Мутантный ген, кодирующий белок мозга ребенка с аутизмом, был помещен в мозг дрозофилы. Плодовые мушки, являющиеся хозяевами этого гена, производят вариантный белок головного мозга человека и демонстрируют ненормальное поведение – страх, повторяющуюся активность и измененное социальное взаимодействие, напоминающее аутизм.
Генетический вариант был обнаружен в коллекции Simon Simplex Collection, в которой собраны генетические образцы из 2600 симплексных семей с расстройством аутистического спектра или РАС. Белок мозга – это переносчик дофамина, или DAT, чья работа заключается в том, чтобы перекачивать нейромедиатор дофамин обратно в нервные клетки, как только нейромедиатор высвобождается. В мутантном белке отсутствует одна аминокислота.
Исследование этого варианта DAT – от его нарушенного молекулярного механизма до его влияния на поведение плодовых мух – было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences соавторами-корреспондентами Aurelio Galli, Ph.D., и Эрик Гуо, доктор философии.D.
Галли – профессор кафедры хирургии Университета Алабамы в Бирмингеме, а Гуо – профессор института Воллума в Oregon Health & Научный университет и Медицинский институт Говарда Хьюза.
Исследователи обнаружили, что дрозофилы с человеческим вариантом DAT или vDAT гиперактивны. У них была повышенная двигательная активность как днем, так и ночью, по сравнению с нормальными плодовыми мушками. Они также демонстрировали повторяющееся поведение – плодовые мушки vDAT ухаживали за собой в 23 процентах случаев, по сравнению с 6 процентами времени для обычных плодовых мух. Повторяющееся поведение, такое как уход за собой, наблюдалось в моделях нервно-психических расстройств на животных.
Плодовые мухи vDAT также были более опасными, чем обычные плодовые мухи. В ответ на звук хищной осы обычные мухи замерзали примерно на 150 миллисекунд, а затем бежали, о чем свидетельствует заметное и быстрое увеличение средней скорости, которое было зафиксировано камерой с частотой 1000 кадров в секунду. Напротив, плодовые мухи vDAT замерзали на звуке хищника и почти не убегали в течение 600 миллисекунд.
У плодовых мушек vDAT нарушено социальное взаимодействие, что оценивается по изменениям в группировке. Многие популяции животных образуют временные или постоянные группы, такие как стаи, школы или стада, которые помогают выжить перед лицом хищников. Бегство в ответ на угрозу – это побег, при котором размер стаи может сжиматься или увеличиваться. Исследователи обнаружили, что нормальные плодовые мухи увеличивают размер своей стаи в ответ на угрозу – звук хищной осы. Плодовые мушки vDAT, напротив, уменьшили размер своей стаи.
Помимо поведения плодовой мухи, исследование PNAS представляет собой комплексный междисциплинарный подход, который раскрывает некоторые коренные причины аутизма с такой степенью детализации, которая может сделать потенциальные терапевтические методы лечения более реализуемыми в будущем.
Помимо vDAT, лаборатории Галли и Генриха Маттис, Ph.D., доцент кафедры хирургии UAB идентифицировал несколько других мутаций в гене DAT человека, которые влияют на функцию DAT у людей с РАС. Для этих людей нарушение транспорта дофамина, по-видимому, является фактором риска, способствующим осложнениям, связанным с РАС.
"Экспериментальные парадигмы, которые мы описываем здесь," Галли сказал, "обеспечивают основу для молекулярного и поведенческого анализа новых вариантов DAT, обнаруженных в результате генетического анализа людей с РАС или связанными с ним психоневрологическими заболеваниями, а также других связанных с заболеванием мутантов, появившихся в результате инициатив в области точной медицины."
Исследование PNAS Галли и Гуо перешло от генетики человека к базовой животной модели с упрощенным поведением, что было обнаружено с помощью нового мощного анализа. Он исследовал лежащие в основе молекулярные механизмы и основные биологические функции с еще большим разрешением, проводя исследования на уровне клеток и вплоть до бактериальной системы. Каждая добавленная система была более фундаментальной с точки зрения биологической сложности и филогенетического уровня.
Подробная информация о структуре и функции vDAT Помимо изменения поведения мух, вызванного мутантным белком, исследование PNAS исследовало молекулярную структуру и функцию vDAT, используя в качестве модели мутацию родственного белка-переносчика термофильной бактерии. Эксперименты включали рентгеновскую кристаллографию, спектроскопию спинового резонанса, молекулярное моделирование, исследования клеточных культур и электрофизиологические исследования мозга плодовых мух, экспрессирующих мутант.
Исследователи показали, что клетки vDAT нарушают транспорт дофамина и ослабляют DAT-опосредованные электрические токи. Кроме того, экспрессия vDAT человека снижает поглощение дофамина во всем мозге плодовых мушек. Эти результаты подтверждают идею о том, что дисфункция DAT у человека при РАС возникает из-за специфических, но различных механизмов.
Чтобы исследовать механизм нарушения функции транспортера, исследователи использовали родственный бактериальный транспортер в качестве модели. Они удалили единственную аминокислоту из связанного бактериального переносчика, которая коррелирует с единственной аминокислотой, отсутствующей в vDAT. Подобно DAT, бактериальный белок-переносчик внедряется через клеточную мембрану и имеет домены, называемые внеклеточными воротами и внутриклеточными воротами, для приема и высвобождения молекулы, транспортируемой извне клетки внутрь.
Делеция одной аминокислоты изменила конформацию бактериального белка и, по-видимому, заблокировала его внеклеточные ворота, по-видимому, за счет разрыва водородных связей между аминокислотами белка, которые аномально покинули внутриклеточные ворота в конформации, называемой "полуоткрытый и обращенный внутрь." Молекулярно-динамическое моделирование vDAT показало аналогичные конформационные изменения и изменение водородных связей.