معلومة

3: التحليل الجيني للجينات المنفردة - علم الأحياء


قبل مندل ، لم تكن القواعد الأساسية للوراثة مفهومة. على سبيل المثال ، كان معروفًا أن نباتات البازلاء ذات البذور الخضراء تنتج أحيانًا نسلًا يحتوي على بذور صفراء ؛ ولكن هل كانت العوامل الوراثية التي تحكم لون البذور تتغير بطريقة ما من جيل إلى آخر ، أم أن بعض العوامل تختفي وتعاود الظهور؟ وهل نفس العوامل التي تتحكم في لون البذور تتحكم أيضًا في أشياء مثل ارتفاع النبات؟

  • 3.1: قانون مندل الأول
    ينص قانون مندل الأول ، المعروف أيضًا باسم قانون الفصل المتساوي ، على أنه أثناء تكوين الأمشاج ، ينفصل الأليلين في موضع الجين عن بعضهما البعض ؛ كل مشيج لديه احتمالية متساوية لاحتواء أي من الأليل. يمكن أن يوجد أكثر من أليل واحد من الجين في الفرد لأن معظم الكائنات حقيقية النواة تحتوي على مجموعتين على الأقل من الكروموسومات المتجانسة. بالنسبة للكائنات الحية ثنائية الصبغيات في الغالب ، توجد الكروموسومات كأزواج ، مع تماثل واحد موروث من كل والد.
  • 3.2: العلاقات بين الجينات والأنماط الجينية والأنماط الظاهرية
    يسمى الموضع المحدد على طول الكروموسوم الموضع وكل جين يحتل مكانًا محددًا ؛ كل موضع سيكون له شكل أليلي. المجموعة الكاملة من الأليلات (في جميع المواقع ذات الأهمية) في الفرد هي التركيب الوراثي. يسمى التأثير المرئي أو القابل للاكتشاف لهذه الأليلات على بنية أو وظيفة ذلك الفرد النمط الظاهري
  • 3.3: أساس الهيمنة البيوكيميائية
    بالنسبة لغالبية الجينات التي تمت دراستها ، فإن الأليلات الطبيعية (أي النوع البري) غير كافية. لذلك في ثنائية الصبغات ، حتى مع وجود طفرة تسبب فقدانًا كاملًا للوظيفة في أليل واحد ، فإن الأليل الآخر ، وهو أليل من النوع البري ، سيوفر نشاطًا كيميائيًا حيويًا طبيعيًا كافيًا لإنتاج نمط ظاهري من النوع البري ، وبالتالي يكون سائدًا ويفرض النمط الظاهري متغاير الزيجوت .
  • 3.4: تقنيات العبور المستخدمة في علم الوراثة الكلاسيكي
    اخترع مندل أيضًا العديد من تقنيات الاختبار والتحليل التي لا تزال تستخدم حتى اليوم. علم الوراثة الكلاسيكي هو علم حل الأسئلة البيولوجية باستخدام التزاوج المضبوط للكائنات الحية النموذجية. بدأت مع مندل في عام 1865 لكنها لم تقلع حتى بدأ توماس مورغان العمل مع ذباب الفاكهة في عام 1908. لاحقًا ، بدءًا من بنية واتسون وكريك للحمض النووي في عام 1953 ، انضم علم الوراثة الكلاسيكي إلى علم الوراثة الجزيئي ، وهو علم حل الأسئلة البيولوجية باستخدام عزل الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتينات
  • 3.5: ارتباط الجنس - استثناء لقانون مندل الأول
    في الفصل السابق قدمنا ​​الكروموسومات الجنسية والجسميات. بالنسبة للمواقع على الجسيمات الذاتية ، تتبع الأليلات النمط المندلي الطبيعي للوراثة. ومع ذلك ، بالنسبة للمواقع الموجودة على الكروموسومات الجنسية ، فإن هذا غير صحيح في الغالب ، لأن معظم المواضع الموجودة على كروموسوم X النموذجي غائبة عن كروموسوم Y ، على الرغم من أنها تعمل كزوج متماثل أثناء الانقسام الاختزالي. بدلاً من ذلك ، سوف يتبعون نمطًا مرتبطًا بالجنس في الميراث.
  • 3.6: قد لا تكون الأنماط الظاهرية كما هو متوقع من النمط الجيني
    الطرز المظهرية الموصوفة حتى الآن لها علاقة شبه كاملة مع الأنماط الجينية المرتبطة بها ؛ وبعبارة أخرى ، فإن الفرد الذي لديه نمط وراثي معين لديه دائمًا النمط الظاهري المتوقع. ومع ذلك ، فإن العديد من الطرز المظهرية لا يتم تحديدها بالكامل من خلال التركيب الجيني وحده. وبدلاً من ذلك يتم تحديدها من خلال التفاعل بين التركيب الوراثي والعوامل البيئية غير الوراثية.
  • 3.7: قد لا تكون النسب المظهرية كما هو متوقع
    لمجموعة متنوعة من الأسباب ، نادراً ما تتطابق النسب المظهرية التي لوحظت من الصلبان الحقيقية مع النسب الدقيقة المتوقعة بناءً على ساحة بونيت أو تقنيات التنبؤ الأخرى. هناك العديد من التفسيرات المحتملة للانحرافات عن النسب المتوقعة. في بعض الأحيان تكون هذه الانحرافات ناتجة عن تأثيرات أخذ العينات ، وبعبارة أخرى ، الاختيار العشوائي لمجموعة فرعية غير تمثيلية من الأفراد للمراقبة. من ناحية أخرى ، قد يكون ذلك لأن بعض الأنماط الجينية لديها معدل بقاء أقل من 100 ٪.
  • 3.E: التحليل الجيني للجينات المفردة (تمارين)
  • 3.S: التحليل الجيني للجينات المفردة (ملخص)

الصورة المصغرة: استخدم جريجور مندل نباتات البازلاء لاكتشاف بعض القوانين الأساسية لعلم الوراثة. (Flicker-Christian Guthier-CC: A)


تكامل التحليل الوراثي والشبكي لتوصيف الجينات المرتبطة بوزن الماوس

الانتماءات قسم علم الوراثة البشرية ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، قسم الإحصاء الحيوي ، كلية الصحة العامة ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة من أمريكا

قسم الانتساب لعلم الوراثة البشرية ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم الانتساب لعلم الوراثة البشرية ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم الانتساب للميكروبيولوجيا والمناعة وعلم الوراثة الجزيئية ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم الانتساب للميكروبيولوجيا والمناعة وعلم الوراثة الجزيئية ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

الانتساب Rosetta Inpharmatics، Inc.، Kirkland، Washington، United States of America

قسم الانتساب لعلم الأمراض والطب المخبري ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

ساهم بالتساوي في هذا العمل مع: أناتول غزالبور ، سودهير دوس ، ألدونس جي لوسيس ، ستيف هورفاث

الانتماءات قسم علم الأحياء الدقيقة وعلم المناعة وعلم الوراثة الجزيئية ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، قسم علم الوراثة البشرية ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الولايات المتحدة الأمريكية ، قسم الطب ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، معهد البيولوجيا الجزيئية ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية

ساهم بالتساوي في هذا العمل مع: أناتول غزالبور ، سودهير دوس ، ألدونس جي لوسيس ، ستيف هورفاث

* لمن ينبغي أن تعالج المراسلات. البريد الإلكتروني: [email protected]

الانتماءات قسم علم الوراثة البشرية ، كلية ديفيد جيفن للطب ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، قسم الإحصاء الحيوي ، كلية الصحة العامة ، جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس ، لوس أنجلوس ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة من أمريكا


خلفية

اختلال الصيغة الصبغية ، وهي الظاهرة التي تكتسب أو تفقد الجينوم شظايا صبغية ، لها علاقة سببية بمجموعة متنوعة من الأمراض البشرية مثل الاضطرابات العصبية والنفسية والسرطان [1،2،3]. تسبب اللدونة الوراثية والنمطية الناتجة عن تطور اختلال الصيغة الصبغية مقاومة العلاج وتكرار المرض [4،5،6] ، والتي تتحدى بشكل أساسي الطب الحالي. أظهرت الدراسات الحديثة أنه ليس فقط الأنسجة المرضية ، ولكن أيضًا الأنسجة الطبيعية المرضية قد تحتوي على درجة عالية من الفسيفساء الجسدية (على سبيل المثال ، الدم المحيطي [7] والمريء [8]). لذلك ، فإن تحديد أي تغييرات في عدد النسخ (CNAs) تسبب التسبب في المرض وأيها جزء من الاختلافات الطبيعية يصبح ذا أهمية متزايدة في طب الجينوم ، خاصة بالنسبة للسرطان [9 ، 10].

بُذلت جهود مختلفة للحصول على معرفة شاملة بـ CNAs المسؤولة عن تشخيص السرطان والتكهنات والعلاجات المستهدفة. كشف التحليل المنهجي لـ CNA في أكثر من 10000 عينة من الورم الأولي في أطلس جينوم السرطان (TCGA) و 2500 عينة في الاتحاد الدولي لجينوم السرطان (ICGC) عن مناظر طبيعية مميزة لـ CNA في أنواع مختلفة من السرطان [11 ، 12 ، 13]. كشفت مقارنة CNAs بين الأورام الذاتية التي تم الحصول عليها في مرحلة مختلفة من الأنسجة المختلفة أن CNAs حاسمة لتطور الورم عبر الزمان والمكان. ومع ذلك ، لا يمكن للدراسات التي تعتمد على عينات الأنسجة الضخمة أن تصور بشكل كامل تاريخ تطور الورم ، والذي يحدث بدقة خلية واحدة [14] ، وبالتالي فإن لها قدرة محدودة على اكتشاف الدوافع الجينية المرتبطة بها.

أتاحت التطورات الحديثة في تسلسل الحمض النووي أحادي الخلية (على سبيل المثال ، النهج القائم على العلامات [15] وحل CNV أحادي الخلية بواسطة الجينوم 10x) الحصول على نطاق واسع لملفات تعريف عدد النسخ أحادية الخلية (SCCN) في عشرات الآلاف من خلايا بدقة حوالي 100 كيلو بايت (

تغطية تسلسلية 0.1X لكل خلية) [16،17،18،19]. كما تم استخدام منصات أخرى مثل تسلسل الحمض النووي الريبي أحادي الخلية [20 ، 21] وتسلسل ATAC أحادي الخلية [22] لتوصيف SCCN. تم تطوير مجموعة من أدوات المعلومات الحيوية لاستدعاء ملفات تعريف SCCN ، مع الأخذ في الاعتبار العديد من العوامل المربكة [23 ، 24 ، 25].

لا تقدم ملفات تعريف SCCN هذه مجموعة غنية من الاضطرابات الوراثية غير المرئية على مستوى الأنسجة فحسب ، بل إنها تحفز أيضًا إعادة بناء النسب الخلوية ، والتي بناءً عليها يمكن قياس تأثير الأليل على اللياقة الخلوية. وبالتالي ، فإن الأساليب الإحصائية التي تدمج تتبع النسب الخلوي مع التحليل الجيني للسكان [26] يمكن أن تمكن من اكتشاف جينات المرض الجديدة وآليات تطور المرض.

حتى الآن ، كانت الدراسات التي تقوم بتتبع النسب بأثر رجعي من بيانات الخلية المفردة تستخدم إلى حد كبير مناهج علم الوراثة المصممة لنمذجة تطور الأنواع ، والتي تختلف تمامًا عن التطور الخلوي من حيث المدة ، والمقياس ، وعلم الوراثة ، والديناميكيات [27 ، 28]. تفترض العديد من مناهج علم الوراثة الحالية أن المواقع الجينومية تتطور بشكل مستقل وتتبع ما يسمى بافتراض الموقع اللانهائي (ISA) [29]. ولكن في سياق اختلال الصيغة الصبغية ، غالبًا ما يمكن تغيير موقع الجينوم مرارًا وتكرارًا بواسطة CNAs المختلفة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى القيود المفروضة على هياكل الجينوم والكروماتين ، وخصائص تكرار / إصلاح الحمض النووي [30] ، والاختيار الوظيفي. لتطبيق مناهج البخل القصوى التقليدية على بيانات SCCN ، يتعين على المرء أن يتجاوز المناطق الجينومية ويمثل أرقام النسخ كأحرف في فترات منفصلة ، والتي تمثل بشكل سيء خصائص الحمض النووي وتشوه ميل التطور عبر حالات عدد النسخ. الطرق التقليدية الأخرى التي تستخدم مسافات إقليدية أو هامنجية أو ارتباطية لا تمثل أيضًا الطبيعة القطاعية غير الخطية لتطور CNA [31] ، مما يؤدي إلى استنتاج غير دقيق لطوبولوجيا الشجرة وأطوال الفروع.

تم تطوير عدد قليل من مناهج علم الوراثة الجديدة لمعالجة هذه القيود عن طريق إدخال مقياس مسافة جديد يسمى الحد الأدنى من مسافة الحدث (MED) ، والذي يفترض الحد الأدنى من عدد وسلسلة مكاسب أو خسائر النسخة الفردية المطلوبة لتطوير جينوم إلى آخر . على وجه الخصوص ، تستنتج خوارزمية MEDICC [32] رقم نسخة شجرة النشوء والتطور من ملفات تعريف عدد النسخ الأليلية لمجموعة من العينات. ومع ذلك ، فإن المشكلة هي NP-hard [33]. حتى الحلول المبسطة يمكن تطبيقها على عشرات الجينومات فقط وليست قابلة للتطوير لمجموعات البيانات الحالية أحادية الخلية التي تتكون من آلاف الخلايا. زيرا وآخرون [34] اقترح حلًا زمنيًا للمشكلة بناءً على صيغة البرمجة الخطية الصحيحة (ILP) ، ولكن لم يتم إصدار أي أداة.

كان الحصول على المسافة الجديدة وخوارزميات الاستدلال الشجري الفعالة خطوة جيدة إلى الأمام ، ولكن لا يزال من غير الواضح كيفية تحديد المتغيرات الوظيفية ، بالنظر إلى شجرة النشوء والتطور الخلوية. حدسيًا ، يجب أن تؤدي المتغيرات الوظيفية التي تؤثر على اللياقة الخلوية إلى تغيير ترددات الأليل المتغيرة في المجموعات السكانية المنحدرة ، كما هو متضمن في الدراسات السابقة لعلم الوراثة السرطانية متعددة المناطق [10 ، 35]. ومع ذلك ، لم يتم تطوير الإجراءات الرياضية [28 ، 31] لتقدير تأثير التغيير الجيني على شجرة النشوء والتطور ، مع الأخذ في الاعتبار التباين في أخذ عينات تجمعات الخلايا ، والتعدد في تقسيم المجموعات الفرعية ، وميل التغيير في موقع جيني معين ، إلخ. [36]


2. تقرير حالة

فتاة تبلغ من العمر 9 سنوات ، تسمى leukoderma ، قدمت في عيادة طب الأسنان للأطفال في & # x0201cUniversidade Veiga de Almeida ، & # x0201d برفقة ولي أمرها ، مع شكوى من انحراف الأسنان. تم الحصول على شرط الموافقة ، الذي يسمح بإعداد تقرير الحالة الحالي. كشف تاريخها الطبي عن ولادة طبيعية ، مما يدل على عدم وجود تسوية نظامية أو أي مرجع آخر ذي صلة. في الفحص السريري خارج الفم أيضًا ، لم يلاحظ أي تغيير. بالنظر إلى تاريخ طب الأسنان ، تم الكشف عن أن الطفل قد تم إخضاعه بالفعل لمواعيد طب الأسنان فقط من أجل الوقاية وتطبيق الفلورايد.

بعد الفحص السريري الدقيق داخل الفم ، وجد أن الطفل كان في مرحلة الأسنان المختلطة ، مع عدم وجود ثلاثة أضراس دائمة أولية ، وانحراف عن خط الوسط ، وعضة متصالبة خلفية ثنائية ، وحنك عميق (الشكل 1). بعد الفحص الشعاعي ، تم تأكيد الغياب التالي للأسنان: العناصر 16 و 26 و 46 وجراثيم الأسنان للعنصر 15 وجميع الأضراس الثانية الدائمة (الشكل 2). وبحسب تقرير ولي الأمر ، فإن أفراد الأسرة الآخرين قدموا عدم تكوّن الأسنان ، مثل جدة المريض ، وعمه ، وخالته ، وكذلك والدها (شكل 3).

صور داخل الفم. (أ) المنظر الأمامي (ب) قوس الفك العلوي (ج) قوس الفك السفلي.

صورة شعاعية بانورامية توضح غياب الأسنان.

نسب عائلة oligodontia مع سهام تشير إلى بروباند. الأشكال السوداء = الأشكال المفتوحة المتأثرة = المربعات غير المتأثرة = دوائر الذكور = الإناث.

وتجدر الإشارة إلى أن المريضة تمت إحالتها لتقويم الأسنان ، وفي السن المناسب بعد تصحيح تباينات العظام والأسنان ، ستخضع لإعادة تأهيل الأطراف الصناعية. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم تحديد مواعيد استشارات المتابعة بانتظام لتعليمات نظافة الفم.


قم بتنزيل وطباعة هذه المقالة لاستخداماتك العلمية والبحثية والتعليمية الشخصية.

شراء عدد واحد من علم مقابل 15 دولارًا أمريكيًا فقط.

علم

المجلد 294 ، العدد 5550
14 ديسمبر 2001

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

بقلم إيمي هين يان تونغ ، ماري إيفانجليستا ، آينسلي بارسونز ، هونغ شو ، غاري دي بدر ، نيكولاس باجي ، مارك روبنسون ، ساسان راغيبيزاده ، كريستوفر دبليو في هوغ ، هوارد بوسي ، بريندا أندروز ، مايك تايرز ، تشارلز بون

علم 14 ديسمبر 2001: 2364-2368


أبدأ هنا

  • مركز معلومات الأمراض الوراثية والنادرة
  • الاضطرابات الوراثية(المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري)
  • علم الوراثة(المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة)
  • علم الوراثة: علم الوراثة MedlinePlus(المكتبة الوطنية للطب)

إعادة النظر

الاضطراب ثنائي القطب (BD) هو مرض منهك لا يُفهم أسبابه المرضية. يتم تعريف مرض بهجت من خلال نوبات متناوبة من الهوس والاكتئاب. تشمل أعراض الهوس الاندفاع ، والسلوك عالي الخطورة ، وزيادة البحث عن المتعة (اللذة) ، وقلة النوم ، في حين تشمل أعراض الاكتئاب انعدام التلذذ ، وضعف الإدراك ، والانتحار [1].

في حين أن بيولوجيا الاضطراب ثنائي القطب ليست مفهومة جيدًا ، إلا أن هناك تقاربًا في الأدلة التي تمت مراجعتها في مكان آخر [2-4] تشير إلى زيادة العمليات المؤيدة للالتهابات ، وتحديداً زيادة إنتاج السيتوكين ، فضلاً عن اختلال وظيفي في المحور الوطائي - النخامي - الغدة الكظرية ، مثل مفهرسة بإفراز الكورتيزول المعزز بعد الديكساميثازون أو الكورتيكوتروبين الذي يطلق تحدي الهرمون. تشمل أكثر تشوهات الدماغ التي يتم الإبلاغ عنها باستمرار في مرض بهجت تضخم البطينات الجانبية وتشوهات المادة البيضاء ، خاصة في مناطق الفص الجبهي. على الرغم من أن دراسات التصوير الهيكلي أقل اتساقًا ، فقد وجدت انخفاضًا في حجم الحُصين في مرض بهجت والذي يكون أكثر وضوحًا عند المراهقين منه لدى البالغين ، وربما يرجع ذلك إلى تأثيرات الأدوية طويلة المدى ، وحجم اللوزة الأكبر لدى البالغين [5]. لقد خفضت N-acetylaspartate ، وهي علامة لوظيفة الخلايا العصبية ، مستوياتها في القشرة الجبهية الظهرية الوحشية والحزامية الأمامية والحصين للأفراد المصابين بمرض بهجت. تشير دراسات التصوير العصبي الوظيفية إلى أن نشاط المناطق الحوفية (الحصين واللوزة) يزداد أثناء مهام المعالجة العاطفية ، بينما ينخفض ​​نشاط القشرة الأمامية أثناء المهام الإدراكية والعاطفية.

تم تضمين عدد من الآليات الخلوية في الفيزيولوجيا المرضية لمرض BD وتتم مراجعتها بمزيد من التفصيل في مكان آخر [6]. ذات صلة بهذه المقالة ، يبدو أن إشارات الكالسيوم ، التي تتحكم في العديد من الوظائف الأساسية للدماغ (على سبيل المثال ، إطلاق الناقل العصبي) ، غير منظمة في BD بناءً على تركيز الكالسيوم المرتفع داخل الخلايا في الصفائح الدموية والخلايا الليمفاوية والأرومات اللمفاوية المحولة من المرضى. يبدو أن عددًا من سلاسل الإشارات داخل الخلايا (على سبيل المثال ، إشارات عامل التغذية العصبية المشتق من الدماغ [BDNF]) مضطربة في BD وقد تم ربطها بالانتقال العصبي الجلوتاماتي المتغير ، كما هو مقترح من خلال مستويات الغلوتامات المتغيرة في البلازما والمصل والسائل النخاعي من المرضى ، والذي بدوره قد يضعف اللدونة المشبكية. تعمل مثبتات الحالة المزاجية على عكس العديد من التغييرات الموضحة أعلاه ، مما يوفر الدعم لأهمية هذه التغييرات في المرض. وبالمثل ، تشير آليات عمل أدوية BD إلى عمليات بيولوجية خلوية يمكن تغييرها في BD [راجعها [7]]. تم استخدام الليثيوم في علاج BD لأكثر من 60 عامًا ، وعلى هذا النحو تمت دراسته على نطاق واسع على الصعيدين السريري وقبل السريري. يثبط الليثيوم العديد من الإنزيمات بما في ذلك inositol monophosphatase (IMPase) داخل مسار phosphoinositol الذي يتوسط العديد من الأنشطة ، لا سيما تكاثر الخلايا وبقائها [8] ، بالإضافة إلى glycogen synthase kinase (GSK3) [9] الذي يحتوي على العديد من الركائز المشاركة في الخلايا الخلوية المختلفة العمليات بما في ذلك نمو الخلايا وبقائها ، ونمو المحور العصبي والتوجيه ، والتشابك العصبي ، وتكوين الخلايا العصبية [10]. تم توثيق الليثيوم ، بالإضافة إلى مثبتات الحالة المزاجية فالبروات وكاربامازيبين ، بخصائص تغذوية عصبية وواقعية للأعصاب ، كما هو مقترح بأحجام إقليمية أكبر في الدماغ في مرضى BD المعالجين ، وتنظيم BDNF وجزيء B-cell lymphoma / اللوكيميا -2 ( Bcl-2) في دماغ القوارض. وتجدر الإشارة إلى أن هناك دليلًا قويًا على أنه ، مثل الأدوية المضادة للاكتئاب ، تعمل بعض مثبتات الحالة المزاجية على زيادة تكوين الخلايا العصبية لدى البالغين في القوارض الموجودة في الحُصين ، وهي إحدى منطقتين في الدماغ الناضج حيث يتم تكوين خلايا عصبية جديدة [11] ، مما يشير إلى الدور المفترض للمولود عند البالغين. الخلايا العصبية في العمليات العصبية الكامنة وراء BD.

يحتوي مرض BD على مكون وراثي كبير ، مع زيادة المخاطر في عائلات الأفراد المصابين ، وتقدر نسبة التوريث بين 59-93٪ بناءً على العديد من دراسات التوائم [11-15]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من التشوهات الفسيولوجية والعصبية التي نوقشت أعلاه والتي تحدث في الأفراد المصابين بمرض بهجت توجد أيضًا بتواتر أعلى في الأقارب غير المصابين [16] ، مما يدعم الأساس الجيني لهذا الاضطراب. بالنظر إلى المساهمة الجينية للعوامل الوراثية في مرض بهجت ، فإن تحديد جينات القابلية للإصابة سيحسن بلا شك معرفة الأسس العصبية الحيوية ، والتي بدورها قد تشير إلى أهداف جديدة لتطوير علاجات أكثر فعالية. ومع ذلك ، كان اكتشاف الجينات صعبًا للغاية ، حيث كانت دراسات الارتباط الجيني والارتباط محفوفة بالنتائج الضعيفة وغير المتسقة [1 ، 17]. الأسباب عديدة ، لكنها في الأساس عينات صغيرة ذات قوة إحصائية منخفضة ونقص في طرق فحص الجينات بطريقة غير متحيزة بفرضيات سابقة يحتمل أن تكون غير صحيحة [18]. كما تمت مراجعته أدناه ، كانت دراسات الارتباط الحديثة على مستوى الجينوم (GWAS) لعينات كبيرة من الموضوعات والتحليلات الوصفية عبر دراسات متعددة ثورية في تحديد العديد من الجينات ذات الأدلة الإحصائية المهمة للغاية والمتكررة للارتباط مع BD. ستوفر GWAS المستقبلية لعينات الموضوعات الجديدة والتحليلات التلوية للنتائج مع البيانات الحالية قوة إحصائية متزايدة لتحديد الجينات الإضافية ، والتي من المحتمل أن تظهر من تلك التي تقع تحت الأهمية على مستوى الجينوم في التحليلات الحالية [19]. مع وجود جينات خطر مرشحة مقنعة الآن ومتوقعة أخرى في المستقبل القريب ، فإننا ندخل حقبة من الدراسات الوظيفية لتحديد أدوارها في الدماغ الطبيعي والمريض [20]. هناك توقعات عالية بأن GWAS ستؤدي إلى تقدم كبير في فهم الأساس البيولوجي العصبي لمرض بهجت. سلطت افتتاحية نيتشر عام 2010 بعنوان "عقد لعلم الوراثة النفسية" الضوء على GWAS كواحدة من التقنيات الجديدة "التي تبشر بعصر يتم فيه تحديد الدوائر العصبية الكامنة وراء الاختلالات المعرفية ، على سبيل المثال" [21].

تحدد دراسات الارتباط على مستوى الجينوم Ankyrin 3 كجينة خطر الاضطراب ثنائي القطب

تعمل GWAS كنهج غير متحيز لتحديد الجينات والمسارات المعرضة للأمراض من أجل فهم الفيزيولوجيا المرضية الجزيئية والخلوية الكامنة. تختبر GWAS الملايين من أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) عبر الجينوم للاختلافات في ترددات أليلات SNP بين الحالات والمراقبة. تتطلب النتائج تصحيحًا صارمًا للعدد الهائل من الاختبارات ، مع تحديد عتبة الأهمية على مستوى الجينوم عادةً عند p & lt 5 × 10 -8 [22]. هناك حاجة لأحجام العينات بالآلاف للحصول على قوة إحصائية كافية لتجاوز عتبة الأهمية هذه نظرًا للتأثير المتواضع لأي جين واحد على مخاطر المرض. وقد تم تحقيق ذلك بسبب التعاون بين العديد من المجموعات البحثية المساهمة في عينات الحمض النووي و / أو بيانات النمط الجيني في تحليل جيني مشترك ، أو لتكرار النتائج الأولية للحصول على الدعم الضروري من عينات مستقلة تزيد الثقة في النتائج.

في عام 2008 ، كان أول جين تم الإبلاغ عنه يتجاوز عتبة الأهمية على مستوى الجينوم لـ p & lt 5 × 10 -8 في BD GWAS هو diacylglycerol kinase eta (DGKH) [23] ، والتي دعمتها دراسات لاحقة [24]. كانت هذه الجمعية جذابة بشكل خاص منذ ذلك الحين DGKH يشارك في إشارات الفوسفوينوزيتول التي من خلالها يمكن أن يتوسط الليثيوم في تأثيره السريري [25]. بعد فترة وجيزة ، حدد التحليل التلوي لعام 2009 لثلاثة GWAS بإجمالي ما يقرب من 4400 حالة وأكثر من 6200 عنصر تحكم حدد ankyrin 3 (ANK3) الجين مع دليل الارتباط الذي يتجاوز عتبة الأهمية على مستوى الجينوم ، والوحدة الفرعية لقناة الكالسيوم ذات الجهد الكهربائي 1 ج (CACNA1C) الجين أقل بقليل من العتبة (p = 7.0 × 10 -8) [26]. دعمت GWAS اللاحقة ودراسات الارتباط المستهدفة ANK3 الارتباط ، الذي يمتد على منطقة 250 كيلو قاعدة في نهاية 5 'من الجين (الشكل 1 أهم SNPs rs10994336 و rs1938526) ، بالإضافة إلى إشارة ارتباط مستقلة ثانية في منطقة 70 كيلو بايت في الطرف 3' (rs9804190) [ 27-32]. على الرغم من أن العديد من الدراسات استخدمت بعض الحالات نفسها ، مما قد يضخم أهمية ANK3 النتائج ، أفاد التحليل التلوي لثلاث من هذه الدراسات عن أدلة أعلى بكثير من أهمية الجينوم على نطاق واسع بعد إزالة الموضوعات المتداخلة (p = 1.1 × 10 -10) [30]. بعض GWAS والدراسات المستهدفة ANK3 فشلوا في الكشف عن ارتباط كبير بعد تصحيح الاختبار المتعدد مع خطر الإصابة بمرض بهجت ، أو العمر في البداية ، أو الأعراض النفسية ، أو مع خطر الإصابة باضطرابات أخرى بما في ذلك الفصام ، واضطراب الاكتئاب الشديد ، واضطراب نقص الانتباه وفرط الحركة [24 ، 33-38]. ومع ذلك ، فقد استخدمت العديد من هذه الدراسات عينات تفتقر إلى القوة الإحصائية لاكتشاف الآثار الجينية الصغيرة مثل تلك الموجودة في ANK3. كما تدعم الدراسات المستهدفة اللاحقة CACNA1C الارتباط مع BD ، وكذلك الفصام والاضطراب الاكتئابي الرئيسي [39-43] ، مما يشير على الأقل إلى تداخل المسببات الوراثية جزئيًا عبر الأمراض العقلية الرئيسية ، كما اقترحت أيضًا دراسات أخرى [44]. أبلغ اثنان من BD GWAS تم نشرهما في 2011 أيضًا عن ارتباطات مهمة على مستوى الجينوم مع neurocan (NCAN) ، وهو بروتين مصفوفة خارج الخلية يشارك في الالتصاق العصبي ونمو العصبونات [45] ، يشبه مانوز مانوز المرتبط 2 (LMAN2L) المتورط في تصدير البروتين من الشبكة الإندوبلازمية ، الجينات المجاورة تشبه كيناز 3 (دبل كورتين) (DCLK3) و tetratricopeptide كرر وكرر ankyrin المحتوي على 1 (TRANK1) ، جين مستقبل البروستاغلاندين F (PTGFR) ، ومنطقة على الكروموسوم 3p21.2 تحتوي على عدة جينات [27 ، 46].

هيكل الجين والبروتين ANK3 البشري. ال ANK3 يحتوي الجين على العديد من الأشكال الإسوية للنسخ (أسفل) نتيجة التضفير البديل الشامل لـ 5 'exons الفريدة التي تحتوي على مواقع بدء النسخ مع ما يصل إلى 43 exons أخرى (يشار إلى exons بواسطة أشرطة عمودية ، و introns بخطوط أفقية). تظهر مجالات بروتين Ankyrin G (الأشرطة الزرقاء) فوق بنية الجين. يشار إلى تعدد الأشكال مع دليل على ارتباط المرض بتجاوز عتبة الأهمية على مستوى الجينوم في واحد أو أكثر من GWAS من BD أو تحليل مشترك لمرض BD والفصام في الأعلى (خطوط عمودية حمراء). تشير الأشرطة الحمراء إلى المناطق التي تعاني من اختلال التوازن في الارتباط مع تعدد الأشكال المحددة والتي من المحتمل أن تقع ضمنها متغيرات التسلسل الوظيفي التي تساهم في مخاطر المرض (5 "منطقة مرتبطة على اليمين ، و 3" منطقة مرتبطة على اليسار). الصورة مقتبسة من متصفح الجينوم UCSC.

نشرت مجموعة عمل الاضطرابات ثنائية القطب (PGC-BD) الخاصة بالطب النفسي مؤخرًا أكبر تحليل تلوي لـ BD GWAS حتى الآن [47]. حدد التحليل الأساسي لـ 7،481 حالة و 9،250 عنصر تحكم من 11 GWAS التي تم نشرها سابقًا ، والتي تم ذكر بعضها أعلاه ، أن اثنين من تعدد أشكال النيوكلوتايد (SNPs) يتجاوزان عتبة الأهمية على مستوى الجينوم. أعلى SNP (rs10994397 ، p = 7.1 × 10 -9) يقع ضمن منطقة 5 'من ANK3 التي تم الإبلاغ عنها سابقًا ، ويقع SNP الآخر (rs9371601 ، p = 4.3 × 10 -8) في SYNE1 الجين. SYNE1 له شكل لصق بديل يسمى CPG2 التي تعمل في إعادة التدوير بعد المشبكي لمستقبلات الغلوتامات [48] ، وقد ارتبطت لاحقًا بالاكتئاب الشديد [49]. عند الجمع بين مجموعة البيانات الأولية وعينة النسخ المتماثل لـ 4،496 حالة و 42،422 عنصر تحكم ، انخفضت كلتا هاتين النتيجتين إلى ما دون الأهمية على مستوى الجينوم. ومع ذلك ، ظهر جينان آخران ، حسبما ورد سابقًا CACNA1C (rs4765913 ، p = 1.52 × 10 -8) و ODZ4 (rs12576775 ، p = 4.4 × 10 -8) ، والذي يشفر عضوًا من بروتينات سطح خلية tenascin المتورطة في تحديد المسار العصبي [50]. أجرت مجموعات العمل الخاصة باضطراب ثنائي القطب وفصام الشخصية PGC أيضًا GWAS مشتركًا لعيناتهم الأولية ، والتي بلغ مجموعها 16374 حالة و 14،044 عنصر تحكم. تم اكتشاف ارتباطات مهمة على مستوى الجينوم مع مرض بهجت وانفصام الشخصية لثلاثة مواقع تم الإبلاغ عنها مسبقًا ، ولا سيما منطقة 5 'من ANK3 (rs10994359) ، CACNA1C (rs4765913 و rs4765905) ، وموضع chr3p21.3 (rs736408 و rs2239547) ، مما يشير إلى أنهما عوامل خطر مشتركة بين مرض الفصام وانفصام الشخصية.

تقارير GWAS لها عدد من الآثار. أولاً ، نظرًا لأن الدليل الإحصائي على SNP معين يمكن أن يتقلب بين العينات ، فقد ترتفع الجينات أو تنخفض إلى ما دون عتبة الأهمية على مستوى الجينوم في التحليلات المختلفة. من الممكن أن تكون الجينات التي تقع تحت العتبة في تحليل معين جينات خطر مشروعة ، والتي قد تساعد البيانات المأخوذة من عينات إضافية في حلها ، وسيتم تحديد العديد من الجينات في الدراسات المستقبلية. ثانيًا ، إن النيوكليوتيدات SNPs المهمة على مستوى الجينوم التي تم تحديدها حتى الآن لها تأثيرات صغيرة جدًا على المرض ، مع نسب رجحان أقل من 1.2 في المتوسط ​​[23 ، 46 ، 47] ، مما يشير إلى زيادة طفيفة في خطر الإصابة بالأمراض بالنسبة إلى حاملي أليل SNP المرتبط مع BD مقارنة بغير الناقلين. على الرغم من ذلك ، من الممكن أن تكون المساهمة في التباين في عمليات الدماغ الكامنة وراء مرض بهجت أكبر بكثير من المساهمة في مخاطر الإصابة بالأمراض في حد ذاته. بغض النظر عن حجم التأثير ، تقترح الجينات آليات توفر رؤية جديدة للبيولوجيا العصبية لمرض بهجت ، وقد تكشف أيضًا عن أهداف علاجية جديدة.

للبدء في توضيح دور ANK3 في BD ، تم فحص SNPs التي تم تحديدها بواسطة GWAS فيما يتعلق بعمليات الدماغ والتشوهات التشريحية العصبية المرتبطة غالبًا بمرض بهجت ، بالإضافة إلى ارتباطها بالاضطرابات النفسية الأخرى. وتجدر الإشارة إلى أن ANK3 ليس للنيوكلوتايدون SNPs وظيفة واضحة ، ولكن بغض النظر عن أنها تعمل كعلامات للمتغيرات الجينية الحقيقية التي تساهم في المرض الذي قد يكون موجودًا بالقرب من الجين. في الدراسات التي تقارن الأفراد الذين يحملون أليلات خطر SNP مع غير الحاملين ، ANK3 يرتبط بالاستعداد للانهيدونيا ، وتغيير البحث عن الحداثة ، وإعاقة معالجة إشارات التهديد / الإجهاد ، والإدراك الضعيف (الانتباه المستمر ، والمرونة السلوكية ، والذاكرة العاملة) ، وانخفاض سلامة مسالك المادة البيضاء [51-55]. توفر هذه البيانات دليلاً على أن تباين التسلسل في ANK3 يساهم في التغيرات الوظيفية والهيكلية في الدماغ والتي قد تكون مرتبطة بخطر الإصابة بمرض بهجت. بالإضافة الى، ANK3 تم الإبلاغ عن أن التعبير يكون أقل في التلفيف الصدغي العلوي لموضوعات الفصام [54] ، مما يشير إلى ذلك ANK3 قد يكون السبب وراء تنظيم علم النفس المرضي. نظرا لمدى هذا الدليل ل ANK3 التأثير على وظائف المخ ، والتحقيق في الدوائر والعمليات العصبية التي ينظمها أمر مهم بشكل أساسي لفهم التشوهات الكامنة وراء مرض بهجت وربما الأمراض العقلية الأخرى.

ANK3له وظائف أساسية في الدماغ: صلة محتملة بمرض بهجت

1) عائلة الجينات ankyrin: Ankyrins هي عائلة من بروتينات الهيكل العظمي الغشائي. في الثدييات ، هناك 3 أفراد من عائلة ankyrin: ANK1 (ترميز ankyrin R) ، ANK2 (ankyrin B) و ANK3 (ankyrin G). ANK1 يتم التعبير عنها في الغالب في كريات الدم الحمراء ، والعضلات المخططة ، وبعض عصبونات الجهاز العصبي المركزي (CNS) [56]. ANK2 يتم التعبير عنها بشكل رئيسي في الدماغ والعضلات المخططة والكلى والغدة الصعترية وخلايا الدم المحيطية [57]. ANK3 يتم التعبير عنها في جميع الأنسجة تقريبًا ، بما في ذلك الدماغ [58-61].

2) الوظيفة العامة والتعبير عن الأنسجة ANK3: بروتين G ankyrin المشفر بواسطة ANK3 له دور عام في أنسجة متعددة كبروتين سقالة وجزيء محول بين بروتينات غشائية متكاملة وهيكل خلوي سبيكترين ، مكونًا معقدات بروتينية تشارك في تنظيم النطاقات الدقيقة المعقدة مع وظائف خارج الخلية وداخلها [للمراجعة ، انظر [62 ، 63]] . يتم التعبير عن Ankyrin G على نطاق واسع في جميع أنحاء الجسم ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر القلب والعضلات الهيكلية والكلى وخلايا الدم الحمراء والخلايا الظهارية والدماغ. في دماغ الإنسان ANK3 يتم التعبير عنها بشكل كبير في القشرة الأمامية والقشرة الحزامية والحصين والمهاد والمخيخ [64 ، 65]. الأهم من ذلك ، أن العديد من هذه المناطق تقع داخل الدوائر العصبية المتورطة في الحالة المزاجية والإدراك ، وهي عمليات يتم تغييرها في BD.

عادةً ما يتم وصف وظيفة الجين محل الاهتمام باستخدام الفئران المعدلة وراثيًا التي يتم فيها زيادة التعبير عن الجين (أي الإفراط في التعبير) أو تقليله (على سبيل المثال ، تم التخلص منه). في حالة الاضطراب النفسي مثل مرض بهجت ، فإن فحص سلوك النماذج المعدلة وراثيًا قد يوفر نظرة ثاقبة للدوائر العصبية ذات الصلة التي يعمل فيها الجين. تم الإبلاغ حتى الآن عن نموذج واحد معدّل وراثيًا من جين Ank3 للفأر ، حيث يتم تعطيل الأشكال الإسوية Ank3 الخاصة بالدماغ بشكل حصري ، في حين أن الأشكال الإسوية الأكثر انتشارًا لم تتغير [66]. لاحظ التوصيف الأولي لفئران Ank3 التي تفتقر تمامًا إلى الأشكال الإسوية الخاصة بالدماغ حدوث ترنح تدريجي في وقت مبكر بسبب ضعف النشاط المحتمل لإطلاق النار في الأجزاء الأولية لمحور عصبي (AIS) من عصبونات بوركينجي في المخيخ ، وهو أمر مهم للتحكم الحركي [ 66]. لقد وجدنا ذلك Ank3+/− mice with one functional copy exhibit altered mood-related behaviors and elevated stress reactivity, without any detectable motor deficits as in null Ank3−/− mice. Interestingly, we have found that ankyrin G suppression using viral-mediated RNA interference leads to a highly similar phenotype that can be reversed by chronic lithium treatment, lending credence to the relevance of the behavioral changes to BD (Leussis et al., in press).

3)ANK3 gene and protein structure: The ANK3 gene is located within a 700 kilobase region on human chromosome 10 (Figure 1). ANK3 has several 5’ leading exons containing transcription start sites that are alternatively spliced with 43 downstream exons to generate many transcript variants ranging from 4–15 kilobases in size [59, 60]. The functional significance of these unique 5’ exons is not understood, although exon 1b is known to drive transcription of transcript variants that are exclusively expressed in brain, whereas transcripts initiated by other 5’ exons are more widely expressed [66]. In relation to the BD association signals, the 5’ associated region spans exon 1b, and is adjacent to an alternative 5’ exon, exon 1e [26]. The 3’ associated region spans many exons encoding the spectrin-binding and death domains of the ankyrin G protein product [29] (described below).

There is a common molecular organization shared at the protein level across the three ankyrin genes. The N-terminal domain consists of 24 Ank repeats, a known protein binding motif that binds numerous membrane or cytoplasmic proteins [60, 67]. These Ank repeats consist of a 33 amino acid structural motif [68]. Following the N-terminal Ank repeats is a spectrin-binding domain that allows ankyrin to link to the cytoskeleton [69]. The binding affinity of both the N-terminal Ank repeats and the spectrin-binding domain is modulated by the C-terminal regulatory region. The very large brain ankyrin isoforms (440 kilodalton [kDa] ankyrin B and 480 kDa ankyrin G) include an extended tail inserted between the spectrin-binding domain and the C-terminal regulatory domain, and are predicted to take an extended random coil shape [59]. Alternative splice variants of the tail domain also give rise to additional isoforms [59]. The function of the tail domain is not yet clear, but it is postulated to play a role in intramolecular interactions with the membrane binding domain that regulate functional interactions [70]. The 480 and 270 kDa isoforms of ankyrin G contain a serine rich domain C-terminal to the spectrin binding domain that appears to be required to restrict them to the axon initial segment (AIS) [71]. While these domains are recognized as functional elements of the ankyrin G protein, several studies have shown the existence of several isoforms of the protein that lack one or more of these domains. Alterations of the domain structure are thought to modulate activity of the protein as described below.

Several large isoforms of ankyrin G have been identified and are the predominant isoforms associated with neuronal function and development. The 440 kDa, 270 kDa (lacks exon 37) and 190 kDa (lacks the serine rich and tail domains) isoforms have been shown to be expressed in neurons [71]. These isoforms are most often associated with the AIS and Nodes of Ranvier, and are required for the organization of these membrane domains. As described below, several studies have suggested lower molecular weight isoforms of ankyrin G lacking most of the membrane binding domain localize to other subcellular compartments. For example, two studies demonstrated that the 100 kDa and 120 kDa isoforms present in mouse macrophages or expressed in 3T3 or COS-1 cells localize to late endosomes and lysosomes involved in protein degradation [72, 73]. Furthermore, a 116 kDa (AnkG119) isoform present in kidney and muscle associates with the Golgi apparatus that packages proteins for secretion or transport within the cell [58].

4) Neural functions of ANK3.

Synaptic organization and stabilization

Ankyrin G has been implicated in synaptic function (Figure 2A), although the majority of evidence is from studies of the neuromuscular junction (NMJ) in the peripheral nervous system of the fruit fly (ذبابة الفاكهة). في ذبابة الفاكهة, the presynaptic NMJ is stabilized by giant isoforms of brain-specific Ank2 (Ank2-L), which appear homologous to mammalian ankyrin G large isoforms. These directly bind and organize synaptic microtubules, thus contributing to stability of the presynaptic terminals [74]. Mutations of Ank2-L have been shown to significantly affect NMJ stability in ذبابة الفاكهة larva, as evidenced by disintegration of the synaptic cytoskeleton that results in disassembly of presynaptic active zones, withdrawal of synaptic boutons, and reduced terminal size [75]. At the ذبابة الفاكهة postsynaptic NMJ, synapse development is dependent on spectrin, which ankyrin directly interacts with, but is also mediated by Ank2-L isoforms [76].

Known and putative functions of ankyrin G in neurons. (أ) Putative scaffolding role at the synapse, where ankyrin G may contribute to the localization of cell adhesion molecules, synaptic receptors, or other synaptic scaffold proteins, as well as to the overall stability of the synapse. (ب) Some isoforms of ankyrin G localize to late endosomes and lysosomes where they function in cellular trafficking, thereby directing specific proteins to different subcellular regions. In neurons, cellular trafficking occurs at the pre- and post-synapse of neurons, as well as within the cell body as depicted. (ج) Ankyrin G contributes to cellular compartmentalization, helping to distinguish axonal from dendritic processes through the establishment of an axonal barrier at the axon initial segment (AIS) that prevents transport of non-axonal cargo proteins into the axon. (د) Ankyrin G serves as a key scaffold protein at the AIS, interacting with cytoskeletal proteins such as spectrin and actin to localize voltage-gated sodium and potassium channels, cell adhesion molecules (e.g. neurofascin), and GABAergic inhibitory postsynaptic terminals to this region. (ه) Similar to its role at the AIS, ankyrin G localizes voltage-gated sodium and potassium channels and cell adhesion molecules to the Nodes of Ranvier, which is mediated through reciprocal interactions with myelin-generating glial cells.

There is also evidence that ankyrin G may function in mammalian synapses. For example, ankyrin G has been identified as a component of the postsynaptic density in mouse brain [77, 78]. Further, treatment with the mood stabilizer lithium significantly increased ankyrin G levels in the postsynaptic density in rat hippocampus, while valproic acid treatment had a more modest effect on increasing ankyrin G expression [78].

Synaptic defects and reduced synaptic plasticity have been increasingly linked to BD and other psychiatric diseases in both humans and animal models [79, 80]. Further, mood stabilizers such as lithium affect the levels of certain synaptic proteins [78, 81] and increase long term potentiation (LTP), which is representative of increased neural plasticity [82]. A role of ankyrin G at the synapse, which we postulate occurs in mammals as it has been shown in ذبابة الفاكهة, could represent one cellular mechanism of decreased synaptic plasticity that may underlie BD.

Cellular trafficking and intracellular signaling

It is postulated that certain isoforms of ankyrin G that lack both the membrane-binding and spectrin-binding domains are associated with Golgi, late endosomes, lysosomes, and the sarcoplasmic reticulum (Figure 2B) that mediate transport and storage of proteins and molecules within cells. For example, in kidney cells, the 116 kDa isoform of ankyrin G localizes with Golgi and endosomes where it is postulated to play a role in organizing microdomains, as well as contributing to transport of polarized vesicles [58, 83]. Further, ankyrin G interacts with Hook1, a protein presumed to function in trafficking of proteins to late endosomes [84]. Smaller isoforms of ankyrin G (100, 120 kDa) have also been associated with late endosomes and lysosomes in macrophages [72]. The putative function of these smaller isoforms in trafficking membrane-bound proteins within the cell is as likely to occur in neurons as in other cell types. In fact, endosomal trafficking is essential for neuronal function by targeting proteins to the correct compartments to maintain axo-dendritic polarity, discussed above, and by regulating presynaptic vesicle recycling as well as surface expression and internalization of postsynaptic receptors [85, 86].

Ankyrin G is implicated in cellular signaling cascades that mediate a diversity of cellular processes. For example, the small 110 and 120 kDa isoforms in late endosomes and lysosomes have been shown to contribute to lysosome-mediated downregulation of receptors by binding directly to the p85 subunit of phosphatidylinositol 3’-kinase (PI3K). This interaction modulates degradation of the platelet-derived growth factor receptor (PDGFR) that activates different downstream signaling cascades, including the PI3K-Akt and the Ras-MAPK pathways that mediate cellular processes including proliferation and survival [73]. Interestingly, the phosphoinositol pathway is a putative target of lithium and valproate [25, 87–89], highlighting a potential overlap between the cellular functions of ANK3 with BD treatment response.

Establishment and maintenance of axo-dendritic polarity

The distinction between dendrites and axons is critical to neuronal function, yet the mechanisms underlying the differentiation of these two compartments are just being identified. Ankyrin G contributes to the maintenance of axo-dendritic polarity of neurons by forming a critical part of the diffusion barrier that assembles in the AIS within 48 hours of axon-dendrite differentiation and acts as a selective filter for axonal transport and diffusion (Figure 2C). When ankyrin G expression is perturbed, the axonal barrier is disrupted and proteins that were not previously detected in the axon are readily observed [90, 91]. Additionally, in the absence of ankyrin G, axons lose their identity and gain both structural and molecular characteristics of dendrites, including spine-like protrusions that contain numerous markers for postsynaptic densities, and appear to form synapses, further supporting a role for ankyrin G in regulating axon-defining properties both في المختبر و في الجسم الحي[90, 92]. Consistent with this function, interactions between ankyrin G and the cell surface protein neuroglian mediate axonal and dendritic morphogenesis, such as the establishment of large dendritic arbors, at least for certain neuronal subtypes in ذبابة الفاكهة embryos [93].

Perturbed axo-dendritic polarity could be related to the mechanism of ankyrin G in BD. For neurons to function optimally within neural circuits, they require proper establishment of both axonal and dendritic processes. Interfering in this process, as could occur in individuals with altered levels of functional ankyrin G, would have wide-ranging implications for brain function. This could include alterations in neural circuits involved in mood regulation and cognition that are impaired in BD.

Formation and maintenance of the axon initial segment and Nodes of Ranvier

The best-characterized function of ankyrin G in the brain occurs at the AIS and Nodes of Ranvier (NoR) of neurons (Figure 2D, E), where action potentials are generated and propagated down the axon to presynaptic terminals. Ankyrin G is considered a master organizer of the AIS, based on evidence that other AIS-associated proteins, including ΒIV-spectrin, neurofascin-186, and ion channels (especially voltage-gated sodium and potassium channels), depend on the presence of ankyrin G to form localized clusters at the AIS [66, 67, 94–100]. Further, in hippocampal neuronal cultures, ankyrin G is required for the maturation of the cisternal organelle that functions in regulating calcium levels at the AIS [101]. Recent data from Galiano et al. [102] suggest that ankyrin G is established at the AIS through exclusion of ankyrin G from the distal axon by an ankyrin B cytoskeleton. Subsequent organization of the AIS is orchestrated through multiple ankyrin G protein domains including the membrane-binding, spectrin-binding, and tail domains [71]. Ankyrin G appears to function in this role from early in development through adulthood, suggesting a role in formation and maintenance of the AIS [95]. The disruption of the AIS in knockout mice lacking brain-specific isoforms of ankyrin G correlates with deficits in the initiation of action potentials and decreased repetitive firing in cerebellar Purkinje cell neurons [66]. Recent findings point to a mechanistic role for B-catenin and GSK3-alpha/beta at the AIS, where they contribute to the control of sodium channel density, and hence neuronal excitability [103]. This is interesting given that GSK3 is a known target of lithium [9], suggesting a potential AIS-related mechanism by which lithium may mediate its clinical effect on BD symptoms.

While these studies provide evidence for an essential contribution of ankyrin G to neuronal function, it may also contribute to more dynamic aspects of neuronal homeostatic plasticity. Two studies, one examining rat hippocampal neurons and the other using chick auditory neurons, demonstrated that altered neuronal activity led to changes in the position or length of the AIS, which in turn led to changes in neuronal excitability [104, 105]. Such changes could be important to both developmental refinement and function of mature neuronal circuits.

While it is clear that ankyrin G plays a critical role in recruiting and maintaining ion channels at the AIS and NoR, there is also some evidence that ankyrin G plays a modulatory role in the opening or closing of some of these channels. For example, ankyrin G, but not ankyrin B, regulates the inactivation gating of the sodium channel Nav1.6 in cells expressing the human variant of this channel, an effect that is likely mediated by the membrane-binding domain of ankyrin G [106]. Although this effect has only been demonstrated for a single channel type, it is reasonable to postulate that other channels may be similarly modulated by ankyrin G. Altering channel properties can affect neural circuit performance on many levels, thus providing another plausible mechanism through which alterations in ankyrin G levels or function could impact neural circuits involved in BD.

The localization of ankyrin G to NoR is dependent on interaction with glial cells (Figure 2E). Current data suggest that soluble factors secreted by glial cells in both the peripheral and central nervous systems recruit neurofascin-186 (NF-186), which in turn recruits ankyrin G to NoR [107–109]. Glial cells mediate interactions between ankyrin G and the cytoskeleton, thus initiating subsequent recruitment and stabilization of sodium and potassium channels, which are required for saltatory conduction of action potentials along myelinated axons (for review, see [110]).

Alterations in AIS and NoR formation and maintenance, which ultimately affect action potential firing and propagation, have clear implications for proper development and function of neural circuits that may be related to the role of ANK3 in susceptibility to BD. As evidenced by the ataxia exhibited by knockout mice lacking brain-specific (exon 1b-derived) isoforms of the mouse Ank3 الجين (Ank3−/− mice) [66], decreased ankyrin G expression affects neuronal performance to a degree that alters functional output, at least in neural circuits specific to motor control and movement. It is likely that similar deficits, although perhaps less obvious, also occur in other circuits relevant to BD where ankyrin G is expressed. In fact, our research demonstrating altered mood-related behaviors in mice with ankyrin G suppression in the dentate gyrus via RNA interference (Leussis et al., in press) implies that other neural circuits including dentate gyrus are functionally affected by perturbed ankyrin G expression.

Similar to its role in localizing proteins such as ion channels and cell adhesion molecules to the AIS, ankyrin G also directs the localization of inhibitory GABAergic interneuron presynaptic terminals onto the AIS of excitatory neurons (Figure 2D). GABAergic inhibitory activity at the AIS has a critical role in modulating the firing of excitatory neurons in multiple brain regions including the cortex, hippocampus and cerebellum. Conventional knockout of Ank3 brain-specific isoforms in mice results in disruptions of neurofascin gradients at the AIS of cerebellar Purkinje cells. As a result, GABAergic pinceau synapses from interneurons, which normally localize to the AIS according to the neurofascin gradient, are instead broadly distributed across the axonal and soma membranes, resulting in a disruption of the GABAergic inhibition near the AIS in these mice [111, 112]. A similar observation is made for excitatory cortical neurons, which also receive inhibitory inputs from GABAergic interneurons, and are similarly dependent on the presence of ankyrin G for proper localization and distribution of GABAergic terminals at the AIS [113, 114]. For a detailed review of the postulated mechanisms underlying this phenomena, see Huang [115].

Although there is no direct evidence for how or if alterations in GABAergic inhibition contribute to BD pathophysiology, several changes in the GABAergic system have been reported in individuals with BD. These include decreased GABA(B) receptors in lateral cerebella [116], and decreased parvalbumin and somatostatin-expressing GABAergic interneurons in the dorsolateral prefrontal cortex [117]. Further, mood stabilizers alter the epigenetic regulation of GABAergic targets, reversing GABAergic gene promoter region hypermethylation that is thought to produce decreased expression of multiple GABAergic targets in BD [118, 119]. Thus, the role of ankyrin G in mediating the localization of GABAergic synapses to the AIS could further exacerbate GABAergic dysfunction in BD, as a decrease in GABAergic input would be compounded by improper targeting of inhibitory axon terminals onto excitatory neurons.

Neurogenesis and neuroprotective functions

A recent study demonstrated that ankyrin G is required for generation of new neurons (neurogenesis) in the subventricular zone of the adult rodent brain [120]. Ankyrin G is essential for assembly of the subventricular zone niche through lateral adhesion of progenitor cells, which serves as a matrix upon which new neurons are generated. In the absence of ankyrin G, niche assembly does not occur and neurogenesis is substantially reduced or absent. Although this report focused exclusively on neurogenesis in the subventricular/subependymal zone, it is possible that ankyrin G has a similar role in the subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus, the other site of neurogenesis in the mature brain.

The modulation of hippocampal neurogenesis in adulthood has been linked to mood disorders such as depression and anxiety, as well as to antidepressant response [For review, see [121, 122]]. Further, several mood stabilizers (lithium, valproate, carbamazepine, and lamotrigine) are known to modulate adult neurogenesis in dentate gyrus [11, 123], highlighting a putative therapeutic mechanism for these medications. Although few direct links between BD and neurogenesis have been reported, decreased hippocampal volume and altered hippocampal function do occur in BD [5, 124] and could result, at least in part, from decreased neurogenesis.

Ankyrin G also plays a protective role in mediating brain immune responses, according to studies in both human and mouse translational models. Specifically, individuals with Alzheimer’s disease that also express high levels of ankyrin G in frontal cortex and elevated levels of ankyrin G antibodies in serum exhibit significantly reduced cognitive decline than individuals with significantly lower ankyrin G serum antibody levels [125]. Further, two different mouse translational models of Alzheimer’s disease that exhibit beta-amyloid accumulation improve following innoculation with ankyrin G antibody, showing reduced brain beta-amyloid pathology [125]. Although this is the first reported occurrence of neuroprotective effects of ankyrin G for a specific brain pathology, it is reasonable to expect that ankyrin G may also act in a neuroprotective fashion in other disease instances in the brain.

Putative common pathways of ANK3and other risk genes in BD pathophysiology

Based on the known functions of ANK3, and those of other BD risk genes identified by GWAS discussed above, one can speculate on common pathways underlying these genes that may be related to their mechanism in BD. These pathways are particularly worthy of functional studies in cellular and animal models to delineate the potential role of ANK3 and other risk genes in BD pathophysiology.

ال CACNA1C gene encodes the pore-forming alpha 1C subunit of the voltage-gated calcium channel, which is important in mediating neuronal excitability via calcium influx in response to neuronal activity. As ankyrin G is involved in maturation of the cisternal organelle that regulates calcium levels at the AIS [101], both CACNA1C و ANK3 appear to function in calcium-mediated neuronal excitability. Further, an analysis of protein interaction networks found an enrichment of beta adrenergic receptor molecules interacting with ANK3 و CACNA1C[126], implicating both genes in modulation of adenylate cyclase levels via catecholamine binding to beta adrenergic receptors. Adenylate cyclase not only regulates cAMP levels that are important in many intracellular signaling pathways having various cellular effects, but calcium-sensitive adenylate cyclases also enable faster reaction to calcium influx that modulates neuronal excitability. Similarly, the well-documented functions of ankyrin G in localizing inhibitory GABAergic interneuron synapses to the AIS of excitatory neurons, as well as mediating activity-dependent AIS relocation along axons, further supports a common mechanism of ANK3 و CACNA1C in regulation of neuronal excitability.

ال CPG2 splice variant of SYNE1 functions in turnover of postsynaptic glutamate receptors on excitatory neurons that is important for maintaining and modifying synaptic strength [48]. Ankyrin G has a putative role in synaptic stabilization based on the function of its ذبابة الفاكهة homolog [74–76]. Perturbation of ankyrin G or the CPG2 protein could potentially disrupt synaptic transmission within and between neural circuits relevant to BD, leading to the symptoms and cognitive deficits exhibited by patients.

ANK3 و DGKH both appear to participate in intracellular phosphatidylinositol signaling that mediates an enormous diversity of cellular functions, which in the brain include neural cell growth and proliferation, differentiation, and neuroprotection. The ankyrin G isoforms localized to late endosomes and lysosomes bind the p85 subunit of phosphatidylinositol 3’-kinase (PI3K) [73], whose products activate Akt kinase to phosphorylate a variety of protein targets with a range of cellular effects. Diacylglyceraldehyde kinase eta, encoded by DGKH, catalyzes the breakdown of diacylglycerol, which is an activator of protein kinase C that, like Akt, has a multitude of targets with diverse effects. هكذا، ANK3 و DGKH may both help regulate key kinase proteins in this pathway to modulate a variety of cellular functions. This link between ANK3 و DGKH is particularly interesting as the phosphatidylinositol pathway is a putative target of the both lithium and valproate used in BD treatment [25, 87, 88, 127]. It is therefore possible that sequence variants in ANK3 و DGKH alter the functions of their encoded proteins in this pathway, disrupting downstream neural processes that lead to the emergence of BD symptoms, and that mood stabilizers mediate their clinical effect through normalizing pathway signaling.

A highly speculative link between the ANK3, NCAN، و ODZ4 genes is formation of a complex that mediates neuronal migration and axon pathfinding. The neurocan and tenascin-M4 proteins encoded by NCAN و ODZ4, respectively, are both cell surface proteins expressed in brain that are implicated in these neuronal processes. Given the core function of ankyrin G in coupling integral membrane proteins to the inner membrane cytoskeleton [62, 63], ankyrin G may hold tenascin-M4 at the cell surface by binding to the tenascin-M4 intracellular domain. In turn, tenascin-M4 could interact with neurocan on the cell surface, as suggested by the direct binding of neurocan with another member of the tenascin family [128]. Additional evidence for a putative role of ankyrin G in axon pathfinding comes from studies of the ankyrin homolog in the nematode C. ايليجانس, unc-44, which is required for proper axon projection to targets [129, 130]. Widespread perturbation of axon pathfinding would have global effects on brain function. However, if localized to neural circuits relevant to BD, for example by restricted expression of BD associated genes that mediate pathfinding, the consequence could be a distinct dysregulation of mood and cognition.


3 Apr 2020: Díaz-Casado E, Gómez-Nieto R, de Pereda JM, Muñoz LJ, Jara-Acevedo M, et al. (2020) Correction: Analysis of gene variants in the GASH/Sal model of epilepsy. PLOS ONE 15(4): e0231603. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231603 View correction

Epilepsy is a complex neurological disorder characterized by sudden and recurrent seizures, which are caused by various factors, including genetic abnormalities. Several animal models of epilepsy mimic the different symptoms of this disorder. In particular, the genetic audiogenic seizure hamster from Salamanca (GASH/Sal) animals exhibit sound-induced seizures similar to the generalized tonic seizures observed in epileptic patients. However, the genetic alterations underlying the audiogenic seizure susceptibility of the GASH/Sal model remain unknown. In addition, gene variations in the GASH/Sal might have a close resemblance with those described in humans with epilepsy, which is a prerequisite for any new preclinical studies that target genetic abnormalities. Here, we performed whole exome sequencing (WES) in GASH/Sal animals and their corresponding controls to identify and characterize the mutational landscape of the GASH/Sal strain. After filtering the results, moderate- and high-impact variants were validated by Sanger sequencing, assessing the possible impact of the mutations by “in silico” reconstruction of the encoded proteins and analyzing their corresponding biological pathways. Lastly, we quantified gene expression levels by RT-qPCR. In the GASH/Sal model, WES showed the presence of 342 variations, in which 21 were classified as high-impact mutations. After a full bioinformatics analysis to highlight the high quality and reliable variants, the presence of 3 high-impact and 15 moderate-impact variants were identified. Gene expression analysis of the high-impact variants of Asb14 (ankyrin repeat and SOCS Box Containing 14), Msh3 (MutS Homolog 3) and Arhgef38 (Rho Guanine Nucleotide Exchange Factor 38) genes showed a higher expression in the GASH/Sal than in control hamsters. في السيليكو analysis of the functional consequences indicated that those mutations in the three encoded proteins would have severe functional alterations. By functional analysis of the variants, we detected 44 significantly enriched pathways, including the glutamatergic synapse pathway. The data show three high-impact mutations with a major impact on the function of the proteins encoded by these genes, although no mutation in these three genes has been associated with some type of epilepsy until now. Furthermore, GASH/Sal animals also showed gene variants associated with different types of epilepsy that has been extensively documented, as well as mutations in other genes that encode proteins with functions related to neuronal excitability, which could be implied in the phenotype of the GASH/Sal. Our findings provide valuable genetic and biological pathway data associated to the genetic burden of the audiogenic seizure susceptibility and reinforce the need to validate the role of each key mutation in the phenotype of the GASH/Sal model.

الاقتباس: Díaz-Casado E, Gómez-Nieto R, de Pereda JM, Muñoz LJ, Jara-Acevedo M, López DE (2020) Analysis of gene variants in the GASH/Sal model of epilepsy. PLoS ONE 15(3): e0229953. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229953

محرر: Giuseppe Biagini, University of Modena and Reggio Emilia, ITALY

تم الاستلام: October 31, 2019 وافقت: February 17, 2020 نشرت: March 13, 2020

حقوق النشر: © 2020 Díaz-Casado et al. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ في أي وسيط ، بشرط ذكر المؤلف والمصدر الأصليين.

توافر البيانات: All relevant data are within the manuscript and its Supporting Information files

التمويل: This study was supported by the Spanish JCyL cofinanced with the European Union FEDER funds 2017 (#SA023A12-2) to D. E. López

تضارب المصالح: وقد أعلن الباحثون إلى أن لا المصالح المتنافسة موجودة.


3.4.7 Investigating diversity

فرص تنمية المهارات

  • the frequency of measurable or observable characteristics
  • the base sequence of DNA
  • the base sequence of mRNA
  • the amino acid sequence of the proteins encoded by DNA and mRNA.
  • interpret data relating to similarities and differences in the base sequences of DNA and in the amino acid sequences of proteins to suggest relationships between different organisms within a species and between species

Knowledge of gene technologies will ليس be tested.

Quantitative investigations of variation within a species involve:

  • collecting data from random samples
  • calculating a mean value of the collected data and the standard deviation of that mean
  • interpreting mean values and their standard deviations.

الطلاب سوف ليس be required to calculate standard deviations in written papers.

  • design appropriate methods to ensure random sampling
  • carry out random sampling within a single population
  • use random samples to investigate the effect of position on the growth of leaves.

Students could use standard scientific calculators to calculate the mean values of data they have collected or have been given.

Students could calculate, and interpret the values of, the standard deviations of their mean values.


الانتماءات

Cancer Metastasis Research Center, National Biochip Research Center, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea

Gui Youn Lee, Hei Cheul Jeung, Sang Chul Kim, Min Young Seo, Chan Hee Park, Hyun Cheol Chung & Sun Young Rha

Brain Korea 21 Project for Medical Science, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea

Gui Youn Lee, Woo Ick Yang, Chan Hee Park, Hyun Cheol Chung & Sun Young Rha

Department of Pathology, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea

Yonsei Cancer Center, Yonsei Cancer Research Institute, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea

Hyun Cheol Chung & Sun Young Rha

Department of Internal Medicine, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea


شاهد الفيديو: ما هو الكروموسوم - what is a chromosome (كانون الثاني 2022).