Новое исследование российских учёных показало: у животных с симптомами СДВГ митохондриальные гены в префронтальной коре мозга начинают работать «в унисон» — и это может открыть новые пути лечения расстройства.
Что такое СДВГ и почему его так сложно изучать?
Синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) — одно из самых распространённых нейроразвитийных расстройств: по различным оценкам, им страдают от 5 до 7% детей и около 2–3% взрослых по всему миру. Тревожность, импульсивность, неспособность сосредоточиться — всё это не «плохое воспитание», а реальная особенность работы мозга, которая мешает учиться, работать и строить отношения. При СДВГ также повышен риск развития расстройств настроения, злоупотребления психоактивными веществами и нарушений сна.
Несмотря на десятилетия исследований, точные молекулярные механизмы СДВГ остаются предметом дискуссий. Одна из причин — крайне ограниченный доступ к живой ткани мозга пациентов. Учёные вынуждены либо работать с посмертными образцами мозга, либо использовать клетки крови и другие «периферийные» ткани, которые не отражают в полной мере то, что происходит непосредственно в нейронах. Именно поэтому животные модели СДВГ остаются незаменимым инструментом для изучения биологических основ расстройства.
Мозговой «командный центр» и его энергетика
Ключевая структура, чья работа нарушена при СДВГ, — префронтальная кора (ПФК). Представьте себе пульт управления самолётом: именно здесь находятся рычаги контроля над вниманием, планированием, подавлением импульсов и рабочей памятью. Исследования показывают, что у людей с СДВГ ПФК в буквальном смысле «недоактивирована» — и её объём с возрастом уменьшается медленнее, чем в норме.
Любая активная работа нейронов требует огромного количества энергии. Эту энергию вырабатывают митохондрии — крошечные органеллы внутри каждой клетки, которые часто называют «электростанциями». Они сжигают питательные вещества и производят молекулу АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальную «валюту» энергии в клетке. Без достаточного количества АТФ нейрон не может ни передавать сигналы, ни «перезаряжаться» после возбуждения.
Митохондриальная ДНК: отдельный геном с особой судьбой
Митохондрии уникальны тем, что имеют собственную ДНК (мтДНК) — наследие их далёких бактериальных предков. Это небольшая кольцевая молекула, которая кодирует 13 белков, необходимых для работы дыхательной цепи — молекулярного «конвейера», по которому движутся электроны при выработке энергии.
Особого внимания заслуживает Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) — первый и самый крупный фермент этого конвейера. Именно он принимает «высокоэнергетические» электроны от молекулы НАДН и запускает цепь реакций, в конечном счёте приводящих к синтезу АТФ. Семь из тринадцати белков, кодируемых мтДНК, являются субъединицами Комплекса I — это гены ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 и ND6 (от NADH Dehydrogenase subunit).
МтдНК гораздо уязвимее, чем ядерная ДНК: она постоянно находится рядом с источником свободных радикалов (активных форм кислорода, АФК), которые неизбежно образуются при работе дыхательной цепи. При этом в каждой клетке содержится до 1000 копий митохондриального генома — и любые нарушения в его экспрессии могут иметь серьёзные последствия для энергетики нейрона.
Митохондрии и СДВГ: накапливающиеся улики
За последние годы накопилось немало свидетельств того, что митохондриальная дисфункция играет роль в развитии СДВГ. У пациентов с СДВГ обнаружено повышенное количество копий мтДНК и спорадические мутации в митохондриальном геноме. Определённые «варианты» мтДНК (так называемые гаплогруппы) ассоциированы с риском СДВГ у детей, тогда как другие, напротив, защищают от его развития. Особенно интересно, что при эффективном лечении СДВГ число копий мтДНК может снижаться — как будто «запрос» клетки на дополнительную митохондриальную активность уменьшается.
Всё это указывает на то, что митохондрии — не просто «пострадавшие» при СДВГ, но активные участники патофизиологии расстройства. Однако детальная картина того, как именно меняется экспрессия митохондриальных генов в мозге при СДВГ, до сих пор оставалась неизученной.
Исследование: что и как изучали
Группа учёных из Института трансляционной биомедицины СПбГУ под руководством Анастасии Вагановой решила восполнить этот пробел. Они изучили экспрессию генов ND1–ND6 в префронтальной коре трёх различных грызунных моделей СДВГ:
- Мыши с нокаутом гена Adgrl3 — демонстрируют повышенную двигательную активность, импульсивность и нарушения памяти;
- Мыши с гетерозиготным нокаутом гена MYT1L — более тяжёлая модель с гиперактивностью, нарушениями социального поведения и нейроразвитийными аномалиями;
- Крысы с нокаутом гена транспортёра дофамина (DAT-KO) — классическая модель СДВГ с выраженной гиперактивностью, нарушениями рабочей памяти и внимания. В исследование также были включены гетерозиготные крысы (DAT-Het) с одной рабочей копией гена — они не гиперактивны, но показывают более мягкие поведенческие отклонения.
Для мышиных моделей учёные анализировали уже готовые транскриптомные данные из открытой базы GEO (Gene Expression Omnibus), а для крыс провели собственные эксперименты с использованием метода ПЦР в реальном времени (qPCR) — высокочувствительного способа измерить количество конкретных молекул РНК в ткани. Дополнительно измеряли уровень АТФ в образцах ПФК.
Результаты: не столько «сколько», сколько «вместе»
Первый и, казалось бы, неожиданный результат: уровни экспрессии генов ND1–ND6 в целом не изменились значимо ни в одной из трёх моделей СДВГ по сравнению с нормой. То есть клетки ПФК производят примерно столько же мРНК митохондриальных генов, что и у здоровых животных.
Однако именно здесь история становится по-настоящему интересной. Учёные обнаружили поразительное изменение в паттернах совместной экспрессии этих генов — то есть в том, насколько синхронно они работают друг с другом.
Представьте оркестр: у здоровых животных каждый «инструмент» (ND-ген) играет свою партию, и их одновременное звучание коррелирует прежде всего с другими «музыкантами» из той же симфонии — генами окислительного фосфорилирования (OXPHOS). Это логично: митохондриальные гены «дружат» с другими генами энергетического обмена.
В моделях СДВГ картина меняется: гены ND начинают «играть в унисон» друг с другом значительно сильнее, чем в норме. Статистически значимых корреляций между различными ND-генами становится больше — причём это наблюдается во всех трёх исследованных моделях, несмотря на их существенные различия по генетическому фону и набору симптомов.
Новые «партнёры»: гены нейроразвития выходят на сцену
Ещё более интригующим оказалось другое открытие. При анализе полного транскриптома (набора всех генов, активных в ткани) выяснилось, что в моделях СДВГ некоторые ND-гены приобретают совершенно новых «партнёров по экспрессии» — гены, не имеющие прямого отношения к энергетике митохондрий.
Так, у мышей с нокаутом Adgrl3 ген ND4L начинает коэкспрессироваться с генами нейрогенеза и глиогенеза — процессов образования нервных и глиальных клеток. У мышей MYT1L-Het ген ND3 приобретает корреляцию с генами синаптической передачи, в частности — с генами трансляции в пресинапсе (то есть синтеза белков прямо в месте передачи нервного сигнала).
Это похоже на ситуацию, когда скрипач из симфонического оркестра вдруг начинает играть вместе с джазовым квартетом: технически это не запрещено, но означает глубокое изменение «организационной структуры» ансамбля. Подобные перестройки паттернов коэкспрессии говорят о том, что митохондриальные гены в больном мозге вовлекаются в новые регуляторные сети, связанные со специфическими нейронными процессами.
Крысы DAT-KO: особый случай ND4L
В экспериментах с крысами обнаружились дополнительные нюансы. В ПФК гетерозиготных крыс DAT-Het — которые, напомним, не страдают классической гиперактивностью — уровень экспрессии гена ND4L оказался примерно вдвое выше, чем у здоровых животных. Это статистически значимое изменение отсутствовало у полных нокаутов DAT-KO.
Учёные предполагают, что повышение ND4L у DAT-Het может отражать компенсаторный механизм: при умеренном дефиците дофамина клетки пытаются «подстроить» митохондриальную активность, тогда как при более тяжёлом нокауте эта адаптация уже не работает или перекрывается другими изменениями.
При этом уровень АТФ в ПФК всех крыс существенно не отличался от нормы, хотя наблюдалась тенденция к его снижению у нокаутов. Это означает, что выявленные молекулярные изменения пока не приводят к значимому энергетическому дефициту — но могут сигнализировать о его приближении или о других функциональных последствиях, например, изменённой продукции свободных радикалов.
Почему это важно: митохондрии как мишень для терапии
Обнаруженные изменения паттернов совместной экспрессии митохондриальных генов воспроизводятся в трёх совершенно разных моделях СДВГ — с разными генами, разными видами животных, разными лабораториями. Это придаёт находкам особый вес: по всей видимости, речь идёт о фундаментальной особенности молекулярной биологии СДВГ, а не об артефакте одного эксперимента.
Митохондрии уже давно рассматриваются как потенциальная мишень для вспомогательной терапии СДВГ. Антиоксиданты — вещества, нейтрализующие свободные радикалы и улучшающие митохондриальную функцию, — показывают обнадёживающие результаты в некоторых исследованиях. Известно, что омега-3 жирные кислоты и полифенолы (содержащиеся, например, в ягодах, орехах и зелёном чае) могут облегчать симптомы СДВГ — и именно митохондриальные механизмы рассматриваются как одно из объяснений этого эффекта.
Данное исследование добавляет новое измерение к этой картине: нарушения в «оркестровке» митохондриальных генов могут быть не просто следствием СДВГ, но и активным участником его патофизиологии. Понимание того, какие именно молекулярные сети перестраиваются и почему, поможет разработать более точные терапевтические стратегии.
Что дальше?
Авторы честно указывают на ограничения своей работы. Исследование проводилось на животных, и перенос выводов на людей требует осторожности. Объёмы выборок относительно невелики. Измерения уровня мРНК не всегда напрямую отражают количество и активность белка. Наконец, функциональные последствия изменённой коэкспрессии — в частности, влияние на выработку свободных радикалов и митохондриальный мембранный потенциал — ещё предстоит изучить.
Тем не менее устойчивое воспроизведение одного и того же молекулярного феномена в разных моделях — это убедительный повод для дальнейших исследований. Следующие шаги: анализ белковых уровней и активности Комплекса I, измерение продукции АФК, а в перспективе — проверка на человеческих нейронах, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) пациентов с СДВГ.
Коротко о главном
- СДВГ связан с нарушениями работы префронтальной коры — зоны мозга, ответственной за контроль внимания и поведения.
- Митохондрии, вырабатывающие энергию для нейронов, вовлечены в патофизиологию СДВГ.
- Новое исследование показало: в моделях СДВГ гены митохондриального Комплекса I (ND1–ND6) не меняют своего суммарного уровня экспрессии, но начинают работать значительно более синхронно друг с другом.
- Некоторые ND-гены приобретают новые «партнёры» — гены нейрогенеза и синаптической передачи, — что указывает на глубокую перестройку молекулярных сетей.
- Эти изменения воспроизводятся в трёх независимых моделях, что подчёркивает их фундаментальный характер.
- Митохондрии остаются перспективной мишенью для разработки дополнительных методов лечения СДВГ.
─────────────────────────────────────────────────────
Подписывайтесь на канал чтобы не пропустить новые статьи