От человеческого генома к человеческому поведению: как далеко мы ушли ? Professor Ian Craig Профессор Яан Крейг Education Coummity Комиссия по образованию Human Genome Organisation, Всемирной организации HUGO по изучению генома человека Social Genetic and Developmental Centre Institute of Psychiatry London

The early days at a mental asylum (Bethlem Royal Hospital, London) Королевская больница Бедлам в Лондоне – одна из первых психиатрических больниц

Behaviours that run in families Поведенческие признаки передающиеся на семейном уровне Huntingtons disease Alzheimers disease Manic depression Schizophrenia Intelligence Moral beliefs Болезнь Генгтинтона Болезнь Альцгаймера Маниакальная депрессия Шизофрения Интеллект Моральные убеждения

Медицинские данные: для ближайших родственников риск в 80 раз выше, чем для общей популяции, но эти признаки наследуются сложным образом Attending medical school the risk for first degree relatives is eighty times that for the general population But obviously not a simple genetic trait

Genetic Relationships and Risk of Schizophrenia Генетическое родство и риск шизофрении Unrelated Неродственники Second Degree Кузены First Degree Родители-дети Fraternal Twins Неидентичнные близнецы Identical Twins Идентичнные близнецы Относительный риск %Относительный риск % 1% 25% 50% 50% 100% С т е п е н ь р о д с т в а, %

Careful comparison of the extent of similarity between identical (monozygous) twins and between fraternal (dizygous) twins allows an estimate of the extent to which genetic factors rather than environmental factors are responsible for behaviours. Сопоставление сходства между парами идентичных близнецов и парами неидентичных близнецов позволяет оценить степень влияния генетических и средовых факторов на исследуемые признаки.

Amount of variation which is genetic (heritability) for various traits: Вклад наследственности в формирование различных признаков: Депрессия 40-70% Depression Когнитивные функции/ Интеллект50% Когнитивные функции/ Интеллект 50% (подростки) Cognition/Intelligence (adolescents) Шизофрения 80% Schizophrenia Синдром гиперактивности 75% с нарушением внимания Attention Deficit & Hyperactivity Disorder (ADHD)

The genetic contribution for most behaviours is thought to come from many genes – each with small effect – they are called Quantitative Trait Loci, QTLs: Each gene can have more than one form (alleles) and an individual may have two identical or two different versions of each gene Предполагается, что большинство поведенческих признаков зависит от многих генов, каждый из которых оказывает небольшое влияние на признак. Такие гены называются локусами количественных признаков (ЛКП): Каждый ген может иметь более одного варианта (аллеля), и каждый индивид может иметь два одинаковых или два разных варианта каждого гена

Model of complex traits such as intelligence and behaviours Low Mean = 100 High Intelligence Scores Number of people with Given IQ Число людей с данным IQ Распределение количественных признаков, таких как интеллект и поведение Значение IQ

Model of complex traits such as intelligence and behaviours Распределение аллелей, контролирующих сложные признаки: интеллект и поведение Аллели интеллекта high allele high allele«Высокий» low allele «Низкицй» low allele «Низкицй» Low extremePopulation mean High Extreme Низкий Средний в популяции Высокий TRAIT SCORES Уровень интеллекта

QTLs and complex traits Локусы количественных признаков и генетический контроль сложных признаков Environmental Variance Genetic variance QTL EFFECTS Вклад отдельных локусов Среда Наследственность

How do environment and genes interact? Дорожно- транспортые происшествия ENVIRONMENTAL GENETIC' Муковисцидоз Болезнь Гентингтона Гемофилия Отравления Рак Диабет II типа Aстма ФКУ Инфаркт Депрессия Poisoning Asthma Type II diabetes CancerPKU Heart attack Depression Как взаимодействуют среда и гены? «Среда» «Гены» Cystic fibrosis Huntington Disease Haemophilia Vehicle accidents

G ene Hunting for Behaviours Охота за генами, влияющими на поведение 1. Прослеживание наследования признаков и хромосомных маркеров у родственников - Анализ сцепления 1. Follow behaviours and chromosome markers in families - Linkage

Gene Hunting for Behaviours Охота за генами, влияющими на поведение 2. Изучение различий характеристик ДНК между группой индивидов с данным признаком (случаем) и группой случайных индивидов (контроль) – Анализ ассоциаций 2. Examine overall differences in chromosomal DNA patterns between groups of affected individuals (cases) and normal individuals (controls) – Association

The Human Genome Project has provided an amazing array of markers across all of the chromosomes and allowed us to choose specific candidate genes to study behaviours. The next few slides remind us of the sorts of DNA markers available and the genes that might be particularly worth examining in context of behavioural disorders. Проект «Геном человека» предоставил огромное количество маркеров на всех хромосомах и позволил нам выбирать конкретные гены-«кандидаты» для изучения поведенческих признаков. Следующие несколько слайдов описывают типы используемых маркеров ДНК и гены – кандидаты, исследуемые в контексте поведенческих расстройств.

The Nature of DNA markers SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) Single base pair substitutions Generally two versions (alleles) for each gene Probably stable and ancient Every few hundred base pairs > c. 2 million /genome Типы маркеров ДНК Однонуклеотидные полиморфизмы (SNPs) Замена одного нуклеотида Представлены двумя варианта (аллеля) каждого гена Вероятно, стабильные и древние Встречаются ~1/1000 нуклеотидов Всего > 7-10 миллионов SNPs в геномах людей

The Nature of DNA markers SSRs (Simple sequence repeats (microsatellites) Most common are dinucleotide repeats e.g. (ACACACACACACetc ) – but also repeating motifs of three, four and more bases. Highly variable About 1,000,000 per genome Типы маркеров ДНК SSRs Простые повторы (микросателлиты) Самые распространненые – динуклеотидные повторы, например (ACACACACACAC), а также три – и тетрануклеотидные повторы. Высокая вариабельность (множество аллелей) Около 1,000,000 на геном

I intend to show how genes involved in neurone activity in the brain can effect behaviours such as: Antisocial Behaviour/Aggression Depression And, if time: Attention Deficit & Hyperactivity (ADHD) Я покажу, как гены, участвующие в работе нервных клеток мозга, могут влиять на такие формы поведения как: Антисоциальное поведение/Агрессия Депрессия и (если позволит время) Синдром гиперактивности с дефицитом внимания

Serotonin (5-HT) пресинаптический нейрон постсинаптический нейрон SERT: обратное поглощение серотонина Серотонин серотонин Серотонин (5-HT) Serotonin Transporter (SERT) Транспортер серотонина (SERT) Синапс нервной клетки мозга инактивация серотонина (Моноаминоксидаза A, MAOA) Постсинаптически е рецепторы

The dopamine neurone is similar Presynaptic Neurone makes and releases Dopamine Пресинаптический нейрон производит и освобождает дофамин Postsynaptic Neurone Receptors are stimulated by dopamine Постсинаптический нейрон: дофамин стимулирует рецепторы нейрона reuptake Обратное поглощение Передача сигнала в нейроне с помощью дофамина происходит сходным образом Дофамин Dopamine

Many genes involved in controlling dopamine and serotonin mediated transmission in the brain can have different forms – Some versions work better than others! Многие гены, контролирующие работу дофамина и серотонина, т.е. передачу нервных импульсов в мозге, представлены разными вариантами (аллелями) Одни варианты более чувствительны, чем другие!

Different individuals can have different combinations of the gene versions e.g. High//High High//Low Low//Low Разные люди могут иметь разные сочетания вариантов генов, определяющих чувствительность рецепторов Например: Высокая/Высокая Высокая/Низкая Низкая/Низкая

Both serotonin (5-HT) and dopamine are involved in a wide range of functions, e.g. motor control, emotion, learning, reward mechanisms and memory Как серотонин, так и дофамин участвуют в широком ряде функций, например: моторный контроль, эмоции, обучение, механизмы вознаграждения и память

We chose to look at three genes involved in behaviour in a longitudinal study of about 1,000 individuals: Monoamine oxidase, Serotonin Transporter and Tyrosine hydroxylase Мы выбрали три гена для изучения в продолжительном исследовании примерно 1000 человек: Моноаминоксидаза, Транспортер серотонина, Тирозин гидроксилаза

The Dunedin Multidisciplinary Health and Development Study All individuals born in Dunedin, NZ, April 1 st 1972 – March 31 st 1973 Все люди, рожденные в Данедине, Новая Зеландия, с 1-го апреля 1972 по 31-е марта 1973 Examined at birth and then at ages 3,5,7,9,11,13,15,18 and 26. Обследованы сразу после рождения и затем в возрасте 3,5,7,9,11,13,15,18 и 26 лет. DNA collected Проанализирована их ДНК

Analysis Phase I Анализ Фаза I Antisocial behavior and Monoamine Oxidase A Антисоциальное поведение и Моноаминокисдаза A

Evidence for involvement of MAOA in antisocial behavior Defective gene in a Dutch Family Данные, подтверждающие участие MAOA в антисоциальном поведении Дефектный ген в голландской семье

Affected males show antisocial behaviour, commit arson and inappropriate sexual contacts with family members. Больные мужчины демонстрируют антисоциальное поведение, такое как попытки поджога и неприемлемых сексуальных контактов с членами семьи Affected males have a mutation in their MAOA gene which prevents it working MAOA gene is on the X-chromosome and males only have one copy У больных мужчин найдена мутация, инактивирую- щая ген MAOA Ген MAOA находится на хромосоме X; у мужчин только одна копия

More evidence for involvement of MAOA in antisocial behavior Дополнительные свидетельства влияния гена моноаминоксидазы на антисоциальное поведение Gene Knocked Out in Mice (Cases et al 1995) Генный нокаут у мышей Video courtesy of Frans Schluyter На видео – разные типы агрессии у генетически различных линий мышей

The monoamine oxidase A gene, MAOA 5 3 Coding regions БЕЛОК-КОДИРУЮЩИЙ УЧАСТОК 90,000 пар нуклеотидов Промотор (контролирует активность гена) Promoter region (controls gene activity) 30 bp repeat (VNTR) 3 copies (low activity) 4 copies (high activity)) Ген моноаминоксидазы A, MAOA 30 нуклеотидный повтор (VNTR) 3 копии (высокая активность) 4 копии (низкая активность) содержит

Анализ генотипов MAOA

Роль генотипа MAOA в агрессивном поведении детей, растущих в неблагоприятных условиях

None Нет Probable Вероятны Severe Значительны % of study members Exposure to childhood maltreatment as a function of MAOA activity Childhood maltreatment Низкая активность Low activity Высокая активность High activity Неблагоприятные условия в детстве Неблагоприятные условия в детстве и распределение активности гена MAOA

MAOA promoter VNTR allele and conviction of a violent crime 27 (60%)252 (63%) High Высокая activity активность 18 (40%)145 (37%) Low Низкая activity активность 1+ conviction, n = 45 No conviction, n = 397 Нет приговора MAOA Gene type No significant differences VNTR аллели промотора MAOA и приговор за совершение преступления нет существенной разницы >1 приговора

MAOA and antisocial behavior – interaction between a gene and stress Childhood maltreatment is a well-documented environmental risk for adult antisocial behavior Плохое обращение в детстве - известный средовой фактор риска антисоциального поведения Assessment of - Это: Physical abuse – Избиение Sexual abuse – Сексуальное насилие Change of primary care-giver Смена родителя Harsh discipline – Жесткая дисциплина Rejecting mother – Мать, отвергающая ребенка MAOA и антисоциальное поведение – взаимодействие между генами и стрессом

Childhood maltreatment (ages 3-11 years) Неблагоприятные условия в детстве (3-11 лет) Observations of mothers behaviour (age 3) Parental reports of harsh discipline (ages 7-9) Multiple caregiver changes (through age 11) Physical harm (retrospective report) Unwanted sexual contact (retrospective report) Наблюдения за поведением матери (3 год) Сообщения родителей о строгой дисциплины (7-9 лет) Физические наказание (ретроспективное свидетельство) Принудительный сексуальный контакт (ретроспективное свидетельство)

Childhood maltreatment (ages years) For each Study child, we derived a cumulative exposure index by summing the number of maltreatment experiences reported during the first decade of life. % Maltreatment Неблагоприятные условия в детстве (возраст лет) Ухудшение условий ->

Interaction (b = -0.24, SE = 0.15, t = 1.62, p = 0.10) П MAOA, childhood maltreatment and personality disposition towards violence The disposition toward violence at high maltreatment is higher if MAOA activity is low Interaction (b = -0.24, SE = 0.15, t = 1.62, p = 0.10) П редрасположенность к агрессии после неблагоприятных условий в детстве выше при низкой активности гена МАОА Активность гена МАОА НИЗКАЯ ВЫСОКАЯ Неблагоприятные условия: Нет Есть Значительны Предрасположенность к агрессии

MAOA, childhood maltreatment and Conduct Disorder MAOA, неблагоприятные условия в детстве и нарушения поведения Interaction (b = -0.63, SE = 0.33, z = 1.87, p = 0.06)

Conviction of a violent crime by age 26 Court records searched for all Study members 25% of Study males received 987 criminal convictions 11% of Study males received 172 convictions for violent crimes Среди исследованных мужчин: 25% получили 987 приговоров 11% и получили 172 приговора за серьезные преступления Common assault Assault with intent to injure Manslaughter Rape Indecent assault on female Aggravated cruelty to animal Судебный приговор за серьёзное преступление к 26 годам Нападение Нападение с целью нанесения повреждений Убийство Изнасилование Нападение на женщину Жестокость по отношению к животным

Индекс антисоциального поведения Плохое обращение в детстве НЕТ ЕСТЬ ЗНАЧИТЕЛЬНО Активность МАОА НИЗКАЯ ВЫСОКАЯ

Conclusions The high activity version of the monoamine oxidase gene (MAOA) protects males against abusive childhood outcomes. Males with the low activity form are more likely to be aggressive and violent if they experience adverse early life events. Such important conclusions require confirmation Заключение Высоко-активный вариант гена моноаминоксидазы (MAOA) защищает людей мужского пола от последствий неблагоприятных условий в детстве. У людей мужского пола с низко-активным вариантом больше вероятности стать агрессивными, если они испытали неблагоприятные условия в детстве. Эти важные выводы нуждаются в подтверждении

Archives of General Psychiatry July 2004

MAOA Gene Promoter Variation and Rearing Experience Influences Aggressive Behavior in Rhesus Monkeys Вариации активности промотора гена МАОА и предшествующий опыт влияют на агрессивное поведение у макак резус Timothy K. Newman 1, Yana Syagailo 2, Christina S. Barr 1, Jens Wendland 2, Maribeth Champoux 3, Markus Graessle 2, Stephen J. Suomi J. Dee Higley Klaus-Peter The laboratories of the last three authors contributed equally and authorship order should be considered interchangeable. Biol Psych – In Press (детский опыт)

Участок, контролирующий работу гена МАОА Вариации по длине участка

Взрощен матерью/ Детсво с матерью/ Воспитан матерью Взрощен сверстниками/ Детсво со сверстниками/ Воспитан сверстниками

Мы нашли ген человеческой агрессии !!

Influence of Life Stress on Depression: Moderation by variation in the Serotonin Transporter Gene Analysis Phase II Влияние жизненных стрессов на депрессию: влияние вариаций в гене транспортера серотонина

What is the relationship between stressful life events and depression? Stressful Life Events (SLEs) are known to influence the onset and course of depression But, not all individuals who experience SLEs succumb to a depressive episode Известно, что пережитый стресс влияет на развитие депрессии Но не у всех людей, переживших стрессовые ситуации, появляется депрессия. Каковы взаимоотношения между стрессовыми событиями и депрессией?

Serotonin (5-HT) пресинаптический нейрон постсинаптический нейрон инактивация серотонина (MAOA) re-uptake (SERT / 5HTT) 5-HT / серотонин 5-HT Серотонин (5HT) Serotonin Transporter (5-HTT) Транспортер серотонина (SERT) Синапс нервной клетки мозга

The serotonin transporter gene From Lesch and M Ö ssner Biol. Psychiatry, 1998 Ген транспортера серотонина (Высокая активность) (Низкая активность)

The serotonin transporter (SERT) has been linked to stress response and anxiety in various studies Имеются данные нескольких исследований, связывающие транспортер серотонина (SERT) с реакцией на стрессы и тревожным состоянием –mice with defective SERT gene respond very anxiously to stress (Murphy et al, Brain Res. Bull., 2001) –Rhesus macaques with low activity gene show increased sensitivity to stress in rearing environment (Bennett et al, Mol. Psychiatry, 2002) –Мыши с дефективным SERT геном реагируют на стресс с повышенной тревожностью –Макаки Резус с низко-активным геном демонстрируют повышенную чувствительность к стрессу в среде, где они растут

Five groups of individuals having different numbers of life events, ages Self reports of depression symptoms, age 26 5-HTT gene The association between Stressful Life Events and self-reports of depression symptoms at age 26, as a function of SERT genotype Ассоциация между случаями стрессовых событий и частотой самодиагноза «депрессия» к возрасту 26 лет в зависимости от генотипа SERT низко-активный ген (2 копии) высоко-активный ген (2 копии) Увеличивающееся число негативных событий в возрасте > Самодиагноз Депрессии

Five groups of individuals having different numbers of life events, ages Probability of suicide ideation/attempt, age 26 5-HTT gene The association between Stressful Life Events and suicide attempt/ideation at age 26, as a function of 5-HTTLPR genotype Ассоциация между случаями стрессовых событий и частотой попыток/предположений суицида к возрасту 26 лет в зависимости от генотипа SERT высоко-активный ген (2 копии) низко-активный ген (2 копии) Увеличивающееся число негативных событий в возрасте > Вероятность попытки самоубийства

Three groups of childhood maltreatment, ages 3-11 Probability of major depression episode, ages HTT gene The association between childhood maltreatment and adult depression, as a function of SERT Вэаимосвязь между неблагоприятными условиями в детстве и депрессией во взрослом возрасте, как функция SERT Ухудшение условий -> Вероятность депрессивного эпизода в возрасте низко-активный ген (2 копии) высоко-активный ген (2 копии)

SERT gene Conclusions Знание варианта гена SERT у человека в сочетании с пережитым стрессом позволяет предсказывать склонность к депрессии Влияние гена SERT на вероятность возникновения депрессии продолжается в течении всей жизни The SERT gene interacts with Stressful Life Events (SLEs) to predict susceptibility to depression Interaction is specific for SERT and depressive outcome, and persists across the life course.

Replication PNAS Nov/Dec 2004 Подтверждение

Replication in Rhesus Macaques Proc Nat Acad Sci USA Aug 2004 Подтверждение на макаках резус Полоспецифичность реакции на неблагоприятные условиями в детстве и вариантом промотора гена транспортера серотонина у макак Резус

Overall Conclusions Сегодня мы можем находить гены, играющие значительную роль в детерминации как агрессивного, так и депрессивного поведения. Однако их влияние очевидно только при учёте жизненных событий Удивительно, что варианты генов обнаруженные у человека, проявляются аналогично и у других приматов We can now identify genes which can play a significant role in determining both aggressive and depressive behaviours. However, their effects can only be easily seen if life events are taken into consideration Amazingly, the forms of the genes seen in humans appear to have counterparts in other primates (Rhesus macaques).

And Joseph McClay (who was always late for lab meetings)