Эндофенотипы в психиатрической генетике: опыт десяти лет изучения (Обзор литературы)

Введение

В 2003 г. официально завершился проект по расшифровке генома человека. Термином «геном» в настоящее время обозначают полный состав ДНК клетки, т.е. совокупность всех генов и сопутствующих им компонентов. Принципы построения геномов и их структурно­функциональную организацию изучает новая область знания — геномика. Задача функциональной геномики — идентификация функций конкретных генов в определении различных признаков человека, в том числе психических особенностей в норме и патологии.

Полученные во второй половине XX века многочисленные данные утвердили важную роль генетических факторов в межиндивидуальной вариативности общего интеллекта, отдельных способностей, темперамента, личности. В то же время было установлено, что многие из психических расстройств также имеют наследственную основу [Балашов, 2006]; [Barnett, 2009]; [Bassett, 2001]; [Corvin, 2011]; [Ivleva, 2010]. В настоящий момент усилия исследователей направлены на поиск конкретных генов, отвечающих за вариативность высших психических функций в норме и при расстройствах психики.

Одной из признанных стратегий поиска является изучение генов-кандидатов (candidate gene). Речь идет о структурных генах, которые могут быть связаны с проявлением сложного признака или с возникновением заболевания. Распространенным методом изучения функций таких генов является установление ассоциации. Его суть в определении статистической достоверности различий между частотами встречаемости того или иного варианта генетического полиморфизма в выборках больных по сравнению с выборкой здоровых лиц. Выявление подобных различий подтверждает возможную взаимосвязь (ассоциацию) между определенным вариантом (аллелем) гена-кандидата и болезнью. При изучении сложных заболеваний с неясной этиологией (шизофрении, биполярных расстройств, болезни Альцгеймера и др.) в роли кандидатов фигурируют десятки генов [Балашов, 2006]; [Barnett, 2009]; [Corvin, 2011]; [Greenwood, 2012]. При этом под вопросом нередко остаются как сам факт участия того или иного гена в детерминации заболевания, так и пути распространения его влияний на конечный фенотип — психическое расстройство [Балашов, 2006]; [Greenwood, 2012]; [Toulopoulou, 2007]. Иными словами, прямой поиск конкретных генов, отвечающих за предрасположенность к психическим расстройствам, пока не дал значительных результатов.

В связи с этим было предложено использовать промежуточные фенотипы или эндофенотипы (далее ЭФ). Основное допущение здесь состоит в следующем. Являясь менее сложным образованием по сравнению с целевым признаком, ЭФ должен контролироваться меньшим числом генов, что может способствовать установлению генов, отвечающих за формирование данного признака в норме и при психической патологии.

Таким образом, данное понятие стало предметом интенсивных исследований в психиатрической генетике. За последнее десятилетие оно приобрело значительную популярность. По данным Science- Direct к середине 2013 г. было опубликовано свыше 4000 источников, в названии которых фигурировал термин ЭФ.

Цель обзора проанализировать исследования ЭФ за указанный период времени с акцентом на следующих задачах: 1) охарактеризовать варианты ЭФ, используемые в психиатрической генетике; 2) рассмотреть возможные связи ЭФ с генами-кандидатами; 3) оценить результативность использования данного понятия для решения спорных вопросов психиатрической генетики.

Основная часть

Общие представления об эндофенотипах

Понятие ЭФ, ранее эпизодически встречавшееся в литературе, получило широкое распространение после публикации в 2003г. статьи И. Готтесмана и Т Гулда [Gottesman, 2003]. Именно эта статья положила начало потоку эмпирических исследований ЭФ разного типа [Марютина, 2012]; [Bender, 2007]; [Braff]; [Dick, 2006] и др. К настоящему моменту ЭФ определяется как генетически обусловленный, измеряемый показатель, обладающий межиндивидуальной вариативностью, которая согласуется с вариативностью целевого признака более высокого порядка — психического расстройства или нормативной функции (например, интеллекта) [Балашов, 2006]; [Frantom, 2008]; [Hall, 2010]. Детальный анализ критериев ЭФ дан в предыдущем обзоре автора [Марютина, 2012].

Большинство эмпирических исследований ЭФ, как правило, включают оценку соответствия анализируемого ЭФ принятым критериям и анализ его взаимосвязей с репрезентируемым признаком-заболеванием [Bender, 2007]; [Braff]; [Flint, 2007]; [Frantom, 2008]; [Gilmore, 2010]; [Ruocco, 2012]. Разнообразие описанных к настоящему времени ЭФ достаточно велико: от относительно элементарных свойств отдельных систем организма до высших психических функций. По источнику происхождения и способу получения показателей ЭФ можно сгруппировать в несколько типов: метаболические, анатомические (морфологические), связанные с развитием, электрофизиологические, сенсорные (сенсомотор­ные), психологические (когнитивные и нейрокогнитивные) [Марютина, 2012]; [Allen, 2009]; [Burdick, 2009]; [Frantom, 2008]; [Kendler, 2010]; [Walters, 2007].

Особенность, объединяющая все варианты ЭФ, состоит в том, что ЭФ всегда представляет собой средний компонент триады: гены — ЭФ — целевой признак. В сущности, термин ЭФ — это «ярлык», который может быть присвоен показателю при условии его соответствия установленным критериям [Марютина, 2012]; [Gottesman, 2003]; [Walters, 2007]. Тем не менее, в рамках этой априорной модели сложилась определенная практика исследований, и возник целый ряд проблем интерпретации получаемых результатов. В исходном варианте модель имеет линейный характер: все влияния от генов направлены в сторону ЭФ, и от него к целевому признаку (конечному фенотипу), т. е. к психическому расстройству. Транслируемые через ЭФ генетические влияния в той или иной мере предопределяют индивидуальные особенности конечного фенотипа.

Другие варианты моделей во всех случаях идут по пути увеличения количества компонентов и усложнения связей между компонентами. Например, в одной из них предлагается учитывать ошибку измерения при получении ЭФ и соответственно вводятся два вида ЭФ: измеряемого и скрытого (латентного) ЭФ [Flint, 2007]. Аналогично допускается ошибочность или неточность постановки диагноза, и вводятся два понятия для диагноза — сформулированного врачом и реально существующего (латентного). Таким образом, вместо одного ЭФ и одного диагноза получаются два варианта ЭФ и два варианта диагноза. Между этими пятью компонентами формируются новые варианты связей, усложняющие картину трансляции генетических влияний. При этом не исключается и прямой путь (минуя ЭФ) от генов к целевому признаку [Chen, 2009]; [Flint, 2007]. В таком случае ЭФ выполняет функцию частичной передачи генетических влияний [Flint, 2007]; [Walters, 2007]... Еще один вариант модели предполагает, что в детерминацию ЭФ включается более чем одна группа генов, или, напротив, влияния одной группы генов на каком из этапов реализации расщепляются на два русла: одно русло направляется к ЭФ, другое к целевому признаку. Возможны и более сложные конфигурации в расщеплении генетических влияний. На рис. 1 схематически представлены два варианта ЭФ и направлений карти­рования от фенотипов к ЭФ и далее к генам. Первый представляет собой идеальную модель, второй отражает один из множества допустимых в реальности случаев, сочетающих умножение промежуточных этапов и усложнение связей между ними.

По мере расширения круга изучаемых ЭФ возникают и другие проблемы, некоторые из которых будут рассмотрены ниже. Тем не менее, есть, как минимум, одно очевидное преимущество в использовании ЭФ в психиатрической генетике. Поскольку ЭФ — это количественно измеряемые показатели, имеющие содержательную интерпретацию, их можно использовать как инструмент объективной диагностики особенно на ранних стадиях заболевания, а также при обследовании здоровых родственников пациентов [Bender, 2007]; [Egan, 2001].

Как известно, применение общепринятых стандартов диагностики и лечения, статистическая обработка данных относятся к основным понятиям доказательной медицины (evidence-based medi­cine). В связи с последним можно полагать, что использование количественных показателей в качестве ЭФ в диагностике психических расстройств может внести определенный вклад в формирование такого спорного направления как доказательная психиатрия [Robbins, 2012].

Эндофенотипы и гены психических расстройств

Исследования ЭФ шизофрении по числу публикаций занимают первое место (за последние 10 лет их свыше 350) [Allen, 2009]; [Bassett, 2001]; [Bestelmeyer, 2009]; [Braff]; [Corvin, 2011]; [Gogtay, 2010]; [Greenwood, 2012]; [Ivleva, 2010]; [Toulopoulou, 2007] и др. В качестве реальных и потенциальных ЭФ фигурирует широкий круг показателей, начиная от особенностей морфологии мозга и кончая когнитивными процессами и характеристиками, включая интеллект.

Так, например, установлено, что при шизофрении уменьшаются: общий объем мозга и серого вещества, височной доли, гиппокампа, миндалины, пре­фронтальной коры и таламуса, а объем желудочков мозга, напротив, увеличивается [Allen, 2009]; [Ivleva, 2010]; [Keshavan, 2007]. Анализ и количественная оценка достоверности изменений позволяет построить морфометри­ческие ЭФ. В качестве ЭФ при шизофрении используются также некоторые показатели ориентировочной реакции. Имеется в виду динамика предстимульного торможения стартл-реакции (реакции вздрагивания на сильный звуковой стимул при условии предъявления относительно слабого предупредительного звукового сигнала); у пациентов эти поведенческие показатели имеют свою специфику. Электрофизиологические ЭФ получают на основе регистрации электроэнцефалограммы, вызванных и событийно-связанных потенциалов. Широко признанными ЭФ шизофрении служат характеристики компонентов вызванных потенциалов P50 и P300. Более подробно результаты применения последних в изучении шизофрении представлены в работах [Алфимова, 2011]; [Allen, 2009]; [Bestelmeyer, 2009]; [Braff]. Наряду с этим в качестве ЭФ фигурируют также количественно оцениваемые варианты нарушения глазодвигательной активности (ГДА) при прослеживающих движениях глаз и скачкообразных — саккадах. Эти методики и показатели отличают ГДА больных шизофренией от нормы и отражают нарушения регуляции сенсомоторных процессов [Allen, 2009]; [Braff].

При шизофрении как потенциальные варианты ЭФ рассматриваются также когнитивные дисфункции [Bender, 2007]; [Ivleva, 2010]. Известно, что у больных шизофренией и их родственников страдают исполнительные функции, рабочая память, внимание, вербальная эпизодическая память, произвольная регуляция деятельности, интеллект [Burdick, 2009]; [Kerri, 2004].

Таким образом, даже краткий перечень ЭФ, привлекаемых для изучения шизофрении, демонстрирует масштабы включения данного понятия в психиатрическую генетику.

Закономерно, что попытки выделения ЭФ стали распространяться и на другие заболевания. Описаны варианты ЭФ для биполярного расстройства [Barnett, 2009]; [Frantom, 2008]; [Ivleva, 2010], болезни Альцгеймера [During, 2011], алкоголизма [Dick, 2006], СДВГ и расстройств ау­тистического спектра [Kebir, 2011]; [Rommelse, 2011], нарушений пищевого поведения [Steiger, 2007] и девиант­ного поведения [Gilmore, 2010]. Как и в случае с шизофренией эти ЭФ представлены показателями, принадлежащими разным уровням в структуре индивидуальности (метаболическому, морфологическому, нейрофизиологическому, психологическому, поведенческому). В связи с этим при исследовании ЭФ, адресованных разным психическим расстройствам, возникает необходимость установления специфичности используемых показателей применительно к конкретному заболеванию.

Так морфологические варианты ЭФ выделяются не только при шизофрении, но и при биполярном расстройстве [Frantom, 2008]; [Ivleva, 2010]; [Keshavan, 2007]. Таким образом, возникает необходимость разграничения морфомет­рических показателей, получаемых на материале одних и тех же структур мозга, но для разных психических расстройств [Flint, 2007]; [Kebir, 2011]. Иными словами, задача состоит в том, чтобы выявить те морфометри­ческие позиции, по которым достоверно различаются ЭФ, характеризующие разные заболевания. То же самое касается и электрофизиологических ЭФ. В первую очередь, имеется в виду часто фигурирующий в этих работах компонент Р300 (электроположительное колебание с латентным периодом 300мсек). Он возникает в ответ на стимул, который отличается от текущего контекста, и отражает когнитивную операцию считывания контекста в рабочей памяти. Уменьшение амплитуды Р300 рассматривается как ЭФ при ряде расстройств: шизофрении, алкоголизме, употреблении психотропных веществ, а также разных формах девиантного поведения [Bestelmeyer, 2009]; [Frantom, 2008]. Из этого следует, что амплитуда Р300 представляет ЭФ широкого спектра действия. Между тем, специфичность ЭФ является важным условием использования их как инструментов диагностики.

Вопрос о специфичности и других проблемных аспектах исследования ЭФ обсуждается в работе [Chen, 2009]. Рассматривая недостатки ЭФ подхода, авторы отмечают следующие:

1)   ориентацию на классическую нейропсихологию, которая дает лишь общие представления о мозговых механизмах нарушения психических функций;

2)   низкую надежность измерительных процедур;

3)   интерпретацию результатов на основе общих принципов переработки информации с использованием нейтральных, не имеющих специального содержания стимулов.

В результате, как утверждается в работе, многие используемые в настоящее время когнитивные ЭФ перекрываются и объединяются с общими когнитивными нарушениями, которые совпадают или оказываются сходными при разных расстройствах. С целью повышения избирательности применения ЭФ при изучении психических заболеваний авторы предлагают:

1)   привлекать к использованию так называемые «контент-зависимые» (con­tent-dependent) ЭФ, которые демонстрируют специфические для конкретного стимула, стабильные паттерны и показатели;

2)   особое внимание обращать на изучение и уточнение прямых признаков заболевания — «психопатологических эндофенотипов»;

3)   использовать в качестве ЭФ показатели, отражающие деятельность тонких нейрофизиологических механизмов переработки информации, которые занимают промежуточное место между уровнями познания и нейробиологией.

Таким образом, намечаются пути и способы более эффективного использования концепции ЭФ в психиатрической генетике.

Проблема специфичности действия существует не только для ЭФ, но и для генов. Так, например, есть особая категория генов широкого спектра действия — «универсальные» гены (generalist gene). Эти гены оказывают влияния на широкий круг разнообразных способностей, как в норме, так и при дефектах когнитивного функционирования (нарушения обучения, чтения или математических способностей) [Butcher, 2006]. Предполагается, что универсальные гены контролируют фундаментальные процессы морфологии мозга (объем мозга и его отдельных структур), а также общие параметры информационных процессов (скорость и точность обработки информации). Соответственно эти гены экс­прессируются в мозге достаточно широко, распространяя свое влияние — во многие его отделы.

Однако в большинстве случаев предпринимаются попытки установить специфические варианты ассоциаций конкретных генов-кандидатов и ЭФ психических заболеваний [Алфимова, 2011]; [Bender, 2007]; [Dick, 2006]; [Greenwood, 2012]; [Robbins, 2012]. Одним из наиболее ярких примеров здесь служит исследование Т. Гринвуд с соавторами [Greenwood, 2012], в котором изучалась связь 94 генов-кандидатов и шести первичных нейрофизиологических и когнитивных ЭФ шизофрении, уже утвердившихся в этом качестве. Это были показатели: 1) предстимульного торможения стартл-реакции; 2) подавление амплитуды компонента вызванных потенциалов Р50; 3) показатели теста антисаккад; 4) показатели объема буквенно-числовой памяти; 5) показатели калифорнийского теста вербального научения и 6) висконсинского текста сортировки карт. Кроме того, еще 8 вторичных кандидатов в ЭФ, полученных на основе этих тестов, привлекались к анализу. Весьма значительной была выборка пациентов: 219 больных в Европе и 76 в Африке. При сравнении с нормой пациенты продемонстрировали достоверные изменения 10 из 14 анализируемых ЭФ. Из 94 генов только 38 обнаружили достоверную ассоциацию как минимум с одним из показателей анализируемых ЭФ. Было установлено, что многие из этих 38 генов взаимодействуют между собой на молекулярном уровне, а 11 обнаружили связь с тремя и более показателями ЭФ. Среди последних были выделены два гена ERBB4 и NRG1, подтвердив ранее уже отмечавшуюся их роль в развитии шизофрении. Хотя значение этих генов в полном объеме пока не установлено, известно, что они имеют отношение к регуляции процессов роста нейронов и межнейронных контактов [Greenwood, 2012]. В этом исследовании было показано, что путем анализа взаимосвязей установленного ЭФ болезни и генов можно выделить гены, ответственные за подверженность заболеванию. Нельзя, однако, полагать, что такой вариант исследования полностью исчерпывает решение проблемы. Возможны другие варианты ЭФ, не исследованные в данной работе, которые могли бы обнаружить связь с генами, оставшимися за пределами анализа и еще неизученными.

Другой подход к изучению связи генов, ЭФ и заболевания — в данном случае СДВГ — представлен в обзоре [Kebir, 2011]. Авторы провели мета-анализ 47 исследований. По совокупности данных наиболее исследуемыми оказались следующие гены-кандидаты: DRD4, DAT1, COMT, MAOA, DBH. Самые надежные результаты оказались связаны с геном DRD4 (его аллелем 7-R), который образует ассоциацию с таким признанным ЭФ данного заболевания как вариативность времени реакции. Другие варианты ЭФ, приписываемые СДВГ, такие как: скорость обработки информации, сдвиг установки, когнитивная импульсивность также обнаружили тенденцию к неблагоприятным изменениям у носителей аллеля 7­R.Таким образом, несколько в ином виде, но мы опять получаем подтверждение целесообразности изучения триады «гены — ЭФ — заболевание». Однако изучение генов-кандидатов не единственная линия анализа связей между тремя составляющими.

В последнее время проявилась общая тенденция перехода от изучения отдельных генов-кандидатов к анализу генных сетей (карты всех активных генов в ЦНС в данный момент времени) или генных продуктов, анализу метаболических путей и ряду других инноваций. Видное место в этом ряду занимает разработка и применение методов полногеномного анализа генетических ассоциаций сложных признаков (Genome-wide association studies — GWAS). При этом подходе для поиска локусов, контролирующих признак, используется большое количество маркеров, охватывающих весь геном. Этот метод открывает значительно больше возможностей по сравнению с изучением генов-кандидатов, поскольку позволяет обнаруживать ранее неизвестные гены, имеющие отношение к изучаемому заболеванию. Недавно созданный Психиатрический консорциум полноге­номного анализа (Psychiatric GWAS Consortium; PGC: https://pgc.unc.edu/ pgc/index.php) ставит своей целью объединение многих исследований с целью идентификации надежных ассоциаций генотипов и фенотипов психических заболеваний [Corvin, 2011]; [Hall, 2010].

Полногеномный анализ позволяет надежно идентифицировать гены, ответственные за предрасположенность к заболеванию, но во многих случаях остается неясным, какого рода патологические изменения они вызывают в работе конкретных структур мозга и психических функций. В этом контексте новое значение приобретает понятие ЭФ. Например, при полногеномном анализе были выделены два гена (ANK3; CACNA1C), которые с высоким уровнем достоверности ассоциированы с подверженностью биполярным расстройствам, но их функциональное значение на основе ассоциации установить нельзя. Эту роль должны выполнить ЭФ (как промежуточные звенья между генами и заболеванием), значение которых уже установлено или может быть установлено на основе исследований функций мозга или параметров психического функционирования. Для обозначения этой роли ЭФ был предложен термин «эндофенотипное картирование» [Hall, 2010]. Задача ЭФ картирования — выделение специфических регионов и функций мозга и психики, которые будут связаны с выделенными генами, с одной стороны, и психическим заболеванием, с другой. Восстановление всех латентных связей и механизмов позволит выстроить полноценную картину распространения влияния вновь выявленных генов на развитие заболевания. Таким образом, при смене парадигмы — переходе от изучения отдельных генов-кандидатов к пол­ногеномному анализу ассоциаций — использование ЭФ приобретает дополнительное значение.

Заключение

Психиатрическая генетика — новое научное направление, цель которого — изучение генетических основ предрасположенности к расстройствам психики. Изучение эндофенотипов (ЭФ) разных психических заболеваний — один из аспектов этого направления. ЭФ в большинстве случаев хорошо известные наследуемые функции и показатели, предположительно выполняющие функцию ретрансляции генетических влияний с биохимического уровня на уровень целевого психологического признака в норме и при психических заболеваниях. К настоящему моменту описаны десятки ЭФ шизофрении, биполярного расстройства и других нарушений психики. Они охватывают широкий спектр характеристик: от биохимических, морфологических и электрофизиологических показателей до высших психических функций. Для некоторых из них установлены гены-кандидаты, позволяющие судить о путях распространения генетических влияний на уровень ЭФ и выше к целевому признаку — расстройству психики.

Тем не менее, активное использование данного понятия оставляет много дискуссионных вопросов. Так, усложнение моделей ЭФ ставит под сомнение исходное допущение о необходимости их изучения по причине более простой генетической основы. Предметом обсуждения также является проблема специфичности ЭФ, т. е. уточнения специфики их показателей применительно к разным заболеваниям.

Несмотря на некоторые сложности, есть очевидное достоинство эндофенотипного подхода: поскольку ЭФ представляют количественно измеряемые показатели, функциональное значение которых имеет содержательную интерпретацию, особенности ЭФ пациентов (в совокупности с установленными генами) могут быть использованы в психиатрии с целью уточнения и верификации диагнозов, имеющих, как правило, описательную характеристику.

Появление новой стратегии исследования — полногеномного анализа генетических ассоциаций повышает интерес к изучению ЭФ. Развитие «эндофенотипного картирования» предполагает выделение специфических регионов и функций мозга и психики, которые будут связаны с выделенными генами, с одной стороны, и психическим расстройством, с другой. Таким образом, при переходе от изучения отдельных генов-кандидатов к полногеномному анализу ассоциаций изучение и использование ЭФ приобретает дополнительное значение.