллеги тщательно изучали SHANK3, и они и другие лаборатории обнаружили, что хорошего, плохого и обнадеживающего в этом протеине.
Плохо: слишком мало SHANK3 приводит к неврологическим заболеваниям
«Ген SHANK3 расположен на конце хромосомы 22, в частности, в области 22q13. Мы наследуем две хромосомы 22, одну от матери, а другую от отца. Когда сегмент области 22q13, который включает SHANK3, отсутствует в одной из двух хромосом 22 или когда происходят определенные мутации SHANK3, результатом является синдром Фелана-Макдермида », – сказал Холдер, доцент кафедры педиатрии, неврологии и нейробиологии развития в Baylor. Медицинский колледж. “Люди, у которых отсутствует одна из двух копий гена SHANK3, имеют половину количества белка SHANK3, присутствующего у людей без этого заболевания.”
“Белковые седла SHANK3 в синапсе. Думайте об этом как о платформе, где многие другие белки могут стыковаться, взаимодействовать и влиять на синапсы в нейронах », – сказал Зогби, профессор молекулярной генетики и генетики человека, а также педиатрии и нейробиологии в Baylor и директор Неврологических исследований Яна и Дэна Дунканов. Институт Техасской детской больницы.
“Половина количества белка, который работает как платформа для ряда других белков, повлияет на работу синапса. В результате появляются люди с различной степенью умственной отсталости, задержкой или отсутствием речи, симптомами расстройства аутистического спектра, низким мышечным тонусом и задержкой моторики, а также эпилепсией », – сказал Холдер, который также является членом Института неврологических исследований Яна и Дэна Дунканов.
Как и ожидалось, потеря Shank3 нарушает синаптическую передачу в моделях мышей. Такое синаптическое нарушение приводит к ненормальному поведению, включая измененное социальное взаимодействие, нарушения координации движений и повторяющееся поведение.
Имея несколько сайтов стыковки для ряда белков, Shank3 участвует в ряде клеточных путей, которые, как сообщалось, нарушаются, когда Shank3 теряется в моделях на животных. Но есть отдельные места стыковки и клеточные пути, независимо опосредующие различные симптомы болезни?
«Ответ на этот вопрос будет иметь значение для разработки методов лечения», – сказал Зогби. “Если каждый модуль или стыковочный узел на Shank3 независимо регулирует подмножество симптомов, то исправления одного клеточного пути, скорее всего, будет недостаточно для исправления всех симптомов.”
Чтобы ответить на вопрос о модульности, исследователи разработали модель мыши, несущую вариант Shank3 – S685I, который имитирует вариант, обнаруженный у человека с аутизмом. У человека есть две копии SHANK3, но в одной из них один из нескольких стыковочных сайтов по остатку S685 неисправен из-за изменения одной аминокислоты и не может взаимодействовать с соответствующим стыковочным белком.
Мыши, несущие S685I, не проявляют всех симптомов, наблюдаемых у мышей, у которых отсутствует полная копия Shank3. Скорее, животные S685I демонстрируют повышенное социальное доминирование и социальный уход, но не имеют двигательных дефектов, повышенной тревожности или аномального поведения по уходу за собой, что позволяет предположить, что эти симптомы опосредованы взаимодействиями с другими участками стыковки и клеточными путями, также связанными с Shank3.
«Это открытие побудило нас предложить новую стратегию восстановления активности Shank3», – сказал Холдер. «Мы предположили, что вместо восстановления отдельных клеточных путей ниже Shank3, восстановление нормального количества белка Shank3 у мышей, у которых отсутствует одна копия гена, может восстановить полную активность белка и уменьшить или устранить некоторые симптомы.”
Хорошо: киназы регулируют стабильность SHANK3
Холдер, Зогби и их коллеги решили определить стратегию увеличения количества белка Shank3, которое уменьшается вдвое из-за отсутствия второй копии гена при синдроме Фелана-Макдермида. Открыв новые возможности, они рассмотрели клеточные механизмы, которые регулируют стабильность Shank3, сосредоточив внимание на киноме человека, полном наборе протеинкиназ, закодированных в геноме.
«Мы изучили протеинкиназы – ферменты, которые добавляют фосфатные группы к белкам, – потому что мы обнаружили, что Shank3 сильно помечен фосфатными группами. Кроме того, мы знали, что добавление фосфатных групп к белкам является обычным способом регулирования их стабильности, а активность киназы сама по себе может регулироваться с помощью определенных небольших молекул », – сказал Холдер.
Исследователи идентифицировали ряд киназ, которые потенциально регулируют стабильность Shank3, в том числе несколько, которые дестабилизируют ее, например ERK2. ERK2 – первая известная киназа, которая напрямую добавляет фосфатные группы к Shank3, чтобы способствовать его деградации.
Они также обнаружили, что генетическое удаление гена ERK2 или ингибирование его киназной активности с помощью лекарств увеличивало количество Shank3 в моделях мышей.
Обнадеживающие: регулирование изобилия SHANK3 может предложить новые методы лечения
Предыдущие результаты побудили исследователей провести дальнейшие исследования, чтобы лучше понять, как полностью нормализовать численность Shank3.
«Манипулируя ERK2, мы смогли частично восстановить численность Shank3», – сказал Зогби. «Мы считаем, что необходимо определить дополнительные регуляторы стабильности Shank3 для достижения полной реституции. Это может привести к потенциальному лечению в виде коктейля из регуляторов, который будет способствовать подъему SHANK3 до нормального уровня.”
Подход генетического скрининга регуляторов стабильности Shank3 также может быть применен для идентификации регуляторов других чувствительных к дозе генов в других условиях и потенциально может способствовать новым терапевтическим стратегиям.
«Взятые вместе, эти исследования показали ценность изучения последствий небольших генетических изменений, таких как изменение одной аминокислоты в мутанте S685l, для получения новых перспектив, которые могут привести к новым методам лечения», – сказал Холдер.
“Может быть, это причина того, что многие психические заболевания так сложно решить. Возможно, они вызваны не полной потерей одного целого гена, а небольшими изменениями в отдельных генах », – сказал Зогби. “В случае варианта S685l человека SHANK3 изменение одной аминокислоты в результате миссенс-мутации влияет на синапсы на 10-20 процентов, но этого достаточно, чтобы нарушить нейронную связь.”
“Обычно неясно, являются ли незначительные генетические изменения, такие как миссенс-варианты в одном гене, последующими или нет. Это стратегия, позволяющая оценить это функционально “, – сказал Холдер.