Аномальный веретенообразный белок, ассоциированный с микроцефалией , также известный как аномальный гомолог веретенообразного белка или гомолог Asp , — это белок , который у людей кодируется геном ASPM . [5] ASPM расположен на хромосоме 1 , полоса q31 (1q31). [6] Ген ASPM содержит 28 экзонов и кодирует белок длиной 3477 аминокислот. [6] Белок ASPM сохраняется у разных видов, включая человека, мышь, Drosophila и C. elegans . [6] Дефектные формы гена ASPM связаны с аутосомно- рецессивной первичной микроцефалией . [5] [7]
«ASPM» — это аббревиатура от « A bnormal Spindle -like, M icrocephaly-associated», что отражает его ортологичность гену « abnormal spindle» ( asp ) Drosophila melanogaster . Экспрессируемый белковый продукт гена asp необходим для нормальной функции митотического веретена в эмбриональных нейробластах и регуляции нейрогенеза. [6] [8]
Новый аллель ASPM возник где-то в последние 14 000 лет (средняя оценка 5 800 лет), в течение голоцена , он, кажется, пронесся через большую часть европейского и ближневосточного населения. Хотя новый аллель, очевидно, полезен, исследователи не знают, что он делает. [ необходима цитата ]
Ген мыши, Aspm , экспрессируется в первичных участках пренатального церебрального коркового нейрогенеза . Разница между Aspm и ASPM заключается в одной большой вставке, кодирующей так называемые домены IQ . [9] Исследования на мышах также предполагают роль экспрессируемого продукта гена Aspm в регуляции митотического веретена. [10] Функция сохраняется, было показано, что белок ASPM-1 C. elegans локализуется в звездах веретена, где он регулирует организацию и вращение веретена, взаимодействуя с кальмодулином, динеином и связанным с NuMA LIN-5. [11]
Одно исследование на мышах, изучающее рост медуллобластомы у мышей для изучения гена Aspm , ортолога человеческого ASPM, предполагает, что экспрессия Aspm может управлять постнатальным мозжечковым нейрогенезом . [12] Этот процесс происходит на поздних стадиях эмбриогенеза и сразу после рождения в течение примерно 2 недель у мышей и 12 месяцев у людей и регулируется экспрессией гена Shh . [13] В пролиферирующих предшественниках мозжечковых гранулярных нейронов ( CGNP ) экспрессия Shh в мышиных моделях показала в четыре раза больше экспрессии Aspm, чем у тех, у кого экспрессия Shh была лишена in vivo . Эта индукция Aspm и повышение регуляции во время мозжечкового нейрогенеза также были замечены в ПЦР в реальном времени , где его экспрессия была относительно высокой на пике нейрогенеза и намного ниже в конце нейрогенеза. Кроме того, исследование показывает, что Aspm необходим для мозжечкового нейрогенеза. При наличии мутаций и делеций Aspm KO экспериментальные мышиные модели показывают уменьшенный объем мозжечка при МРТ по сравнению с контрольной группой. [14] В дополнение к эффектам мутировавшего Aspm на нейрогенез, эти мутации также могут играть роль в нейронной дифференцировке . При рассмотрении мозга взрослых мышей Aspm KO наблюдалась тенденция к общему уменьшению размера и различия в толщине коры между мутантными и дикими моделями. В соматосенсорной коре у мышей KO был значительно более толстый слой I коры, более тонкий слой VI коры и общее уменьшение толщины коры в корковой пластинке . Определенные экспрессии факторов транскрипции также были аномальными у мышей KO. Например, Tbr1 и Satb2 имели повышенное присутствие в корковой подпластинке, первый из которых важен для дифференциации и миграции нейронов, а второй является регулятором транскрипции и хромосомного ремоделирования. [15]
В то время как исследования на мышах установили роль мутаций Aspm в микроцефалии, некоторые связывают эту мутацию с другими значительными дефектами. [16] Одно исследование показало нарушения нервных волокон , при которых форма и вид коры и ткани белого вещества были изменены. Это было показано постнатально при сравнении мышей KO и контрольных животных, где как количество клеток, так и толщина коры были уменьшены у мышей KO. Используя методологию окрашивания клеток для гистологического анализа, исследование также показало более короткие расстояния между соседними нейронами у мышей KO, что указывает на аномалии в выравнивании клеток при отсутствии нормального Aspm . [17]
Другое значительное влияние мутировавшего Aspm наблюдается в аномалиях зародышевой линии в мышиных моделях. Было показано, что мутации в Aspm снижают фертильность как у самок, так и у самцов мышей, на что указывает снижение частоты наступления беременности и, следовательно, количества потомства, а также уменьшение размера яичников у самок, а также количества сперматозоидов у самцов и размера яичек. Сосредоточение внимания на серьезных мутациях зародышевой линии (в отличие от только легкой микроцефалии) в этих мышиных моделях поднимает вопрос о том, может ли отбор ASPM у человека быть более существенно связан с воспроизводством, чем с размером мозга. [18] [19] В дополнение к мышиным моделям исследование с использованием хорьков раскрывает больше информации об ASPM и его роли в определении размера и толщины коры. Исследователи из этого исследования выбрали хорьков вместо мышей из-за несоответствия между эффектами Aspm у мышей и эффектами ASPM у людей — люди с микроцефалией из-за этой мутации гена, как правило, имеют значительно уменьшенные размеры мозга (примерно 50%), тогда как аналогичная мутация у мышей приводит только к небольшому уменьшению размера мозга. [19] Хорьки также демонстрируют больше сходства с людьми с точки зрения структуры мозга; мозг хорьков имеет большие количества извилин , похожие на человеческие, в отличие от относительно гладкого мозга мышей. В результате у мышей меньшая площадь поверхности коры по сравнению с хорьками и людьми. [20] В этом исследовании 2018 года исследователи нацелились на экзон 15 Aspm , где мутация у людей связана с тяжелыми случаями микроцефалии. [21] При потере функции в Aspm у хорьков с мутациями Aspm наблюдалось 40%-ное уменьшение общего размера мозга в сочетании с отсутствием уменьшения размера тела, что аналогично эффектам потери ASPM у людей. В исследовании также рассматривались пути и механизмы нейроразвития, приводящие к нейрогенезу у хорьков KO по сравнению с контрольной группой WT, в частности, изучались три различных типа клеток-предшественников нейронов ( NPC ), все из которых экспрессируют митотический маркер Ki-67 и подвергаются радиальной глиальной миграции в кортикальную пластинку. [22] [23] [24] Они обнаружили, что NPC наружной субвентрикулярной зоны ( OSVZ ) были в значительной степени смещены, особенно фронтально и дорсально, что отражает эффекты, наблюдаемые при уменьшении объема коры из-за нокаута ASPM.
Первичная микроцефалия человека (MCPH) — это отдельный подтип, который генетически наследуется как аутосомно-рецессивный признак. [25] MCPH характеризуется меньшей корой головного мозга, связанной с легкой или умеренной умственной отсталостью и отсутствием других неврологических дефицитов. [6] [26] Кроме того, MCPH связана с отсутствием экологических причин, таких как внутриутробные инфекции, воздействие пренатальной радиации или лекарств, материнская фенилкетонурия и асфиксия при рождении. [26] MCPH имеет частоту заболеваемости от 1/30 000 до 1/250 000 в западных популяциях. [27] На сегодняшний день у людей обнаружены мутации в шести локусах и четырех генах, связанных с микроцефалией. [28] ASPM , один из этих генов, находится в локусе MCPH5. [29] Наиболее распространенной причиной MCPH у людей является гомозиготная генетическая мутация гена ASPM , ортологичного гену аномального веретена Drosophila ( asp ). [6] У людей ген ASPM может играть важную роль в росте коры головного мозга . [28] Всего было обнаружено 22 мутации в гене ASPM у людей из Пакистана, Турции, Йемена, Саудовской Аравии, Иордании и Нидерландов. [6] [21]
Исследование, завершенное в Карнатаке, Южная Индия, Кумаром и др. проанализировало генетику MCPH из-за мутаций в гене ASPM . [26] Исследование включало девять семей с кровными родственниками во многих семейных поколениях. [26] Кумар и др. провели анализ хромосом с высоким разрешением G-бэндинга и гаплотипический анализ отдельных лиц и семей, затронутых MCPH. [26] Кумар и др. обнаружили, что южноиндийские семьи, затронутые мутациями в локусе MCPH5, не имели общего гаплотипа заболевания; поэтому авторы предположили, что различные мутации в гене ASPM ответственны за MCPH. [26]
Аналогичное генетическое исследование MCPH в пакистанских семьях было проведено Гулем и соавторами с целью оценки связи между мутациями гена ASPM и микроцефалией. [28] Исследование было одобрено Институциональным наблюдательным советом Университета Каид-и-Азам в Исламабаде, Пакистан, и включало в себя методы извлечения ДНК и ПЦР для генетического картирования гена ASPM . [28] Генотипирование с использованием микросателлитных регионов в гене показало, что мутации локуса MCPH5 являются наиболее распространенной причиной MCPH. [28] Генотипирование далее связало мутации в локусе MCPH2, локусе MCPH4 и локусе MCPH6 с микроцефалией. [28] Анализ последовательности ASPM у людей выявил четыре новые мутации; Эти четыре типа мутаций представляют собой вставку четырех нуклеотидов (9118insCATT), бессмысленную мутацию (L3080X), делецию семи нуклеотидов (1260delTCAAGTC) и миссенс-мутацию (Q3180P). [28] Гуль и др. обнаружили, что родители, которые были гетерозиготными носителями ASPM, имели нормальные окружности мозга и нормальный уровень интеллекта. [28] Ученые не смогли идентифицировать мутации в локусе MCPH5 в девяти семьях, члены которых были затронуты MCPH. [28] Они пришли к выводу, что мутации могут быть расположены в регуляторных последовательностях ASPM , или что ген, отличный от ASPM, расположенный в том же регионе, мог быть мутирован. [28]
Типы мутаций, вызывающих MCPH у людей, были расширены исследованием, проведенным Пишоном и соавторами на человеке с первичной микроцефалией, поскольку исследование выявило точку разрыва транслокации в гене ASPM . [30] Пишоном и соавторами были получены клоны BAC с фрагментами переваривания Bam HI вставки «RP11-32D17» и использованы флуоресцентной гибридизацией in situ (FISH) для маркировки клонов флуоресцеином-12-dUTP. [30] Для точного определения точки разрыва транслокации были проанализированы фрагменты переваривания Bam HI «RP11-32D17». [30] Точка разрыва транслокации была обнаружена в интроне 17 гена ASPM . [30] Транслокация привела к укороченному белку ASPM, который, скорее всего, является нефункционирующим белком, также наблюдаемым в мутациях точек усечения, зарегистрированных у пациентов с MCPH. [30]
Новый аллель (версия) ASPM появился где-то в течение последних 14 100 лет, со средней оценкой 5 800 лет назад. Новый аллель имеет частоту около 50% в популяциях Ближнего Востока и Европы, он менее частый в Восточной Азии и имеет низкие частоты среди популяций Африки к югу от Сахары. [31] Он также обнаружен с необычно высоким процентом среди людей Папуа-Новой Гвинеи , с 59,4% встречаемостью. [32]
Средний предполагаемый возраст аллеля ASPM 5800 лет назад примерно коррелирует с развитием письменности, распространением сельского хозяйства и развитием городов. [33] [ нужен лучший источник ] В настоящее время существуют два аллеля этого гена: более старый (до 5800 лет назад) и более новый (после 5800 лет назад). Около 10% людей имеют две копии нового аллеля ASPM, в то время как около 50% имеют две копии старого аллеля. Остальные 40% людей имеют по одной копии каждого. Из тех, у кого есть экземпляр нового аллеля, 50% из них являются идентичной копией. [34] [35] Аллель влияет на генотип в большой (62 кбн) области, так называемый селективный захват , который сигнализирует о быстром распространении мутации (такой как новый ASPM) по популяции; это указывает на то, что мутация каким-то образом выгодна для индивидуума. [32] [36]
Тестирование IQ людей с новым аллелем ASPM и без него не показало никакой разницы в среднем IQ, что не предоставило никаких доказательств в поддержку идеи о том, что ген повышает интеллект. [36] [37] [38] Другие гены, связанные с развитием мозга, по-видимому, подверглись селективному давлению в разных популяциях. Ген DAB1 , участвующий в организации клеточных слоев в коре головного мозга, демонстрирует свидетельства селективного захвата у китайцев . Ген SV2B , кодирующий белок синаптических пузырьков, также демонстрирует свидетельства селективного захвата у афроамериканцев . [39] [40]