

Формирование когнитивных процессов у детей с аутизмом. Часть I. Эпигенетические механизмы
https://doi.org/10.21508/1027-4065-2024-69-1-34-44
Аннотация
Аутизм и расстройства аутистического спектра — нервно-психические заболевания, которые начинают проявляться у детей в возрасте до 3 лет. За последнее десятилетие число детей с расстройствами аутистического спектра увеличилось в 10 раз и продолжает расти, составляя 1–2 % населения планеты. В настоящее время диагностика расстройств аутистического спектра основывается только на клинических и поведенческих тестах, а биологические и генетические маркеры, которые могли бы способствовать раннему выявлению этого расстройства, отсутствуют. В обзоре на основе анализа современных данных литературы об эпигенетических механизмах, ассоциированных с аутизмом, рассматриваются влияние профиля метилирования ДНК на формирование когнитивных нарушений и возможность использования статуса метилирования генов в качестве диагностических биомаркеров у детей с расстройствами аутистического спектра. Анализ данных литературы свидетельствует, что в основе нарушений внимания, скорости обработки информации, рабочей памяти, обучения лежат генетические и эпигенетические (метилирование) изменения экспрессии многих генов: BDNF, CAPS2, CNTNAP2, GABRB3, FMR1, FOXP1, GTF2I, HSD11B2, MECP2, NF2, NGF, NR3C1, OXTR, PAK2, RELN, SLC6A4, UBE3A и др. Большинство из этих генов подвергается гиперметилированию, уменьшая экспрессию их белков, что нарушает развитие и формирование нервной системы при аутизме. Напротив, другие гены, ассоциированные с метилированием и окислительным стрессом, гипометилированы при расстройствах аутистического спектра. Оценка уровня экспрессии и статуса метилирования этих генов может служить генетическими и эпигенетическими биомаркерами для дифференциации и диагностики клинических симптомов, тяжести расстройства аутистического спектра, а также способствовать разработке новых методов лечения и реабилитационных процедур.
Ключевые слова
Об авторах
О. С. ГлотовРоссия
Олег Сергеевич Глотов, д. б. н., зав. отделом, ст. науч. сотр., вед. науч. сотр.
отдел вирусологических и молекулярно-генетических методов диагностики
отдел геномной медицины
департамент научной деятельности
лаборатория исследований тактильной коммуникации
199034
Менделеевская линия, д. 3
Санкт-Петербург
Москва
А. Н. Чернов
Россия
Александр Николаевич Чернов, к. б. н., ст. науч. сотр., науч. сотр.
отдел геномной медицины
отдел общей патологии и патофизиологии
197376
ул. акад. Павлова, д. 12
Санкт-Петербург
П. A. Cучко
Россия
Павел Александрович Сучко, студент IV курса
кафедра молекулярной биотехнологии
190013
Московский проспект, д. 24–26/49 литера А
Санкт-Петербург
Ю. А. Эйсмонт
Россия
Юрий Александрович Эйсмонт, к. б. н., ст. науч. сотр.
научно-исследовательский отдел вирусологии и молекулярно-биологических методов исследования
197022
ул. профессора Попова, д. 9
Санкт-Петербург
Л. А. Майорова
Россия
Лариса Алексеевна Майорова, ст. науч. сотр., к. м. н., ст. науч. сотр. зав. лабораторией
лаборатория физиологии сенсорных систем
117485
ул. Бутлерова, д. 5А
Москва
Список литературы
1. Jasoliya M., Gu J., AlOlaby R.R., Durbin-Johnson B., Chedin F., Tassone F. Profiling Genome-Wide DNA Methylation in Children with Autism Spectrum Disorder and in Children with Fragile X Syndrome. Genes (Basel) 2022; 13(10): 1795. DOI: 10.3390/genes13101795
2. Autism spectrum disorders. World Health Organization. Link is active on 03. 10. 2023. http://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/autism-spectrum-disorders / Ссылка активна на 4. 12. 2023.
3. Maenner M.J., Shaw K.A., Baio J. Prevalence of autism spectrum disorder among children aged 8 years–autism and developmental disabilities monitoring network, 11 sites, united states, 2016. MMWR Surveill Summ 2020; 69: 1. DOI: 10.15585/mmwr.ss6802a1
4. Stoccoro A., Conti E., Scaffei E., Calderoni S., Coppedè F., Migliore L., Battini R. DNA Methylation Biomarkers for Young Children with Idiopathic Autism Spectrum Disorder: A Systematic Review. Int J Mol Sci 2023; 24(11): 9138. DOI: 10.3390/ijms24119138
5. Gibney E.R., Nolan C.M. Epigenetics and gene expression. Heredity 2010; 105: 4–13. DOI: 10.1038/hdy.2010.54
6. Urich M.A., Nery J.R., Lister R., Schmitz R.J., Ecker J.R. MethylC-seq library preparation for base-resolution whole-genome bisulfite sequencing. Nature protocols 2015; 10(3): 475–483. DOI: 10.1038/nprot.2014.114
7. Yong W.-S., Hsu F.-M., Chen P.-Y. Profiling genome-wide DNA methylation. Epigen Chromatin 2016; 9(1): 26. DOI: 10.1186/s13072–016–0075–3
8. Herman J.G., Graff J.R., Myöhänen S., Nelkin B.D., Baylin S.B. Methylation-specific PCR: a novel PCR assay for methylation status of CpG islands. Proceed National Academy Scie USA 1996; 93(18): 9821–9826. DOI: 10.1073/pnas.93.18.9821
9. Bonora G., Rubbi L., Morselli M., Ma F., Chronis C., Plath K., Pellegrini M. DNA methylation estimation using methylation-sensitive restriction enzyme bisulfite sequencing (MREBS). PLoS One 2019; 14(4): 14(4): e0214368. DOI: 10.1371/journal.pone.0214368
10. Yokoyama S., Kitamoto S., Yamada N., Houjou I., Sugai T., Nakamura S-I. et al. The application of methylation specific electrophoresis (MSE) to DNA methylation analysis of the 5′CpG island of mucin in cancer cells. BMC cancer 2012; 12(1): 67. DOI: 10.1186/1471–2407–12–67
11. Nazmul I.M., Yadav S., Hakimul Haque M., Munaz A., Islam F., Al Hossain M.S. et al. Optical biosensing strategies for DNA methylation analysis. Biosens Bioelectron 2017; 92: 668–678. DOI: 10.1016/j.bios.2016.10.034
12. Hernández H.G., Tse M.Y., Pang S.C., Arboleda H., Forero D.A. Optimizing methodologies for PCR-based DNA methylation analysis. BioTechniques 2013; 55(4): 181–197. DOI: 10.2144/000114087
13. Sepulveda A.R., Jones D., Ogino S., Samowitz W., Gulley M.L., Edwards R. et al. CpG Methylation Analysis–Current Status of Clinical Assays and Potential Applications in Molecular Diagnostics. J Mol Diagn 2009; 11(4): 266–278. DOI: 10.2353/jmoldx.2009.080125
14. Qin X., Xu J., Zhong Y. Multidisciplinary Management of Liver Metastases in Colorectal Cancer. Clin Translat Oncol 2020; 22(5): 647–662
15. Erny G.L., Acunha T., Simó C., Cifuentes A., Alves A. Background correction in separation techniques hyphenated to high-resolution mass spectrometry — thorough correction with mass spectrometry scans recorded as profile spectra. J Chromatography A 2017; 1492: 98–105. DOI: 10.1016/j.chroma.2017.02.052
16. Yasuda Y., Matsumoto J., Miura K., Hasegawa N., Hashimoto R. Genetics of autism spectrum disorders and future direction. J Hum Genet 2023; 68: 193–197. DOI: 10.1038/s10038–022–01076–3
17. Min J.L., Hemani G., Hannon E., Dekkers K.F., Castillo-Fernandez J., Luijk R. et al. Genomic and phenotypic insights from an atlas of genetic effects on DNA methylation. Nat Genet 2021; 53(9): 1311–1321. DOI: 10.1038/s41588–021–00923-x
18. Duffney L.J., Valdez P., Tremblay M.W., Cao X., Montgomery S., McConkie-Rosell A., Jiang Y.-H. Epigenetics and Autism Spectrum Disorder: A Report of an Autism Case with Mutation in H1 Linker Histone HIST1H1E and Literature Review. Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet 2018; 177: 426–433. DOI: 10.1002/ajmg.b.32631
19. Williams L.A., LaSalle J.M. Future Prospects for Epigenetics in Autism Spectrum Disorder. Mol Diagn Ther 2022; 26: 569–579. DOI: 10.1007/s40291–022–00608-z
20. Jin Y., Allen E.G., Jin P. Cell-free DNA methylation as a potential biomarker in brain disorders. Epigenomics 2022; 14: 369–374. DOI: 10.2217/epi-2021–0416
21. Alshamrani A.A., Alshehri S., Alqarni S.S., Ahmad S.F., Alghibiwi H., Al-Harbi N.O. et al. DNA Hypomethylation Is Associated with Increased Inflammation in Peripheral Blood Neutrophils of Children with Autism Spectrum Disorder: Understanding the Role of Ubiquitous Pollutant Di(2-ethylhexyl) Phthalate. Metabolites 2023; 13: 458. DOI: 10.3390/metabo13030458
22. Kurdyukov S., Bullock M. DNA Methylation Analysis: Choosing the Right Method. Biology. 2016; 5: 3. DOI: 10.3390/biology5010003
23. Araujo D.J., Anderson A.G., Berto S., Runnels W., Harper M., Ammanuel S. et al. FoxP1 orchestration of ASD-relevant signaling pathways in the striatum. Genes Dev 2015; 29(20): 2081–2096. DOI: 10.1101/gad.267989.115
24. Jensen D., Chen J., Turner J. A., Stephen J. M., Wang Y. P., Wilson T. W. et al. Epigenetic associations with adolescent grey matter maturation and cognitive development. Front Genet 2023; 14: 1222619. DOI: 10.3389/fgene.2023.1222619
25. Chau C.M., Ranger M., Sulistyoningrum D., Devlin A.M., Oberlander T.F., Grunau R.E. Neonatal pain and COMT Val158Met genotype in relation to serotonin transporter (SLC6A4) promoter methylation in very preterm children at school age. Front Behav Neuroscie 2014; 8: 409. DOI: 10.3389/fnbeh.2014.00409
26. Appleton A.A., Lester B.M., Armstrong D.A., Lesseur C., Marsit C.J. Examining the joint contribution of placental NR3C1 and HSD11B2 methylation for infant neurobehavior. Psychoneuroendocrinology 2015; 52: 32–42. DOI: 10.1016/j.psyneuen.2014.11.004
27. Andari E., Nishitani S., Kaundinya G., Caceres G.A., Morrier M.J., Ousley O. et al. Epigenetic modification of the oxytocin receptor gene: Implications for autism symptom severity and brain functional connectivity. Neuropsychopharmacology 2020; 45: 1150–1158. DOI: 10.1038/s41386–020–0610–6
28. Song X., Zhou X., Yang F., Liang H., Wang Z., Li R. et al. Association between prenatal bisphenol a exposure and promoter hypermethylation of CAPS2, TNFRSF25, and HKR1 genes in cord blood. Environ Res 2020; 190: 109996. DOI: 10.1016/j.envres.2020.109996
29. Kundakovic M., Gudsnuk K., Herbstman J. B., Tang D., Perera F.P., Champagne F.A. DNA methylation of BDNF as a biomarker of early-life adversity. Proc Natl Acad Sci USA 2015; 112(22): 6807–6813. DOI: 10.1073/pnas.1408355111
30. García-Ortiz M.V., de la Torre-Aguilar M.J., Morales-Ruiz T., Gómez-Fernández A., Flores-Rojas K., Gil-Campos M. et al. Analysis of Global and Local DNA Methylation Patterns in Blood Samples of Patients with Autism Spectrum Disorder. Front Pediatr 2021; 9: 685310. DOI: 10.3389/fped.2021.685310
31. Schneider E., Hajj N.E., Richter S., Roche-Santiago J., Nanda I., Schempp W. et al. Widespread differences in cortex DNA methylation of the “language gene” CNTNAP2 between humans and chimpanzees. Epigenetics 2014; 9(4): 533–545. DOI: 10.4161/epi.27689
32. Gallo R., Stoccoro A., Cagiano R., Nicolì V., Ricciardi R., Tancredi R. et al. Correlation among maternal risk factors; gene methylation and disease severity in females with autism spectrum disorder. Epigenomics 2022; 14(4): 175–185. DOI: 10.2217/epi-2021–0494
33. Verheij C., Bakker C.E., de Graaff E., Keulemans J., Willemsen R., Verkerk A.J.M. et al. Characterization and Localization of the FMR-1 Gene Product Associated with Fragile X Syndrome. Nature 1993; 363: 722–724. DOI: 10.1038/363722a0
34. Yang X., Li L., Chai X., Liu J. The association between ST-8SIA2 gene and behavioral phenotypes in children with autism spectrum disorder. Front Behav Neurosci 2022; 16: 929878. DOI: 10.3389/fnbeh.2022.929878
35. Zhao Y., Zhou C., Yu H., Zhang W., Cheng F., Yu H. et al. Association between the methylation of six apoptosis-associated genes with autism spectrum disorder. Mol Med Rep 2018; 18: 4629–4634. DOI: 10.3892/mmr.2018.9473
36. Jensen Peña C., Monk C., Champagne F.A. Epigenetic effects of prenatal stress on 11β-hydroxysteroid dehydrogenase-2 in the placenta and fetal brain. PloS One 2012; 7(6): e39791. DOI: 10.1371/journal.pone.0039791
37. Bahado-Singh R.O., Vishweswaraiah S., Aydas B., Mishra N.K., Yilmaz A., Guda C., Radhakrishna U. Artificial intelligence analysis of newborn leucocyte epigenomic markers for the prediction of autism. Brain Res 2019; 1724: 146457. DOI: 10.1016/j.brainres.2019.146457
38. Aspra Q., Cabrera-Mendoza B., Morales-Marín M.E., Márquez C., Chicalote C., Ballesteros A. et al. Epigenome-Wide Analysis Reveals DNA Methylation Alteration in ZFP57 and Its Target RASGFR2 in a Mexican Population Cohort with Autism. Children 2022; 9: 462. DOI: 10.3390/children9040462
39. Song Y.S., Lee Y.-S., Narasimhan P., Chan P.H. Reduced Oxidative Stress Promotes NF-κB-Mediated Neuroprotective Gene Expression after Transient Focal Cerebral Ischemia: Lymphocytotrophic Cytokines and Antiapoptotic Factors. J Cereb Blood Flow Metab 2007; 27: 764–775. DOI: 10.1038/sj.jcbfm.9600379
40. Bakulski K.M., Dou J.F., Feinberg J.I., Aung M.T., Ladd-Acosta C., Volk H.E. et al. Autism-Associated DNA Methylation at Birth From Multiple Tissues Is Enriched for Autism Genes in the Early Autism Risk Longitudinal Investigation. Front Mol Neurosci 2021; 14: 775390. DOI: 10.3389/fnmol.2021.775390
41. Nagarajan R.P., Hogart A. R., Gwye Y., Martin M.R., LaSalle J.M. Reduced MeCP2 expression is frequent in autism frontal cortex and correlates with aberrant MECP2 promoter methylation. Epigenetics 2006; 1(4): e1–11. DOI: 10.4161/epi.1.4.3514
42. Jiang Y.-H., Sahoo T., Michaelis R.C., Bercovich D., Bressler J., Kashork C.D. et al. A mixed epigenetic/genetic model for oligogenic inheritance of autism with a limited role for UBE3A. Am J Med Genet A 2004; 131(1): 1–10. DOI: 10.1002/ajmg.a.30297
43. Stoccoro A., Gallo R., Calderoni S., Cagiano R., Muratori F., Migliore L. et al. Artificial neural networks reveal sex differences in gene methylation; and connections between maternal risk factors and symptom severity in autism spectrum disorder. Epigenomics 2022; 14: 1181–1195. DOI: 10.2217/epi-2022–0179
44. Wheeler A.C., Mussey J., Villagomez A., Bishop E., Raspa M., Edwards A. et al. DSM-5 Changes and the Prevalence of Parent-Reported Autism Spectrum Symptoms in Fragile X Syndrome. J Autism Dev Disord 2015; 45: 816–829. DOI: 10.1007/s10803–014–2246-z
45. Nardone S., Sams D.S., Zito A., Reuveni E., Elliott E. Dysregulation of Cortical Neuron DNA Methylation Profile in Autism Spectrum Disorder. Cereb Cortex 2017; 27(12): 5739–5754. DOI: 10.1093/cercor/bhx250
46. Baudouin S.J., Gaudias J., Gerharz S., Hatstatt L., Zhou K., Punnakkal P. et al. Shared synaptic pathophysiology in syndromic and nonsyndromic rodent models of autism. Science 2012; 338(6103): 128–132. DOI: 10.1126/science.1224159
47. Provenzi L., Fumagalli M., Sirgiovanni I., Giorda, R., Pozzoli U., Morandi F. et al. Pain-related stress during the Neonatal Intensive Care Unit stay and SLC6A4 methylation in very preterm infants. Front Behav Neuroscie 2015; 9: 99. DOI: 10.3389/fnbeh.2015.00099
48. Devlin A.M., Brain U., Austin J., Oberlander T.F. Prenatal exposure to maternal depressed mood and the MTHFR C677T variant affect SLC6A4 methylation in infants at birth. PloS One 2010; 5(8): e12201. DOI: 10.1371/journal.pone.0012201
49. Folger A.T., Ding L., Ji H., Yolton K., Ammerman R.T., Van Ginkel J.B., Bowers K. Neonatal NR3C1 Methylation and Social-Emotional Development at 6 and 18 Months of Age. Front Behav Neuroscie 2019; 13: 14. DOI: 10.3389/fnbeh.2019.00014
50. Lester B.M., Marsit C.J., Giarraputo J., Hawes K., LaGasse L.L., Padbury J.F. Neurobehavior related to epigenetic differences in preterm infants. Epigenomics 2015; 7(7): 1123–36. DOI: 10.2217/epi.15.63
51. Rijlaarsdam J., van IJzendoorn M.H., Verhulst F.C., Jaddoe V.W.V., Felix J.F., Tiemeier H., Bakermans-Kranenburg M.J. Prenatal stress exposure, oxytocin receptor gene (OXTR) methylation, and child autistic traits: The moderating role of OXTR rs53576 genotype. Autism Res 2017; 10: 430–438. DOI: 10.1002/aur.1681
52. Grove T. B., Burghardt K. J., Kraal A. Z., Doughert R. J., Taylor S. F., Ellingrod V.L. Oxytocin Receptor (OXTR) Methylation and Cognition in Psychotic Disorders. Molr Neuropsychiatry. 2016; 2(3): 151–160. DOI: 10.1159/000448173
53. Provenzano G., Pangrazzi L., Poli A., Corsi M. Role of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in autism spectrum disorders. J Clin Med 2019; 8(5): 627. DOI: 10.3390/jcm8050627
54. Connor S.A., Wang Y.T. A Place at the Table: LTD as a mediator of memory genesis. Neuroscientist 2016; 22(4): 359–371. DOI: 10.1177/1073858415588498
55. Nguyen A., Rauch T.A., Pfeifer G.P., Hu V.W. Global methylation profiling of lymphoblastoid cell lines reveals epigenetic contributions to autism spectrum disorders and a novel autism candidate gene, RORA, whose protein product is reduced in autistic brain. FASEB J 2010; 24(8): 3036–3051. DOI: 10.1096/fj.10–154484
56. Gallo R., Stoccoro A., Cagiano R., Nicolì V., Ricciardi R., Tancredi R. et al. Correlation among maternal risk factors; gene methylation and disease severity in females with autism spectrum disorder. Epigenomics 2022; 14(4): 175–185. DOI: 10.2217/epi-2021–0494
57. Lopez S.J., Dunaway K., Islam M.S., Mordaunt C., Ciernia A.V., Meguro-Horik M. et al. UBE3A-mediated regulation of imprinted genes and epigenome-wide marks in human neurons. Epigenetics 2017; 12(11): 982–990. DOI: 10.1080/15592294.2017.1376151
58. Булекбаева Ш.А., Байдарбекова А.К., Тлеулинова Р.Р., Абдрахманова У.Ш., Алтынбекова А.Ж. Реабилитация детей с расстройствами аутистического спектра: разносторонняя оценка проблем и триггерных факторов для работы мультидисциплинарной команды. Kazakh J Phys Med & Rehab 2019; 2 (27): 4–14.
59. Shahmoradi L., Rezayi S. Cognitive rehabilitation in people with autism spectrum disorder : a systematic review of emerging virtual reality-based approaches. J NeuroEngineering Rehabil 2022; 19: 91. DOI: 10.1186/s12984–022–01069–5
60. Kalra R., Gupta M., Sharma P. Recent advancement in interventions for autism spectrum disorder : A review. J Neurorestoratol 2023; 11(3): 100068. DOI: 10.1016/j.jnrt.2023.100068
Рецензия
Для цитирования:
Глотов О.С., Чернов А.Н., Cучко П.A., Эйсмонт Ю.А., Майорова Л.А. Формирование когнитивных процессов у детей с аутизмом. Часть I. Эпигенетические механизмы. Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2024;69(1):34-44. https://doi.org/10.21508/1027-4065-2024-69-1-34-44
For citation:
Glotov O.S., Chernov A.N., Suchko P.A., Eismont Yu.A., Mayorova L.A. Formation of cognitive processes in children with autism. Part I. Epigenetic mechanisms. Rossiyskiy Vestnik Perinatologii i Pediatrii (Russian Bulletin of Perinatology and Pediatrics). 2024;69(1):34-44. (In Russ.) https://doi.org/10.21508/1027-4065-2024-69-1-34-44