Где-то от 24 до 50 миллионов американцев страдают аутоиммунным заболеванием — состоянием, при котором иммунная система атакует наши собственные ткани. Из них четверо из пяти — женщины.
Ревматоидный артрит, рассеянный склероз и склеродермия являются примерами аутоиммунных заболеваний , характеризующихся неравномерным соотношением женщин и мужчин. Соотношение для волчанки составляет 9:1; для синдрома Шегрена — 19:1.
Ученые из Стэнфордского медицинского университета и их коллеги связали это несоответствие с самой фундаментальной особенностью, отличающей биологических самок млекопитающих от самцов, что, возможно, прокладывает путь к лучшему способу прогнозирования аутоиммунных заболеваний до их развития.
«Как практикующий врач, я вижу много пациентов с волчанкой и склеродермией, потому что эти аутоиммунные заболевания проявляются на коже», — сказал Говард Чанг, доктор медицинских наук, профессор дерматологии и генетики и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Подавляющее большинство этих пациентов — женщины».
Чанг, профессор исследований рака из Вирджинии и ДК Людвига и директор программы РНК-медицины, является старшим автором исследования, опубликованного в Cell . Ее ведущим автором является ученый, занимающийся фундаментальными исследованиями жизни, Диана Доу, доктор философии.
Тишина второго Х
У женщин слишком много хорошего: это Х-хромосома.
Во всем царстве млекопитающих биологический пол определяется наличием в каждой женской клетке двух Х-хромосом. Мужские клетки содержат только одну Х-хромосому в паре с гораздо более короткой хромосомой, называемой Y-хромосомой.
Короткая Y-хромосома содержит лишь несколько активных генов. Без Y-хромосомы вполне возможно прожить полноценную жизнь. Фактически, более половины людей на Земле — женщин — не имеют Y-хромосомы и чувствуют себя прекрасно. Но ни одна клетка млекопитающих, мужская или женская, не может выжить без хотя бы одной копии Х-хромосомы, которая содержит многие сотни активных генов, определяющих белок .
Тем не менее, наличие двух Х-хромосом может привести к образованию в каждой женской клетке вдвое большего количества белков, определенных Х-хромосомой, но не Y-хромосомой. Такое массовое перепроизводство такого количества белков было бы смертельным.
Природа разработала умный, хотя и сложный способ обхода проблемы, называемый инактивацией Х-хромосомы. На ранних этапах эмбриогенеза каждая клетка зарождающейся самки млекопитающего принимает независимое решение отключить активность одной или другой из двух своих Х-хромосом. Как только это решение принято, оно передается потомству этих клеток развивающегося плода. Таким образом, в женской клетке вырабатывается одинаковое количество каждого белка, специфичного для Х-хромосомы, и в мужской клетке.
Как обнаружили исследователи, инактивация Х-хромосомы может привести к аутоиммунным расстройствам, но эти расстройства могут быть вызваны и другими факторами, поэтому они иногда развиваются у мужчин.
Отличный эквалайзер
Инактивация Х-хромосомы достигается благодаря молекуле под названием Xist. Ген Xist присутствует на всех Х-хромосомах, включая одну мужскую клетку. Но сам Xist вырабатывается только тогда, когда Х-хромосома, на которой находится его ген, входит в состав совпадающей пары XX — и производится и развертывается только на одном члене этой пары.
Xist состоит из РНК, вещества, наиболее известного как простодушный посланник, который передает инструкции генов по созданию белков внутриклеточным машинам, которые их производят. Однако РНК может сделать гораздо больше, чем просто передавать генетическую информацию.
Существует столько же различных типов так называемых длинных некодирующих молекул РНК (днРНК) — длинных участков РНК, которые не несут инструкций по созданию белков, — сколько разновидностей РНК, кодирующих белки. Эти молекулы днРНК могут располагаться на участках хромосом и изменять вероятность того, что клеточный механизм, отвечающий за чтение генов в этих местах, сделает это.
Xist, тип днРНК, намного длиннее большинства других. Xist покрывает длинные участки одной из двух Х-хромосом клеток самки млекопитающих (но всегда только одной), сокращая выходной сигнал этой хромосомы до нуля или близко к нему. Другая Х-хромосома, оставленная нетронутой, вырабатывает ровно столько инструкций, закодированных РНК, чтобы клетка продолжала работать.
Но внедрение Xist в дополнительную Х-хромосому порождает странные комбинации днРНК, белков, которые с ней связываются, других белков, которые связываются с этими белками, и ДНК, за которую цепляются некоторые из этих белков. Эти комплексы могут вызвать сильный иммунный ответ, как выяснили Чанг и его коллеги.
В 2015 году группа Чанга идентифицировала около 100 белков, которые либо связывались с Xist, либо связывались с этими белками, что в совокупности позволило этой молекуле закрепиться вдоль ген-специфицирующих областей Х-хромосомы.
Изучая этот «список деталей» Xist, Чанг понял, что многие из белков-партнеров Xist, как известно, связаны с аутоиммунными расстройствами. Могут ли комплексы РНК-белок-ДНК, образующиеся в ходе инактивации Х-хромосомы, вызывать печально известный высокий уровень аутоиммунитета у женщин по сравнению с мужчинами? Этот вопрос стал толчком для нового исследования.
Что, если мужчины создали Ксист?
Чтобы устранить возможные конкурирующие причины, такие как действие женских гормонов или аномальное производство белка предположительно замолчавшей второй Х-хромосомой, исследователи бросили мяч Xist на площадку для мужчин. Они вшили ген Xist в геномы двух разных линий лабораторных мышей-самцов. Один штамм весьма восприимчив к аутоиммунным симптомам, имитирующим волчанку, причем женщины более восприимчивы, чем мужчины. Другой сопротивляется этому.
Вставленный ген Xist был модифицирован двумя способами. Его можно было включить или выключить химическими средствами, выкачивая Ксист только тогда, когда этого хотели ученые. Ген Xist также был немного изменен, чтобы его РНК-продукт больше не подавлял гены хромосомы самца мыши, в которую он был вшит.
Простое введение модифицированного гена Xist не оказало заметного эффекта на мышей. Но Xist, полученный из вставленного гена, как только этот ген был активирован, все еще образовывал характерные комплексы почти со всеми белками, которые, как было обнаружено ранее, тесно сотрудничали с Xist.
Теперь ученые могли бы задаться вопросом: является ли биоинженерный самец мыши, которого уговорили производить Xist, более склонным к аутоиммунитету, чем нормальный самец мыши, который никогда его не производит, или самец, в которого ген Xist был встроен, но не активирован?
Введя раздражитель, который, как известно, вызывает волчаночно-подобное аутоиммунное состояние восприимчивой линии мышей, исследователи смогли сравнить его эффект на самцов, принимавших Xist, с его действием на нормальных самцов, которые ничего не делали.
У этих восприимчивых мышей у самцов, у которых был активирован ген Xist, развивался волчаночноподобный аутоиммунитет со скоростью, приближающейся к таковой у самок, и значительно чаще, чем у самцов, не подвергшихся биоинженерии.
Отсутствие аутоиммунитета у некоторых самок или самцов мышей, активированных Xist, в восприимчивой линии показало, что для получения аутоиммунитет катится.
В штамме, устойчивом к аутоиммунным заболеваниям, активации Xist у биоинженерных мышей-самцов было недостаточно, чтобы вызвать аутоиммунитет, что можно было предсказать на основании того факта, что в этом штамме даже у самок аутоиммунитет развивается редко. Это говорит о том, что для развития аутоиммунитета необходима не только активация Xist, но и соответствующий генетический фон.
Эти ограничения аутоиммунитета являются удачными, потому что, если бы их не было, все женщины были бы более восприимчивы к развитию иммунитета, отметил Чанг.
На пути к лучшей комиссии по скринингу аутоиммунитета
Ранним шагом в развитии аутоиммунитета является появление аутоантител: антител, нацеленных на собственные ткани или клеточные продукты. Аутоантитела к содержимому ядер клеток называются антиядерными антителами.
Тщательное исследование образцов крови примерно 100 пациентов с аутоиммунитетом показало наличие аутоантител ко многим комплексам, связанным с Xist.
Некоторые из этих аутоантител были специфичны к тому или иному аутоиммунному заболеванию, что указывает на их потенциальную полезность в выявлении конкретных возникающих аутоиммунных заболеваний до развития симптомов. Аутоантитела к другим белкам, ассоциированным с Xist, охватывают несколько заболеваний, что делает их возможными общими маркерами аутоиммунитета.
«Каждая клетка женского тела производит Ксист», — сказал Чанг. «Но в течение нескольких десятилетий мы использовали мужскую клеточную линию в качестве эталона. Эта мужская клеточная линия не производила ни Xist, ни комплексов Xist/белок/ДНК, и с тех пор другие клетки не использовались для теста. Итак, все Антитела к комплексу Xist у пациентки — огромный источник женской аутоиммунной восприимчивости — остаются незамеченными».
Исследователи из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса; Королевский технологический институт KTH в Стокгольме; и Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе внес свой вклад в эту работу.
