Биоинформационное исследование молекулярно–генетических факторов ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера

1.

Кафедра медицинской и биологической кибернетики
Дипломная работа
БИОИНФОРМАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
МОЛЕКУЛЯРНО–ГЕНЕТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ АССОЦИАЦИИ
ШИЗОФРЕНИИ И БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА
Выполнил: студент 6 курса, группы 4307
Смирнов Дмитрий Васильевич
Научный руководитель: профессор, д.м.н.
Часовских Наталия Юрьевна
Томск, 2019

2.

Актуальность исследования
Мультифакториальные
заболевания
«Внешняя среда»
Генетическая
предрасположенность

3.

Генетическая предрасположенность мультифакториальных
заболеваний
SNP
miRNA
Гистоны
Метилирование
ДНК

4.

Распространенность шизофрении и болезни Альцгеймера
По данным Всемирной организации
здравоохранения (ВОЗ), за последние 10 лет
частота встречаемости пациентов,
страдающих болезнью Альцгеймера,
увеличилась с 0,38 % до 0,44 %, а
шизофренией с 0,4% до 0,7% (4—7 случаев
на 1000 человек, по различным группам
мирового населения).
0,44%
0,4-0,7%

5.

Коморбидность шизофрении и болезни Альцгеймера
«Шизофрения и риск деменции: мета-анализ»
(«Schizophrenia and risk of dementia: a meta-analysis study», L. Cai
и J. Huang, 2018):
6 исследований, 5 063 316 людей, из которых 206 694
случая деменции.
Результат: пациенты с шизофренией имеют
повышенный риск развития деменции, особенно люди
пожилого возраста.

6.

Цель исследования
Выявить молекулярно–генетические механизмы
совместного развития шизофрении и болезни Альцгеймера
на основе биоинформационного анализа.

7.

Задачи исследования:
1
Определить группы генов, ассоциированных с шизофренией и болезнью
Альцгеймера и оценить наличие общих генов.
2
Оценить наличие генов предрасположенности к шизофрении и болезни
Альцгеймера, сцепленных с полом.
3
Провести анализ обогащения исследуемыми генами сигнальных и
метаболических путей.
4
Провести функциональный анализ генов предрасположенности к
шизофрении и болезни Альцгеймера.

8.

Задачи исследования:
5
Оценить влияние эпигенетических факторов на совместные механизмы
развития шизофрении и болезни Альцгеймера.
6
Сформировать и проанализировать сеть белок–белковых
взаимодействий продуктов генов предрасположенности к шизофрении и
болезни Альцгеймера.
7
Охарактеризовать вовлеченность молекулярно–генетических факторов
совместного развития исследуемых заболеваний в реализацию
биологических эффектов внутри- и межклеточных процессов.

9.

Материал и методы

10.

Дизайн исследования
1 этап
Формирование списков генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера
Выявление структурных генов
2 этап
3 этап
Поиск общих генов
Выявление эпигенетических факторов
Анализ функций генов и
обогащения биологических
путей
Выявление генов, сцепленных
с полом
Оценка участия структурных генов в
молекулярно-генетических механизмах
заболеваний
Анализ
взаимодействия
белков
Выявление генов-кандидатов
Оценка влияния эпигенетических факторов
на совместные механизмы развития
заболеваний

11.

Базы данных
GWAS (DNA microarray) +
данные мета-анализов локальных
клинические исследования (ПЦР)

12.

Результаты и обсуждение

13.

Гены предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера
2406 кодирующих генов,
1297 кодирующих генов
ассоциированных с
шизофренией
предрасположенности к
болезни Альцгеймера
617 общих генов
496 псевдогенов и 1736 РНК-
231 псевдоген и 908 РНК-генов,
генов, ассоциированных с
шизофренией
ассоциированных с болезнью
Альцгеймера

14.

Гены, сцепленные с полом
ADGRG2
PCDH11X
GPR101
PDHA1
IL3RA
PLCXD1

15.

Эпигенетические
факторы
Псевдогены
CHCHD2P9
РНК-гены
DLEU1
H19
MSH5-SAPCD1
PVT1
GGTA2P
RNY3
TERC
TSNAX-DISC1
HSP90AA2P
MIR129-2
LINC00461

16.

Результаты функционального анализа
Функция
Регуляция транспорта липидов
Связывание амилоида-бета
Организация субъединиц белково-липидного комплекса
Организация частиц липопротеинов в плазме
Связывание белков фосфорилированных аминокислот
Связывание остатков фосфотирозина
Миграция клеток в развивающейся коре головного мозга
Активация миелоидных дендритных клеток
Пролиферация клеток в переднем мозге
Дифференцировка миелоидных дендритных клеток
Тиолзависимая убиквитинилгидролазная активность
Регуляция клиренса липопротеиновых частиц
Связывание с доменом LRR
Связывание С2H2 с доменом цинкового пальца
Положительная регуляция процесса биосинтеза гликогена
Регуляция пептидил-цистеина S-нитрозилирования
Положительная регуляция поглощения нейротрансмиттера
Активность дезоксирибонуклеазы
30
24
21
18
17
14
14
13
11
10
9
9
8
8
8
5
5
4
0
5
10
15
20
Количество генов
25
30
35

17.

Результаты анализа обогащения биологических путей
Биологический путь
Организация клеточных соединений
Трансдукция обонятельного сигнала
Каскады комплементов коагуляции
Активация ГАМК-рецептора
Кератинизация
Роль фосфолипидов в фагоцитозе
Сигнализация ГАМК-рецептора
Влияние IL1 на мегакариоциты при ожирении
Регуляция HSCs α,β-комплексом ГАМК
GABP
TRAF6-опосредованная активация NF-kB
Регуляция TF в адипогенезе
Формирование комплекса AP-2 и клатрина
Сигнализация NTRK3 (TRKC)
Регулируемый протеолиз p75NTR
Эндоцитоз Ca-непроницаемых AMPA
Путь,активирующий аденилатциклазу
Гидролиз сигнального пептида
Образование комплекса АпоЕ / ЛПНП
4
0
5
5
5
6
6
7
8
9
9
11
11
11
10
10
15
19
15
20
Количество генов
23
25
25
27
30

18.

Сеть общих биологических путей с генами предрасположенности к шизофрении и болезни
Альцгеймера

19.

Сеть взаимодействий APP,
ассоциированного c болезнью
Альцгеймера, с белками
генов предрасположенности
к шизофрении (узлы синего
цвета)

20.

Сеть взаимодействий CDH1 и СSNK2A1 с белками генов предрасположенности к шизофрении
(узлы синего цвета) и болезни Альцгеймера (узлы красного цвета)

21.

Сеть взаимодействий белков
генов предрасположенности к
шизофрении (узлы синего
цвета) и болезни Альцгеймера
(узлы красного цвета) с
белками генов-кандидатов
(узлы зеленого цвета)

22.

HMGB1, SPI1
DAB1, MAGI2, RELN
Активация и дифференцировка
миелоидных дендритных клеток
Пролиферация и миграция клеток в
развивающемся переднем мозге
Регуляция HSCs α,
β-комплексом GABP
Влияние IL1 на
мегакариоциты при ожирении
Иммунный ответ
(фагоцитоз нейрона
дендритными клетками)
Увеличение генов,
ассоциированных с
воспалением и тромбозом
Формирование популяции зрелых
нейронов
Обмен липидов
APOC1, APOE, LIPC,
SNX9, PRKCA
APOC1, APOE,
PMAIP1, PRKN
Организация субьединиц
белково-липидного
комплекса
Регуляция транспорта
липидов
Регуляция клиренса
липопротеиновых частиц
Хиломикронный
клиренс
Роль фосфолипидов в
фагоцитозе
Результаты
биоинформационного
исследования
Регуляция факторов
транскрипции в адипогенезе
Формирование зрелых адипоцитов
Регуляция продукции
протеинкиназы
Обмен липидов
Пресинаптическое
торможение
Путь аденилатциклазы
Быстрое
постсинаптическое
торможение
GABA A
GABA
Длительное
постсинаптическое
возбуждение
AMPA
Обмен белков
Активация рецепторов
Поглощение
нейромедиатора нейроном
PRKN
Формирование
рецепторов
нейронов
Регулируемый протеолиз
p75NTR
Формирование комплекса
AP-2 и клатрина
Трансдукция сигнала
NTRK3 (TRKC)
Обмен белков
RCBTB1
SYNGAP1
Связывание с
амилоидом-бета
Связывание остатков
фосфотирозина
AKT1, INSR
Биосинтез
гликогена
Связывание с
доменом LRR
CDC5L
ADRB2, APOE, CLU,
COL25A1, GRIA1,
IDE, INSR, PLCL1
ATXN3, DESI2,
EIF3F, MINDY
(MINDY2, MINDY3),
USP (USP10, USP24,
USP25, USP44)
Другие внутри- и
межклеточные процессы
Связывание С2H2 с доменом
цинкового пальца
Тиолзависимая
убиквитинилгидролазная активность
Процессы нейротрансмиссии

23.

Процессы обмена липидов
Влияние IL1 на мегакариоциты при ожирении
Иммунный ответ (фагоцитоз нейрона дендритными клетками)
APOC1, APOE, LIPC, SNX9, PRKCA
APOC1, APOE, PMAIP1, PRKN
Регуляция
транспорта липидов
Роль фосфолипидов в
фагоцитозе
Организация субъединиц
белково-липидного комплекса
Хиломикронный
клиренс
Регуляция клиренса
липопротеиновых частиц
Регуляция факторов
транскрипции в адипогенезе
Формирование зрелых адипоцитов
Связывание с амилоидом-бета
ADRB2, APOE, CLU, COL25A1, GRIA1, IDE, INSR, PLCL1

24.

Процессы обмена белков
DAB1, MAGI2, RELN
Пролиферация и миграция клеток в развивающемся переднем мозге
Формирование популяции зрелых нейронов
Активация AMPA рецепторов
Регулируемый
протеолиз p75NTR
Связывание с
амилоидом-бета
Трансдукция сигнала
NTRK3 (TRKC)
SYNGAP1
AKT1, INSR
Связывание остатков
фосфотирозина
Биосинтез
гликогена
ADRB2, APOE, CLU, COL25A1,
GRIA1, IDE, INSR, PLCL1
Формирование
рецепторов нейронов
Формирование комплекса
AP-2 и клатрина
RCBTB1
Связывание с
доменом LRR
CDC5L
Связывание C2H2 с
доменом цинкового пальца
Тиолзависимая
убиквитинилгидролазная активность
ATXN3, DESI2, EIF3F, MINDY (MINDY2,
MINDY3), USP (USP10, USP24, USP25, USP44)

25.

Другие внутри- и межклеточные процессы
HMGB1, SPI1
Активация и дифференцировка
миелоидных дендритных клеток
Регуляция HSCs α, β-комплексом
GABP
Влияние IL1 на мегакариоциты при ожирении
Иммунный ответ (фагоцитоз нейрона
дендритными клетками)
Увеличение количества генов,
ассоциированных с воспалением и тромбозом

26.

Процессы нейротрансмиссии
Пресинаптическое
торможение
Регуляция продукции
протеинкиназы
Путь аденилатциклазы
Быстрое
постсинаптическое
торможение
GABA A
PRKN
Формирование рецепторов
нейронов
GABA
AMPA
Длительное
постсинаптическое
торможение
Активация рецепторов
Формирование комплекса AP-2 и
клатрина
Поглощение нейромедиатора
Пролиферация и миграция клеток
в развивающемся переднем мозге
DAB1, MAGI2, RELN
Формирование популяции
зрелых нейронов

27.

2
1
Выводы
4
3
5
6

28.

1
В сформированных группах генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера
выявлено 617 общих генов, кодирующих белок, 3 псевдогена (CHCHD2P9, GGTA2P, HSP90AA2P) и 9
РНК-генов (DLEU1, H19, MSH5-SAPCD1, PVT1, RNY3, TERC, TSNAX-DISC1, MIR129-2, LINC00461).
2
Идентифицировано 6 генов (ADGRG2, GPR101, IL3RA, PCDH11X, PDHA1, PLCXD1)
предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера, сцепленных с половыми хромосомами.
3
Выявлено 36 общих функций генов предрасположенности к шизофрении и болезни Альцгеймера,
среди которых функции, связанные с организацией и регуляцией обмена белково-липидного
комплекса, поглощением нейромедиатора синаптическими везикулами, биосинтезом гликогена,
пролиферацией и миграцией клеток в развивающейся коре головного мозга, а также с активацией и
дифференцировкой иммунокомпетентных дендритных клеток.
4
Выявлено 18 общих биологических путей, среди которых сигнальные и метаболические пути,
связанные с активацией и сигнализацией ГАМК-рецепторов, активацией аденилатциклазы,
эндоцитозом Ca-непроницаемых AMPA, регуляцией TF в адипогенезе, образованием комплекса
АпоЕ/ЛНП, ролью фосфолипидов в фагоцитозе, гидролизом сигнальных пептидов, формированием
комплекса AP-2 и клатрина, регулируемым протеолизом p75N, сигнализацией NTRK3 (TRKC),
влиянием IL1 на мегакариоциты, TRAF6-опосредованной активацией NF-kB и регуляцией HSCs α, βкомплексом GABP.

29.

5
6
7
Идентифицированные 3 псевдогена (CHCHD2P9, GGTA2P, HSP90AA2P) и 9 РНК-генов (DLEU1,
H19, MSH5-SAPCD1, PVT1, RNY3, TERC, TSNAX-DISC1, MIR129-2, LINC00461) ассоциированы как
с шизофренией, так и с болезнью Альцгеймера и предположительно вовлечены в обмен белков,
процессы функционирования внутри- и межклеточной сигнализации, а также онкогенез и
канцерогенез путем регуляции экспрессии структурных генов предрасположенности к исследуемым
заболеваниям.
Анализ сети белок-белковых взаимодействий продуктов генов предрасположенности к шизофрении
и болезни Альцгеймера выявил 31 ген-кандидат, среди которых 3 гена (APP, CDH1 и CSNK2A1),
ассоциированных
с
болезнью
Альцгеймера,
непосредственно
связаны
с
генами
предрасположенности к шизофрении. Из 28 кандидатов - ближайших соседей для генов
предрасположенности к исследуемым заболеваниям 8 генов (ALDH6A1, ATG8, CD82, DUSP8, GK,
NUDT6, TMEM11, TNNI3) с высоким плейотропным эффектом могут потенциально участвовать в
механизмах ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера.
Выявленные молекулярно–генетические факторы ассоциации шизофрении и болезни Альцгеймера
вовлечены в процессы обмена липидов, белков и регуляции функций клеток нервной системы.

30.

Апробация результатов работы
Смирнов, Д. В. Функциональный анализ генов, ассоциированных с шизофренией и болезнью
Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских // Актуальные проблемы медикобиологических дисциплин: сб. науч. тр. IV Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов,
студентов / под ред. Л. В. Матвеевой. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2019. – С. 156.
Смирнов, Д. В. Функциональный анализ генов предрасположенности к шизофрении и болезни
Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских /Актуальные вопросы медицинской
науки: 3-ей Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с
международным участием «Актуальные вопросы медицинской науки», посвященная 75-летию
Ярославского государственного медицинского университета.— Ярославль, издательство «Аверс ПЛЮС»,
2019. – С. 107.
Гречишникова, А. Ю. Функциональный анализ генов предрасположенности к болезни Альцгеймера /
А. Ю. Гречишникова, Д. В. Смирнов, Н. Ю. Часовских // Сборник тезисов V Всероссийской конференции
молодых ученых и студентов с международным участием «VOLGAMEDSCIENCE»: материалы
конференции. – Н. Новгород: Издательство ПИМУ, 2019. – С. 410 - 412.
Смирнов, Д. В. Анализ обогащения биологических путей генами предрасположенности к шизофрении и
болезни Альцгеймера / Д. В. Смирнов, А. Ю. Гречишникова, Н. Ю. Часовских // FORCIPE. – 2019. – Т. 2. –
С. 577.

31.

Спасибо за внимание!
!