UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Jože KRIŽMAN
PRISTOPI PRIMERJALNE GENOMIKE V RAZISKAVAH GENETSKEGA OZADJA ANTISOCIALNEGA VEDENJA PRI ČLOVEKU
DIPLOMSKO DELO
Univerzitetni študij - 1. stopnja
Ljubljana, 2021
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Jože KRIŽMAN
PRISTOPI PRIMERJALNE GENOMIKE V RAZISKAVAH GENETSKEGA OZADJA ANTISOCIALNEGA VEDENJA PRI
ČLOVEKU
DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja
COMPARATIVE GENOMICS APPROACHES IN THE RESEARCH OF THE GENETIC BACKGROUND OF ANTISOCIAL BEHAVIOUR
B. SC. THESIS
Academic Study Programmes
Ljubljana, 2021
Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje Biotehnologija.
Študijska komisija 1. in 2. stopnje študija biotehnologije je za mentorja diplomskega dela imenovala doc. dr. Minja Zorc, za somentorja pa prof. dr. Petra Dovča.
Komisija za oceno in predstavitev:
Predsednik: prof. dr. Polona JAMNIK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo Član: doc. dr. Iztok PRISLAN
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo Član: doc. dr. Minja ZORC
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za zootehniko Član: prof. dr. Peter DOVČ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za zootehniko
Datum predstavitve: 3. 9. 2021
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1
DK UDK 601.4:577.21:575.111/.112:316.613.43(043.2)
KG antisocialno vedenje, pristopi primerjalne genomike, geni, agresija, živalski modeli AV KRIŽMAN, Jože
SA ZORC, Minja (mentorica), DOVČ, Peter (somentor) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije , Univerzitetni študijski program prve stopnje Biotehnologija
LI 2021
IN PRISTOPI PRIMERJALNE GENOMIKE V RAZISKAVAH GENETSKEGA OZADJA ANTISOCIALNEGA VEDENJA PRI ČLOVEKU
TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja) OP VI, 22, [4] str., 4 pregl., 2 sl., 1 pril., 96 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Antisocialno vedenje (AV) je vedenje, ki je v nasprotju s prevladujočimi pravili in normami in se kaže kot fizično in psihično nasilje, povzročanje materialne škode, kraja, vandalizem, spolna promiskuiteta, alkoholizem, uživanje prepovedanih substanc, odvisnost od iger na srečo, laganje, manipulacija in prevare. AV je pogosto povezano z drugimi oblikami vedenjskih in razvojnih motenj, kot so hiperaktivnost, depresija, motnje učenja in impulzivnost. Ker predstavljajo AV in z njim povezane posledice resen družbeni problem, so raziskave vzrokov in dejavnikov tveganja za AV zelo pomembne.
Politični, socialni in ekonomski dejavniki tveganja za AV so dobro raziskani, narašča pa tudi zanimanje za biološke dejavnike. Meta-analize študij AV pri dvojčkih in posvojencih so pokazale, da z genetsko komponento lahko razložimo tudi do 50%
fenotipske variance AV. Fenotip AV je heterogen in se pojavlja hkrati z drugimi vedenjskimi motnjami. Molekularno-genetske študije AV na ravni celotnega genoma kažejo, da gre za kompleksen fenotip, ki ga oblikuje več lokusov. V študijah kandidatnih genov so identificirali povezave med AV in genetskimi polimorfizmi dopaminergičnih genov (DAT1, DRD2, DRD4), serotonergičnih genov (5-HTTLPR) in genov za encime, ki razgrajujejo monoamine (COMT, MAOA). V študijah AV se kot možna strategija izkaže uporaba živalskega modela (miši), saj omogoča zasnovo študije z definiranim genotipom in s kontroliranim okoljem. Pri prašiču so polimorfizme gena MAOA povezali z agresijo, pri različnih skupinah pasem psov pa so v zaporedju MAOA identificirali razlike v frekvencah alelov.
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1
DC UDC 601.4:577.21:575.111/.112:316.613.43(043.2)
CX antisocial behaviour, comparative genomics approaches, genes, agression, animal models
AU KRIŽMAN, Jože
AA ZORC, Minja (supervisor), DOVČ, Peter (co-advisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Academic Study Programme in Biotechnology
PY 2021
TI COMPARATIVE GENOMICS APPROACHES IN THE RESEARCH OF THE
GENETIC BACKGROUND OF ANTISOCIAL BEHAVIOUR DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes)
NO VI, 22, [4] p., 4 tab., 2 fig., 1 ann., 96 ref.
LA sl AL sl/en
AB Antisocial behaviour is a type of behaviour that is contrary to predominant rules and norms and is exhibited as physical and psychological violence, causation of material damage, theft, vandalism, sexual promiscuity, alcoholism, substance abuse, gambling addiction, lying, manipulation and fraud. Antisocial behaviour is often linked to other forms of behavioural and developmental defects, as are hyperactivity, depression, learning disabilities, and impulsivity. Because antisocial behaviour and the defects linked to it represent a serious social problem, it’s important to research the causes and risk factors for it. Political, social and economic risk factors for antisocial behaviour are well known so there is an increasing attention directed to biological factors. Meta- analysis of antisocial behavioural twin and adoption studies have shown that the genetic component is responsible for 50 % of the phenotypic variance. Phenotype of antisocial behaviour is heterogeneous and appears alongside other behavioural defects. Genome - wide molecular-genetic studies of antisocial behaviour show that antisocial behaviour is a complex phenotype with multiple loci affecting it.. Multiple polymorphic candidate genes have been identified to have a link with antisocial behaviour, such as:
dopaminergic genes (DAT1, DRD2, DRD4) serotoninergic genes (5-HTTLPR) and genes that encode monoamine decomposition enzymes (COMT, MAOA). In antisocial behaviour studies animal models can be used, they allow us to design a study with a defined genotype in controlled environment (mouse). In pigs MAOA polymorphis m was linked to aggression, in various groups of dog breeds differences in allele frequency in MAOA sequence among different breeds were identified.
KAZALO VSEBINE
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III
KEY WORDS DOCUMENTATION IV
KAZALO VSEBINE V KAZALO PREGLEDNIC VI KAZALO SLIK VI
1 UVOD ...1
1.1 NAMEN RAZISKAVE IN HIPOTEZE ...1
2 PREGLED OBJAV ...2
2.1 ANTISOCIALNO VEDENJE ...2
2.1.1 Prevalenca antisocialne osebnostne motnje ...2
2.1.2 Heterogenost AV...2
2.1.3 Vpliv genetskih dejavnikov na razvoj AV ...3
2.2 PRISTOPI PREUČEVANJA AV ...3
2.2.1 Molekularno-genetski pristopi ...3
2.2.2 Statistično-genetski pristop ...4
2.2.3 Nevrogenetski pristop ...4
2.3 GENI IN BIOLOŠKE POTI, POVEZANE Z AV ...5
2.3.1 Biološke poti, povezane z AV ...5
2.3.2 Geni, povezani z AV ...7
3 METODE ...9
3.1 ZBIRANJE KANDIDATNIH GENOV ZA AV PRI ČLOVEKU ...9
3.2 IDENTIFIKACIJA POLIMORFIZMOV LOKUSA MAOA PRI PSU...9
3.3 ANALIZA PROMOTORSKE REGIJE MAOA PRI PSU ...9
4 REZULTATI ...9
4.1 KANDIDATNI GENI ZA AV PRI ČLOVEKU IN NJIHOVI ORTOLOGI PRI ŽIVALIH ...9
4.2 POLIMORFIZMI LOKUSA MAOA PRI PSU ... 10
4.3 POLIMORFIZMI V VEZAVNIH MESTIH TRANSKRIPCIJSKIH FAKTORJEV GENA MAOA PRI PSU ... 11
5 RAZPRAVA ... 14
6 ZAKLJUČEK ... 15
7 VIRI ... 16 ZAHVALA
PRILOGA
KAZALO PREGLEDNIC
Str.
Preglednica 1: Kandidatni geni za AV pri človeku in njihovi ortologi pri živalih 10 Preglednica 2: Število polimorfizmov v kodirajočih regijah MAOA v 722 vzorcih
psov in divjih kanidov 11
Preglednica 3: Polimorfizmi v možnih vezavnih mestih transkripcijskih faktorjev v promotorju MAOA, ki so variabilni pri divjih kanidih
12 Preglednica 4: Polimorfizmi v možnih vezavnih mestih transkripcijskih faktorjev
v promotorju MAOA, ki so variabilni pri psih 13
KAZALO SLIK
Str.
Slika 1: Biosintezna pot dopamina, serotonina, noradrenalina (norepinefrina) in adrenalina (epinefrina)
6 Slika 2: Mesta za vezavo transkripcijskih faktorjev promotorja gena MAOA pri psu
in polimorfna mesta, identificirana v 722 vzorcev psov in divjih kanidov
11
KAZALO PRILOG
Priloga A: Seznam pasem, pri katerih so SNP-ji lokusov X:37678219, X:37678239, X:37678721 polimorfni
1 UVOD
Antisocialno vedenje (AV) je vedenje, ki je v nasprotju s prevladujočimi pravili in normami, in se kaže kot fizično in psihično nasilje, povzročanje materialne škode, kraja, vandalizem, spolna promiskuiteta, alkoholizem, uživanje prepovedanih substanc, odvisnost od iger na srečo, laganje, manipulacija in prevare. AV je pogosto povezano z drugimi oblikami vedenjskih in razvojnih motenj, kot so hiperaktivnost, depresija, motnje učenja in impulzivnost (Viding in sod., 2008; Moffitt, 2018; Nilsson in sod., 2018). Ker predstavljajo AV in z njim povezane posledice resen družbeni problem, so raziskave vzrokov in dejavnikov tveganja za AV pomembne. Politični, socialni in ekonomski dejavniki tveganja za AV so dobro raziskani, narašča pa tudi zanimanje za biološke dejavnike (Viding in sod., 2008; Gard in sod., 2019).
Meta-analize študij AV pri dvojčkih in posvojencih so pokazale, da je z genetsko komponento možno razložiti tudi do 50 % fenotipske variance AV (Rhee in Waldman, 2002; Ferguson, 2010). Fenotip AV je heterogen in se pojavlja hkrati z drugimi vedenjskimi motnjami (Berg- Nielsen in Wichström, 2012). Molekularno-genetske študije AV na ravni celotnega genoma kažejo, da gre za kompleksen fenotip, ki ga oblikuje več lokusov z majhnim vplivom (Tielbeek in sod., 2017). V študijah kandidatnih genov so identificirali povezave med AV in genetskimi polimorfizmi dopaminergičnih genov (DAT1, DRD2, DRD4), serotonergičnih genov (5- HTTLPR) in genov za encime, ki razgrajujejo monoamine (COMT, MAOA). V študijah AV se kot možna strategija izkaže uporaba živalskega modela (miši) (Sluyter in sod., 2003), saj omogoča zasnovo študije z definiranim genotipom in kontroliranim okoljem. Pri prašiču so polimorfizme gena MAOA povezali z agresijo (Chen in sod., 2019), pri različnih skupinah pasem psov pa so v zaporedju MAOA identificirali razlike v frekvencah alelov (Sacco in sod., 2017).
1.1 NAMEN RAZISKAVE IN HIPOTEZE
Namen diplomske naloge je pregledati študijske pristope za preučevanje AV pri človeku in raziskati možnost uporabe primerjalne genomike pri raziskavah AV. Kandidatne lokuse za AV pri človeku bomo zbrali s pregledom literature in uporabo bioinformacijskih zbirk. Preverili bomo, s katerimi lastnostmi pri živalih (pes, miš, podgana, govedo, prašič in rdečelični makak) so povezani kandidatni geni za AV.
Postavili smo naslednje hipoteze:
1) Nekateri izmed genov, ki so pri človeku povezani z AV, so tudi pri drugih živalskih vrstah povezani z vedenjskimi lastnostmi.
2) Za raziskavo AV lahko uporabimo pristop primerjalne genomike.
3) Polimorfizmi znotraj ortolognih genov za AV so potencialni molekularni označevalci za agresijo pri živalih, kjer bomo uporabili psa kot model.
2 PREGLED OBJAV
2.1 ANTISOCIALNO VEDENJE
AV opisuje skupek aktivnosti posameznika, ki bistveno odstopajo in kršijo prevladujoče družbene norme. AV se kaže kot impulzivno obnašanje, fizična agresija, kršenje družbenih norm in pomanjkljivo izražanje čustev (Hofvander in sod., 2009). AV je uveljavljen izraz v psihologiji in je pogosto zamenjan z izrazom asocialno vedenje, ki opisuje obnašanje posameznika, ki se kaže kot izogibanje socialnim interakcijam in kot pomanjkanje socialne občutljivosti (Colman, 2015). V psihologiji pojem disocialno vedenje združuje tako asocialno kot antisocialno vedenje (Babšek, 2009). Babšek (2009) opisuje asocialno vedenje kot vedenje, ki ni v skladu z normami določene družbe, vendar jih neposredno ne ruši in ne ogroža. V psihoterapiji obstaja diagnoza antisocialne osebnostne motnje (AOM), poznane tudi kot psihopatija. AOM lahko med vsemi priznanimi motnjami osebnosti najbolj zanesljivo diagnosticiramo, je pa težavna za zdravljenje. Med nekaterimi psihoterapevti velja prepričanje, da se AOM ne da pozdraviti, obstaja pa čedalje več dokazov, da je ta motnja v nekaterih primerih ozdravljiva (Meloy in Yakeley, 2011). AOM se pri bolnikih izraža v obliki AV in določenih osebnostnih lastnostih, kot je brezčutno in neusmiljeno neupoštevanje pravic in počutja drugih (Hare in sod., 1991) ali kot agresivna narcisoidnost (Gacono in sod., 1992). Za AOM je značilna sopojavnost z drugimi psihopatskimi stanji (Meloy in Yakeley, 2011).
2.1.1 Prevalenca antisocialne osebnostne motnje
AV je močno prisotno v družbi in se kaže pri kar 6,4 % moških v ZDA, kar ima velik negativen finančni, socialni in čustveni učinek na družbo, žrtve, njihove družine in same povzročitelje (Goldstein in sod., 2017; Rivenbark in sod., 2018). V razvitih državah večino nasilnih kriminalih dejanj izvede majhna skupina antisocialnih ponovljivih storilcev. Falk in sod. (2014) so raziskovali porazdelitev obsodb za nasilna kriminalna dejanja v švedski populaciji med leti 1973 in 2004 in ugotovili, da število persistentnih prestopnikov, ki zagrešijo 63,2 % vseh nasilnih kriminalnih dejanj, predstavlja le 1 % švedske populacije. Persistenca pri nasilnem kriminalu je bila povezana z moškim spolom, osebnostno motnjo, predhodno obsojenostjo za nasilno kriminalno dejanje pred dopolnjenim 19. letom, s prekrški, povezanimi z zlorabo drog, z zasvojenostjo z drogami, nenasilno kriminaliteto ali z resno duševno motnjo (Falk in sod., 2014). Romeo in sod. (2006) so raziskovali ekonomski aspekt AV pri otrocih v Veliki Britaniji in ugotovili, da je letni strošek AV kar 5960 britanskih funtov na otroka z AV, večino finančnega bremena zanj pa nosijo njihove družine (Romeo in sod., 2006). Navedeni podatki kažejo na to, da je AV obširen družbeni problem, katerega posledica je veliko število smrtnih žrtev in velik finančni strošek. Zato je razumevanje etiologije AV in morebitnih genetskih vzrokov zanj ključnega pomena za razvoj sistema za njegovo preprečevanje.
2.1.2 Heterogenost AV
Mladi z AV so heterogena skupina glede na začetek pojava, trajanje in resnost oblike fenotipa.
Raziskovalci so proučevali podskupine mladih z AV, ki imajo skupne vedenjske vzorce (Gard in sod., 2019). Podskupine oseb z AV lahko razdelimo glede na starost, pri kateri se AV pojavi.
Pri osebkih s prvim pojavom fenotipa šele v adolescenci je le-ta manj napredovan, medtem ko kažejo osebe s pojavom AV v zgodnejši starosti (< 10 let) bolj kronično in stopnjevano obliko
AV (Moffitt, 2018). Pri tej skupini obstaja večja možnost, da zagrešijo nasilna dejanja (Hyde in sod., 2015) in da imajo genetske dejavnike, ki predstavljajo večje tveganje za razvoj AV (Moffitt, 2018). Drugi način kategorizacije ločuje posameznike z AV glede na specifično obliko fenotipa. AV se lahko kaže kot agresivno obnašanje ali pa kot kršenje pravil. Podskupini pri tej kategorizaciji močno sovpadata s kategorizacijo fenotipa glede na starost. Tretja kategorizacija se posveča sočasnemu pojavu psihopatskih značajskih potez in pomanjkanju čustvovanja oz.
brezčutnosti (zmanjšana stopnja empatije, občutka krivde ter sposobnosti vživljanja v druge) (Frick in sod., 2014). AV je torej kompleksen fenotip, ki ga ni moč enostavno opisati in kategorizirati (Gard in sod., 2019).
2.1.3 Vpliv genetskih dejavnikov na razvoj AV
Vedenjska genetika (angl. beahaviour genetics) je znanstvena disciplina, ki raziskuje vpliv genetskih dejavnikov na razlike v vedenju med posamezniki. Temelji na predpostavki, da lahko določen delež variance fenotipa (vedenja) pripišemo genotipu. Zgodnje raziskave na področju vedenjske genetike so večinoma temeljile na sorodstveni povezanosti med preučevanimi osebki z oceno prispevka dednih in okoljskih dejavnikov na fenotip, v našem primeru AV (Tuvblad in Beaver, 2013). Rezultati zgodnjih študij posvojitev kažejo, da kombinacija genetskih predispozicij psihopatoloških lastnosti pri bioloških starših v okolju z visokim tveganjem prispeva k resnejši patologiji, kot če je prisoten samo eden od obeh dejavnikov (Bohman in sod., 1982; Cloninger in sod., 1982).
Podatki o posvojitvah so postali manj dostopni, zato so študije posvojitev zamenjale študije dvojčkov, sorojencev in večgeneracijske študije. S primerjavo fenotipa AV med enojajčnimi in dvojajčnimi dvojčki lahko varianco AV razdelimo na aditivne genetske dejavnike oz.
heritabiliteto (h2), deljene okoljske dejavnike (c2) in nedeljene okoljske dejavnike (e2). Deljeni okoljski dejavniki predstavljajo vplive, ki niso genetski, prispevajo pa k podobnosti fenotipa dvojčkov. Nedeljeni okoljski vplivi predstavljajo tiste izkušnje, zaradi katerih sta dvojčka med seboj različna (Neale in Cardon, 2013). Izsledki raziskav kažejo na to, da ima heritabiliteta veliko težo pri razvoju AV, saj lahko genetski vplivi pojasnijo približno 50 % variance. Vpliv genetskih dejavnikov potrjuje tudi meta analiza, s pomočjo katere so ocenili, da genetski vplivi pojasnjujejo do 50 % variance agresivnega vedenja (Miles in Carey, 1997; Waldman in Rhee, 2002; Moffitt, 2005; Burt, 2009). Vpliv genetskih in okoljskih dejavnikov na agresivno in neagresivno antisocialono vedenje so analizirali na vzorcu 780 parov dvojčkov. Rezultati raziskave kažejo pomembnost razlikovanja med različnimi oblikami asocialnega vedenja ter na fenotipske in biometrične razlike med AV pri moškem in ženskem spolu (Wang in sod., 2013).
2.2 PRISTOPI PREUČEVANJA AV 2.2.1 Molekularno-genetski pristopi
Eden od pristopov molekularno-genetskih študijah AV je identifikacija kandidatnih genov za AV in iskanje povezav genetskih polimorfizmov s fenotipom. V študijah kandidatnih genov za AV so se pogosto ukvarjali z genetskimi polimorfizmi, ki so vključeni v dopaminergičnih in serotoninergičnih nevrotransmisijskih poteh, zaradi njihove vloge pri procesu nagrajevanja, učenja in čustvovanja, ki so pri AV pogosto prizadeti (Yildirim in Derksen, 2013). Spremenjena koncentracija ekscitatornega nevrotransmiterja dopamina lahko prispeva k zvišani občutljivost i
do nagrajevanja pri AV (Yildirim in Derksen, 2013). Pri odraslih in adolescentih so z AV povezali dopaminergične gene DRD2, DRD4 in DAT1 z AV (Veroude in sod., 2016). Povečana cirkulacija serotonina, nevrotransmiterja, vključenega v uravnavanje razpoloženja, je povezana s poslabšanim nadzorom impulzivnosti in povečano razdražljivostjo, obe lastnosti pa sta del fenotipa AV (Manuck in sod., 2006). AV so povezali tudi s polimorfizmi lokusov 5-HTTLPR (Ficks and Waldman, 2014), 5HTR2A, 5HTR1B, 5HTR2C in MAOA, ki katabolizira monoamine, vključno s serotoninom (Veroude in sod., 2016).
V raziskavah AV je treba upoštevati, da je vpliv genetske komponente na AV pogojen z okoljskimi vplivi (Manuck in McCaffery, 2014). V študijah so raziskovali interakcije med genetskimi variantami znotraj dopaminskih, serotoninskih in kateholamin-katabolnih genov in okoljskimi dejavniki tveganja za razvoj AV (Waller in sod., 2015; Weeland in sod., 2015).
Izsledki meta analiz kažejo na to, da je vpliv lokusov MAOA in 5-HTTLPR na genotip AV odvisen od interakcij genotip-okolje (Byrd in Manuck, 2014; Tielbeek in sod., 2016). Precej okoljskih faktorjev je povezanih s kasnejšim razvojem AV (Patterson in sod., 1982; Dishion in sod., 1991; McLoyd, 1998), zato je v študijah treba upoštevati več okolij (Hyde, 2015). Na interakcije genotip-okolje lahko vplivajo tudi demografski faktorji, kot so rasa, spol in socioekonomski status (Hyde, 2015; Byrd in sod., 2018). Zavedanje, da obstaja znotraj fenotipa AV heterogenost, kot je na primer sopojavnost psihopatije ali brezčutnosti, je pomembno za ločevanje potencialno diferencialnih razvojnih poti AV. Lokus 5-HTTLPR, ki je bil povezan z zmanjšano aktivnostjo amigdale, je lahko faktor tveganja za psihopatijo in brezčutnost, medtem ko je različica 5-HTTLPR, povezana s povečano reaktivnostjo amigdale, lahko faktor tveganja za agresijo (Glenn, 2011). V nekaterih študijah so upoštevali tudi razvoj, ki je ključen za razumevanje genetskega ozadja AV, saj se okoljski dejavniki razlikujejo v različnih obdobjih razvoja (Hyde in sod., 2011; Hyde, 2015).
2.2.2 Statistično-genetski pristop
Genetske dejavnike tveganja za razvoj AV lahko raziskujemo tudi z genomskimi asociacijskimi študijami (angl. genome wide association study; GWAS) z iskanjem povezav razlik v fenotipu z na tisoče ali milijone SNP-jev na ravni celotnega genoma (Gard in sod., 2019). Kompleksna obnašanja pri človeku, kot je AV, so posledica delovanja večjega števila lokusov, ki pa imajo posamično majhen vpliv, torej je AV poligena lastnost (Gard in sod., 2019). Za uspešno identifikacijo povezav med genotipom in fenotipom s pristopom GWAS je potrebno večje število vzorcev, kot je navadno dostopno v študijah AV. Poleg tega je razpon fenotipa AV velik, od manjših prekrškov v šolah pa do hudih klinično diagnosticiranih motenj, kot je AOM.
Omejitev pristopa GWAS je torej prikrita genetska etiologija različnih oblik AV (Viding in sod., 2010). Z vpeljavo uteženih vsot točk (angl. weighted sum scores) za učinke alelov iz študij GWAS in samostojnih vzorcev lahko deloma odpravimo omejitve, povezane s preiskovanjem posameznih genskih variant (Gard in sod., 2019). Študija je pokazala, da pri posameznikih z nizko vrednostjo poligenskih točk tveganja za šolski uspeh obstaja večja verjetnost, da bodo storili kazniva dejanja (Wertz in sod., 2018).
2.2.3 Nevrogenetski pristop
Z nevrogenetskim pristopom preiskujemo genetske variacije v nevrotransmiterskih sistemih, ki prizadenejo tiste nevrološke procese, ki prispevajo k razvoju AV (Hariri in sod., 2002). Z
raziskovanjem živalskih modelov lahko identificiramo nevronske regije, nevrotransmiterje in genetske dejavnike tveganja za nastanek AV (Gard in sod., 2019). Z nevronskim slikanjem so odkrili povezavo med AV in hiperaktivnostjo ventralnega striatuma, ki ima vlogo pri nagrajevanju in učenju (Raine, 2018). Poleg povezave serotoninergične in dopaminergične signalizacije s fenotipom AV so v redkih študijah vključili še okoljske dejavnike (Gard in sod., 2019). Pri moškem z AV, nosilcu aktivnega alela MAOA, izpostavljenem zanemarjanju v otroštvu, so odkrili povečano občutljivost amigdale in nižjo povezanost amigdale s prefrontalnim korteksa (Holz in sod., 2016). Izsledki nevrogenetskih študij podpirajo hipotezo, da predstavljajo možgani mehanizem, preko katerega sta povezana genetska varianca in fenotip AV in hkrati izpostavljajo pomen združevanja podatkov več študij za uspešno prepoznavo dejavnikov tveganja za razvoj AV (Gard in sod., 2019).
2.3 GENI IN BIOLOŠKE POTI, POVEZANE Z AV
Sprememba v izražanju specifičnih genov v možganih vpliva na delovanje nevrotransmiterjev, kar vpliva na kompleksne funkcije, kot so inteligenca, razpoloženje in spomin, nanje pa vplivajo tudi okoljski dejavniki, kot so stres, uživanje substanc, dieta, kvaliteta spanja in socialni odnosi.
Večina genov, povezanih z AV, ima vlogo v dopaminskem, serotoninskem ali epinefrinskem/norepinefrinskem sistemu (Bartels in sod., 2011), v vseh treh naštetih sistemih pa je vpleten gen MAOA (Tuvblad in Baker, 2011).
2.3.1 Biološke poti, povezane z AV
Dopaminski sistem. Dopamin (3,4-dihidroksifenetilamin) je nevrotransmiter, ki sodi v družino kateholaminov in fenetilaminov. Biosinteza poteka s pomočjo encima DOPA dekarboksilaza.
Prekurzor za dopamin je aminokislina tirozin (lahko tudi fenilalanin), ki se pretvori v neposredni prekurzor dopamina L-DOPA, ta pa se dekarbokislira (Slika 1). Večinoma se proizvaja v ventralnem tegmentalnem delu in v substantii nigri srednjega dela možganov. Iz regij, kjer se dopamin sintetizira, vodijo 3 pomembne poti: mezokortikalna, mezolimbična in nigrostritalna pot (Vaessen in sod., 2015). V možganih deluje dopamin v največji meri na receptorske družine D1, D2, D3, D4 in D5. Dopamin ima funkcionalno vlogo pri kogniciji, premikanju, nagrajevanju in motivaciji ter procesu pripisovanja pomembnosti določenemu stimulusu. Dopamin vpliva tudi na razpoloženje, vzburjenje in odziv na stres (Vaessen in sod., 2015). Spremembe dopaminskih funkcij v možganih so nastopile ob s stresom povezanimi psihopatološkimi stanji, (Robinson in Berridge, 1993), posttravmatsko stresno motnjo (De Bellis in sod., 1999) in psihozo (Howes in Kapur, 2009).
Serotoninski sistem. Serotonin (5-hidroksitriptamin) je nevrotransmiter, ki deluje v centralnem živčnem sistemu in tudi krvni faktor in nevrohormon, ki nadzoruje določene funkcije več perifernih organov (De Deurwaerdère in Di Giovanni, 2020). Serotonin je po strukturi monoamin, biosinteza pa poteka s pomočjo dekarboksilacije aromatične L-aminokisline.
Prekurzor serotonina je triptofan, katerega C atom na poziciji 5 aromatskega obroča se hidroksilira, nato pa se nastali intermediat dekarboksilira (Slika 1). Serotoninski sistem je povezan z boleznimi centralnega živčnega sistema (depresija, anksioznost, shizofrenija , obsesivno-kompulzivna motnja, odvisnost in Parkinsonova bolezen) ter z boleznimi perifernih organov (gastrointestinalne motnje, srčna aritmija in hipertenzija) (De Deurwaerdère in Di Giovanni, 2020). Čeprav obstajajo razlike v organizaciji serotoninskega sistema pri nižje
razvitih živalih v primerjavi z vretenčarji, je funkcija sistema razmeroma dobro ohranjena pri živalih. Serotoninski sistema ima vlogo pri lokomociji, prehranjevanju, spanju in cirkadianem ritmu, anksioznosti, agresiji, učenju, spominu in razpoloženju. Vloga serotoninskega sistema je še posebej pomembna pri funkciji učenja in pomnjenja v kontekstu razvoja Alzheimerjeve bolezni, pri kateri so tarča bolezni serotoninski receptorji, kot je na primer receptor 5-HT6 (De Deurwaerdère in Di Giovanni, 2020).
Slika 1: Biosintezna pot dopamina, serotonina, noradrenalina (norepinefrina) in adrenalina (epinefrina)
Epinefrinski/norepinefrinski sistem. Norepinefrin (noradrenalin) je nevrotransmiter centralnega živčnega sistema. V telesu in možganih ima tudi pomembno vlogo splošnega regulatorja nevrotransmisije (Wang in sod., 1999). Po strukturi je kateholamin, njegova biosinteza pa poteka s pomočjo encima dopamin -monooksigenaze. Epinefrin (adrenalin) je po funkciji hormon, po strukturi pa kateholamin. Prekurzor za epinefrin je norepinefrin.
Biosintetizira se z metilacijo primarnega amina (Slika 1). Epinefrin je povezan z regulacijo visceralnih funkcij (na primer respiracija). Norepinefrinski sistem je neposredno povezan s stabilizacijo počutja, regulacijo spanja, agresijo, čuječnostjo oz. budnostjo, vzburjenjem, pa tudi z izvajanjem nadzora nad endokrinim in avtonomnim živčnim sistemom (Edwards, 1997;
Haller in sod., 1997; Charney, 1998). Znotraj perifernega živčnega sistema deluje norepinefrin kot nevrotransmiter, ki regulira odziv »boj ali beg«. Ob primernem stimulusu se iz adrenalnega korteksa izločijo kortikosteroidi ter epinefrin in norepinefrin iz adrenalne medule (McEwen,
1987). Sekrecija teh učinkovin pomaga koordinirati prilagajanje različnih delov telesa na stresno situacijo, na primer s povečano glikolizo v jetrnih in mišičnih celicah (Wang in sod., 1999). Napačno delovanje norepinefrinskega sistema lahko rezultira v klinični depresiji, melanholiji, anhedoniji, psihomotorični retardaciji, motnjah spanja, motnjah hranjenja in v samomoru (Charney, 1998).
2.3.2 Geni, povezani z AV
V razvitih državah večino vseh nasilnih kaznivih dejanj stori majhna skupina povratnikov z AV, ampak geni, ki bi bili povezani s povratništvom storilcev hudih kriminalnih dejanj še niso bili identificirani (Tiihonen in sod., 2015). Z analizo GWAS, ki je zajela skoraj 800 zapornikov iz finskih zaporov, so identificirali genetski marker, povezan z ekstremno nasilnim vedenjem, v genu CDH13, ki kodira nevronski membranski adhezijski protein. Pri 5-10 % kriminalcev so identificirali genotip, značilen za nizko aktivnost gena MAOA ali prej omenjen marker v CDH13. Gen MAOA kodira encim monoaminska oksidaza A, ki deluje v nevronskih mitohondrijih in razgrajuje nevrotransmiterje serotonin, dopamin in norepinefrin, ki so povezani z agresijo ter čustveno in kognitivno funkcijo. Gen MAOA je znan tudi kot bojevniški gen, saj so nekatere njegove različice povezane z agresivnim vedenjem. V živalskih modelih z okvarjeno funkcijo MAOA je bila v možganih povečana stopnja serotonina, dopamina in norepinefrina, kar je vodilo k večji stopnji agresije in spremenjenemu odzivu na stres (Guo in sod., 2008). Gen MAOA se nahaja pri človeku in drugih sesalcih na kromosomu X, kar pomeni, da so lahko heterozigoti le osebki ženskega spola. V prvih opisih vloge MAOA v zvezi z AV navajajo Brunnerjev sindrom, ki ga povzroča nesmiselna (angl. nonsense) točkovna mutacija rs72554632 v MAOA (Brunner in sod., 1993; Brunner, 1996). Poznan je tudi funkcionalen polimorfizem VNTR (angl. variable number of tandem repeats) v promotorski regiji gena MAOA pri človeku, ki se pojavlja v različnih ponovitvah (2, 3, 3½ , 4, 5 ali 6) motiva, dolgega 30 baznih parov. Variante VNTR v promotorju so povezane z različno transkripcijsko in encimatsko aktivnostjo MAOA (Nilsson in sod., 2018). Visoka aktivnost je značilna za različice s tremi in pol ter štirimi ponovitvami, medtem ko sta dvojna in trojna ponovitev motiva povezani z nizko aktivnostjo MAOA (Guo in sod., 2008). Pri 2500 ameriških dečkih (v obdobju med 7. in 12. razredom) so iskali genetsko ozadje za zelo agresivno vedenje v šoli s testiranjem prisotnosti različnih variant MAOA in prepoznali različico, ki predstavlja dejavnik tveganja za nasilno vedenje, a samo pri dečkih, ki so bili izpostavljeni stresu (težke družinske razmere, nizka popularnost, neuspehi v šoli) (Guo in sod., 2008). Zloraba ali zanemarjanje v otroštvu povečata tveganje za razvoj AV za 50 % (Stoff in sod., 1997). V študiji na vzorcu dečkov so odkrili povezavo med zanemarjanjem v otroštvu, razvojem AV in funkcionalnim polimorfizmom gena MAOA. Za posameznike z alelom MAOA, ki je značilen za bolj izražen MAOA, je bilo manj verjetno, da razvijejo fenotip AV. Avtorji navajajo, da lahko njihova odkritja delno pojasnijo, zakaj med tistimi, ki so bili v otroštvu zanemarjeni, samo nekateri razvijejo AV. Genotipski profil moderira otrokovo občutljivost na okoljske vplive pri razvoju fenotipa AV (Caspi in sod., 2002). Študije gena MAOA so izvajali tudi na na nekaterih živalih, in sicer na opicah (Macaca mulatta), miših, podganah (Nilsson in sod., 2018) in psih (Eo in sod., 2016). Tudi v promotorju gena MAOA pri psu so identificirali polimorfizem VNTR (Eo in sod., 2016). Poleg genotipov VNTR v promotorju MAOA so pri psih različnih pasem raziskovali transkripcijo MAOA in vzorce metilacije promotorske regije. Pri različnih pasmah psov (beagle, sapsali, nemški ovčar) so zaznali različne ravni izražanja MAOA v možganih in povezavo metilacijskega vzorca promotorja z ravnjo mRNA (Eo in sod., 2016).
Gen COMT se nahaja na kromosomu 22 pri človeku in kodira encim katehol-O- metiltransferazo, ki je vključen v katabolizem kateholaminov (dopamin, epinefrin). COMT ima dve izoformi, za njuno izražanje pa skrbita dva promotorja. V možganih je prisotna membransko vezana izoforma MB-COMT, ki je vpletena v uravnavanje ekstracelularnega dopamina v prefrontalnem korteksu (Hong in sod., 1998). Najbolj raziskan polimorfizem v genu COMT je nesinonimna točkovna mutacija (Val158Met), ki je povezana z agresijo in drugimi oblikami fenotipa AV (Qayyum in sod., 2015). Mutacija vodi v štirikratno redukcijo COMT zaradi povečane termolabilnosti pri fiziološki temperaturi, kar poveča raven dopamina v prefrontalnem korteksu (Chen in sod., 2004). Najbolj opazna oblika AV, ki jo povzroča dopaminsko neravnovesje, je agresija. Za raziskave funkcije gena COMT so uporabili tudi živalske modele (Qayyum in sod., 2015).
Gen DRD2 se nahaja na kromosomu 11 pri človeku in kodira D2 dopaminski receptor, na postsinaptičnih dopaminergičnih nevronih ter aktivira medcelično signalizacijo z inhibic ijo sinteze cAMP. Meta analiza je pokazala, da obstaja povezava med genom DRD2 in povečanim tveganjem za shizofrenijo (González-Castro in sod., 2016). Lokus DRD2 je povezan tudi z abnormalnim delovanjem prefrontalnega korteksa, s slabšo kognicijo, povečano budnostjo pred nevarnostjo in slabšim ohranjanjem pozornosti. Določeni SNP-ji so bili povezani s psihotičnimi obolenji, še posebej v primerih, ko je prisotno družinsko tveganje za psihozo (Ramsay in sod., 2015). Gen DRD2 je bil povezan tudi s povečanim tveganjem za odvisnost od alkohola (Hill in Sharma, 2019).
Gen SLC6A3, ki ga s sinonimom imenujemo tudi DAT1, se nahaja pri človeku na kromosomu 5 in kodira dopaminski transporter (DAT), glavni regulator dopaminergične nevrotransmisije.
S svojim delovanjem DAT omeji stopnjo in trajanje aktivacije dopaminskih receptorjev in tako nadzoruje količino dopamina v sinapsah. Polimorfizem lokusa DAT1, VNTR z motivom, dolgim 40 baznih parov, je bil prepoznan kot morebitni dejavnik tveganja za AV (Guo in sod., 2007). VNTR se nahaja na 3′-UTR regiji gena SLC6A3 (Rafikova in sod., 2021), motiv pa se navadno ponovi devet ali deset krat. Različica z desetimi ponovitvami je povezana z nižjo vezavno aktivnostjo DAT kot različica devetimi ponovitvami motiva. Genotip z desetimi ponovitvami so povezali tudi z ADHD. Pri homozigotih z devetimi ponovitvami in heterozigotih je večja pojavnost delinkventnosti kot pri homozigotu z devetimi ponovitvami motiva (Guo in sod., 2007). Pri osebah z različicami z manj kot desetimi ponovitvami motiva so ugotovili povečano tveganje za samomor v primerjavi z nosilci daljše verzije alela (Rafikova in sod., 2021). Funkcijo gena DAT1 so raziskovali na mišjih modelih in ugotovili, da se pri homozigotnih miših z izbitim lokusom DAT1 razvije AV (Guo in sod., 2007) na transgenih mišjih modelih pa so raziskovali ADHD (Leo in Gainetdinov, 2013).
V študijah AV se ukvarjajo tudi s preiskovanjem impulzivnosti, ki je definirana kot dejavnost brez vnaprejšnjega premisleka. Impulzivnost je tudi ena od pomembnih značilnosti mnogih kliničnih duševnih obolenj, nagnjenosti k samomorilnosti in nasilnemu vedenju (Bevilacqua in sod., 2010). S sekvenciranjem genov, povezanih s serotoninskim in dopaminskim sistemom, so odkrili stop kodon gena HTR2B, ki ni redek, saj ima frekvenco manj pogostega alela (angl.
minor allele frequency; MAF) več kot 1 % (velja za populacijo Fincev) (Bevilacqua in sod., 2010). S populacijsko študijo in z analizo sorodstva (angl. family-based analyses) so omenjeni stop kodon povezali s kliničnimi duševnimi boleznimi, ki jih zaznamuje impulzivnost (Bevilacqua in sod., 2010).
3 METODE
3.1 ZBIRANJE KANDIDATNIH GENOV ZA AV PRI ČLOVEKU
Kandidatne gene za AV smo zbrali s pregledom literature. V zbirkah Pubmed in Web of Science smo uporabili kombinacijo ključnih besed, kot so »Antisocial behaviour«, »Genetics«,
»Genomics« in »GWAS«. Z ročnim pregledom tako pridobljene znanstvene literature smo zbrali kandidatne lokuse za AV pri človeku in živalih. Zbranim kandidatnim genom za AV pri človeku smo s pomočjo zbirke Ensembl Biomart poiskali ortologne gene pri živalih in poiska li fenotipe, ki so z njimi povezani. Uporabili smo podatkovne zbirke OMIA, MGI in JAX Mouse in pregledali znanstveno literaturo.
3.2 IDENTIFIKACIJA POLIMORFIZMOV LOKUSA MAOA PRI PSU
Podatke za analizo smo pridobili iz iDog (http://bigd.big.ac.cn/idog) (Tang in sod., 2019), prve integrirane zbirke genomskih informacij o domačem psu (Canis lupus familiaris) in divjih kanidih (volk, iberski volk, sivi volk in andska lisica). V analizo smo vključili zbirko z oznako Dataset3 s 71050194 polimorfizmi celih genomov 722 kanidov; 568 psov 144 različnih pasem, 54 divjih kanidov in 100 vaških psov (Plassais in sod., 2019). Za anotacijo polimorfizmov znotraj odseka na kromosomu X (37674493-37746757), ki vsebuje gen MAOA, 3000 baznih parov pred začetkom transkripcije in 3000 baznih parov za zadnjim eksonom tega gena, smo uporabili orodje VEP (McLaren in sod., 2016). S programom Plink (Chang in sod., 2015) smo izračunali frekvence alelov vseh vzorcev in tudi znotraj posameznih populacij.
3.3 ANALIZA PROMOTORSKE REGIJE MAOA PRI PSU
S programom LASAGNA-Search 2.0 (Lee in Huang, 2013) smo poiskali vezavna mesta transkripcijskih faktorjev v promotorju gena MAOA pri psu. Promotorsko regijo smo definirali kot zaporedje 1000 baznih parov pred začetkom transkripcije gena MAOA pri psu (oznaka zaporedja NM_001002969 v zbirki NCBI). V analizo smo vključili transkripcijske faktorje iz zbirke TRANSFAC. Za vizualizacijo promotorja z vezavnimi mesti in polimorfizmi smo uporabili program GenomeBrowse.
4 REZULTATI
4.1 KANDIDATNI GENI ZA AV PRI ČLOVEKU IN NJIHOVI ORTOLOGI PRI ŽIVALIH
V znanstveni literaturi smo poiskali kandidatne gene za AV pri človeku (DRD4, DAT1, DRD2, DRD5, SLC6A4, MAOA in COMT) in jim poiskali ortologe pri živalih (pes, miš, podgana, govedo, prašič in rdečelični makak). Poiskali smo študije, v katerih so obravnavali naštete gene pri živalih, in preverili, s katerimi fenotipi so povezani. Za vsakega od ortologov kandidatnih genov za AV pri človeku smo našli vsaj eno študijo, kjer so gen povezali z agresijo pri živalih (Preglednica 2). V nadaljevanju smo se osredotočili na gen MAOA, ki je bil povezan z agresijo pri psu, prašiču, miši, govedu in rdečeličnem makaku, hkrati pa je vpleten v tri biološke poti, ki so ključne za razvoj AV (dopaminski, serotoninski in epinefrinski/norepinefrinski sistem).
Preglednica 1: Kandidatni geni za AV pri človeku in njihovi ortologi pri živalih
Gen kodira vrsta Genomska
lokacija Ortolog Fenotip Referenca DRD4 Dopaminski
receptor D4 dopaminski 11p15.5 Pes (Canis
familiaris) Impulzivnost, povečana aktivnost
(Hejjas in sod., 2007) DAT1
(SLC6A3) Dopaminski aktivni transporter 1
dopaminski 5p15.33 Miš (Mus
musculus) Agresija (Pogorelov in sod., 2005) DRD2 Dopaminski
receptor D2
dopaminski 11q23.2 Pes (Canis familiaris)
Strah (Bellamy in sod., 2018) DRD5 Dopaminski
receptor D5 dopaminski 4p16.1 Podgana (Rattus norvegicus domestica)
Živalski model za ADHD
(Jogamoto in sod., 2020) 5-
HTTLPR lociran v SLC6A4
Polimorfna regija povezana povezana s serotoninskim transporterjem, kodira
serotoninski transporter
serotoninski 17q11.2 Miš (Mus musculus)
Stres in tveganje za depresijo
(Carola in Gross, 2011)
MAOA Monoaminska oksidaza A
Kateholamin katabolizemski
Xp11.3 Govedo (Bos taurus) Pes (Canis familiaris) Prašič (Sus scrofa domesticus)
Agresija
Spremembe vedenja Agresija
(Eusebi in sod., 2020) (Lit in sod., 2013) (Chen in sod., 2019)
COMT Katehol-O-metil
transferaza Kateholamin
katabolizemski 22q11.21 Rdečelični makak (Macaca fuscata)
Agresivno vedenje med samci in izražanje dominance
(Pflüger in sod., 2016)
4.2 POLIMORFIZMI LOKUSA MAOA PRI PSU
V podatkih, ki zajemajo polimorfizme (SNP-je in krajše insercije/delecije) iz sekvenc celotnih genomov 722 psov in divjih kanidov, smo identificirali 2125 polimorfizmov znotraj gena MAOA in njegove okolice (3000 baznih parov pred začetkom transkripcije in 3000 baznih parov za zadnjim eksonom). Pri anotaciji polimorfizmov smo ugotovili, da večina variant (98,5 %) še ni bila anotirana in jih v trenutni različici genomskega brskalnika Ensembl (104) ni. Od 2125 polimorfizmov se večina nahaja v intronih (1906) in 72 v eksonih, od tega je 32 mutacij drugačnosmiselnih (angl. missense). V regiji, ki obsega 3000 baznih parov pred prvim eksonom, je 98 polimorfnih mest. Promotorsko regijo gena smo definirali z odsekom 1000 baznih parov pred začetkom transkripcije, kjer smo identificirali 40 polimorfizmov (Preglednica 2).
Preglednica 2: Število polimorfizmov v kodirajočih regijah MAOA v 722 vzorcih psov in divjih kanidov
Vrsta mutacije Število
polimorfizmov
Odstotek polimorfizmov (%)
drugačnosmiselna 32 46,4
sinonimna 31 44,9
premik bralnega okvirja
(angl. reading frame shift) 2 2,9
insercija, ki ne poruši bralnega okvirja (angl.
inframe insertion)
2 2,9
sprememba proteina 1 1,4
nastanek kodona stop 1 1,4
skupaj 69 100,0
4.3 POLIMORFIZMI V VEZAVNIH MESTIH TRANSKRIPCIJSKIH FAKTORJEV GENA MAOA PRI PSU
V promotorju gena MAOA pri psu smo identificirali 182 možnih vezavnih mest za 102 transkripcijska faktorja. Najbolje so bila ocenjena potencialna vezavna mesta (score > 500) za transkripcijske faktorje Zic1, STAT1 in AhR.
Slika 2: Mesta za vezavo transkripcijskih faktorjev promotorja gena MAOA pri psu in polimorfna mesta, identificirana v 722 vzorcih psov in divjih kanidov
V 60 vezavnih mestih, na katera se veže 48 različnih transkripcijskih faktorjev, se nahaja 20 polimorfizmov, ki smo jih identificirali v vzorcih 722 psov in divjih kanidov. Od 20 polimorfizmov je 13 takšnih, ki so variabilna pri divjih kanidih (andska lisica, rdeči volk, sivi volk, kojot, volk), pri vseh vzorcih psov pa se ujemajo z zaporedjem referenčnega genoma (Preglednica 3).
Preglednica 3: Polimorfizmi v potencialnih vezavnih mestih transkripcijskih faktorjev v promotorju MAOA, ki so variabilni pri divjih kanidih
Lokus* Vrsta SNP MAF N* Transkripcijski faktor Vezavno mesto* S*
37678058 Andska lisica G/A 1,00 1
COUP-TF, HNF-4 (M 00158) 37678052-37678065 149 NRSF (M 00256) 37678050-37678070 300 PPARalpha:RXR-alpha (M 00242) 37678046-37678065 22 v-M af (M 00035) 37678041-37678059 8 37678299 Rdeči volk A/G 0,50 2 GCbox (M 00255) 37678292-37678305 68 37678300 Rdeči volk A/C 0,50 2 GCbox (M 00255) 37678292-37678305 68 37678306 Rdeči volk A/G 1,00 1 BSAP (M 00144) 37678301-37678328 108 37678316 Rdeči volk A/G 1,00 1 BSAP (M 00143) 37678315-37678342 67 BSAP (M 00144) 37678301-37678328 108 37678395 Rdeči volk C/A 1,0 1 Zic2(M 00449) 37678395-37678403 57
37678418 Sivi volk C/A 0,03 26
BSAP (M 00143) 37678405-37678432 67 COUP-TF,HNF-4 (M 00158) 37678412-37678425 149
SRF (M 00186) 37678410-37678423 24
SRF (M 00215) 37678408-37678421 18
37678431 Sivi volk
G/A 0,03 25 BSAP (M 00143) 37678405-37678432 67 GCbox (M 00255) 37678419-37678432 68
37678450 Andska lisica A/G 1,00 1
AP-4 (M 00175) 37678441-37678450 125 AP-4 (M 00176) 37678441-37678450 63 GCbox (M 00255) 37678443-37678456 68 Sp1 (M 00196) 37678444-37678456 109 Staf (M 00262) 37678447-37678468 55
37678457 Rdeči volk G/A 1,00 1
CdxA (M 00101) 37678453-37678459 260 Ik-3 (M 00088) 37678454-37678466 38 NF-kappaB(p50) (M 00051) 37678453-37678462 74 NF-kappaB(p65) (M 00052) 37678453-37678462 26 NRF-2 (M 00108) 37678451-37678460 66 STAT1 (M 00224) 37678451-37678463 131 STAT1 (M 00496) 37678453-37678460 1000 STAT3 (M 00225) 37678451-37678463 100 STAT3 (M 00497) 37678453-37678460 321 STAT4 (M 00498) 37678453-37678461 133 STAT5A (M 00499) 37678453-37678460 321 Staf (M 00262) 37678447-37678468 55 Xvent-1 (M 00445) 37678452-37678462 35
Se nadaljuje
Nadaljevanje preglednice 3
Lokus* Vrsta SNP MAF N* Transkripcijski faktor Vezavno mesto* S*
37678714 Andska lisica G/A 1,00 1 Hand1:E47 (M 00222) 37678704-37678719 94 deltaEF1 (M 00073) 37678708-37678717 7
37678735
Volk A/G 0,10 10 HSF1 (M 00146) 37678731-37678740 57
HSF2 (M 00147) 37678732-37678740 78
Kojot A/G 0,33 3 HSF1 (M 00146) 37678731-37678740 57
HSF2 (M 00147) 37678732-37678740 78 Rdeči volk A/G 0,50 2 HSF1 (M 00146) 37678731-37678740 57 HSF2 (M 00147) 37678732-37678740 78 37678887 Rdeči volk T/C 1,00 1 CCAATbox (M 00254) 37678879-37678890 20
*Lokus: genomska lokacija polimorfizma na kromosomu X, vezavno mesto: genomska lokacija potencialnega vezavnega mesta na kromosomu X, S: ocena potencialnega vezavnega mesta za transkripcijski faktor, N: velikost vzorca
Ostalih sedem polimorfizmov, ki se nahajajo v potencialnih vezavnih mestih za transkripcijske faktorje, je variabilnih pri psih (Preglednica 4). Trije SNP-ji so variabilni samo pri posamezni pasmi (standardni šnavcer, Yorkshirski terier in mali levji pes), en SNP je variabilen samo v vzorcu prostoživečih vaških psov s Kitajske, trije SNP-ji pa so variabilni pri 34 različnih pasmah psov (Chesapeake Bay prinašalec, Pomeranec, Mali angleški hrt, Entlebuški planšarski pes, Shiba Inu, Ameriški koker španjel, Saluki, Belgijski ovčar Malinois, Bloodhound, Cairnski terier, Irski terier, Čivava, Veliki nemški špic, Keeshond, Mehiški goli pes, Veliki angleški hrt, Tibetanski mastif, Romanski vodni pes, Bulterier, Mehkodlaki pšenični terier, Angleški koker španjel, Afganistanski hrt, Dalmatinec, Belgijski ovčar Tervuren, Aljaški malamut, Chow Chow, Miniaturni šnavcer, Kunming kitajski volčji pes, Avstralski govedar, Jazbečar, Chinese Indigenous Dog, Yorkshirski terier, Bernski planšarski pes, Kunming kitajski volčji pes, Črno čreslasti rakunar in Kitajski avtohtoni pes) (Priloga A).
Preglednica 4: Polimorfizmi v možnih vezavnih mestih transkripcijskih faktorjev v promotorju MAOA, ki so variabilni pri psih
Lokus* Pasma SNP MAF N* Transkripcijski faktor Vezavno mesto* S*
37677993 Standardni šnavcer G/C 0,250 4 En-1 (M00396) 37677993-37677999 167
ZID (M00085) 37677988-37678000 123
37678273 Yorkshirski terier A/C 0,014 71 GATA-1 (M00128) 37678272-37678283 35 STAT5A(homotetramer)
(M00460) 37678252-37678275 192
37678751 Mali levji pes G/C 0,50 1
AP-2 (M00189) 37678745-37678756 55
GCbox (M00255) 37678739-37678752 68 NF-kappaB(p50) (M00051) 37678751-37678760 74
Sp1 (M00196) 37678740-37678752 109
Se nadaljuje
Nadaljevanje preglednice 4
Lokus* Pasma SNP MAF N* Transkripcijski faktor Vezavno mesto* S*
37678377
Prostoživeči vaški psi iz
Kitajske G/A 0,008 37
GCNF(M00526) 37678362-37678379 46
MEIS1(M00419) 37678372-37678380 240
Oct-1(M00195) 37678377-37678391 10
TGIF(M00418) 37678371-37678380 202
c-Ets-1(p54)(M00032) 37678375-37678384 39
37678219
33 pasem psov, prostoživeči vaški psi iz Kitajske in volk
C/T / / p300(M00033) 37678212-37678222 39
37678239 32 pasem
psov in volk G/A / / COUP-TF,HNF-4(M00158) 37678232-37678245 149 TCF11:MafG(M00284) 37678223-37678243 43
37678721
28 pasem psov, andska lisica, rdeči volk, volk, kojot, prostoživeči vaški psi
G/A / /
AhR(M00139) 37678717-37678734 46
Elk-1(M00025) 37678721-37678734 240
RP58(M00532) 37678720-37678731 10
Tal-1alpha:E47(M00066) 37678719-37678734 202 c-Ets-1(p54)(M00074) 37678721-37678729 39
*Lokus: genomska lokacija polimorfizma na kromosomu X, vezavno mesto: genomska lokacija potencialnega vezavnega mesta na kromosomu X, S: ocena potencialnega vezavnega mesta za transkripcijski faktor, N: velikost vzorca
5 RAZPRAVA
AV je vedenje, ki je v nasprotju s prevladujočimi pravili in normami in je pogosto povezano z drugimi oblikami vedenjskih in razvojnih motenj, kot so hiperaktivnost, depresija, motnje učenja in impulzivnost. Meta-analize študij AV pri dvojčkih in posvojencih so pokazale, da z genetsko komponento lahko pojasnimo tudi do 50% fenotipske variance (AV) (Rhee in Waldman, 2002; Ferguson, 2010). Molekularno-genetske študije antisocialnega vedenja na ravni celotnega genoma kažejo, da gre za kompleksen fenotip, ki ga oblikuje več lokusov s šibkim vplivom (Tielbeek in sod., 2017). S pregledom literature smo identificirali sedem genov, ki so jih z različnimi študijskimi pristopi povezali z AV pri človeku. V študijah antisocialnega vedenja se kot možna strategija izkaže uporaba živalskega modela (miši) (Sluyter in sod., 2003), saj omogoča zasnovo študije z definiranim genotipom v kontroliranem okolju. Živalske modele lahko v študijah nekaterih fenotipov, kot so na primer shizofrenija, samomorilnost in depresija, uporabimo samo za raziskave določenih aspektov fenotipa, ki se kaže pri človeku (Gould in sod., 2017). Kandidatnim genom za AV pri človeku smo poiskali ortologe pri živalih (pes, miš, podgana, govedo, prašič in rdečelični makak). Za vsakega od ortologov kandidatnih genov za AV pri človeku smo našli vsaj eno študijo agresije pri živalih. Prevajanje vedenjskih vzorcev, ki so značilni za ljudi, na živalski model predstavlja omejitev primerjalnega pristopa za študij AV. Primerjalni pristop omogoča osredotočanje na nevrobiološke kvantitativne aspekte, ki jih lahko prevajamo s študij na živalih na študije pri človeku in obratno.
V nadaljevanju smo raziskovali gen MAOA, ki je vpleten v dopaminski, serotoninski in epinefrinski/norepinefrinski sistem, ki so ključni za razvoj AV. MAOA je bil povezan z agresijo pri prašiču (Chen in sod., 2019), pri različnih skupinah pasem psov pa so v zaporedju MAOA identificirali razlike v frekvencah alelov (Sacco in sod., 2017). V vzorcih 722 psov in divjih kanidov smo identificirali 2125 polimorfizmov na lokusu MAOA, pri anotaciji polimorfizmov pa smo ugotovili, da jih kar 98,5 % še ni bilo anotiranih in jih v trenutni različici genomskega brskalnika Ensembl še ni. Prosto dostopni podatki iz zbirke iDog so se izkazali kot pomemben vir za analizo, ki temelji na genomskih podatkih psa. Bioinformacijski pristop, ki omogoča identifikacijo še neraziskanih genetskih variant, je lahko dobra iztočnica za genomske študije in identifikacijo kandidatnih variant.
V promotorju MAOA pri psu smo identificirali 40 polimorfnih mest, od tega 20 takšnih, ki se nahajajo v potencialnih vezavnih mestih za transkripcijske faktorje in 32 drugačnosmiselnih polimorfizmov znotraj kodogenih regij. Večina polimorfizmov (13), ki se nahajajo v potencialnih vezavnih mestih transkripcijskih faktorjev, je variabilnih pri divjih kanidih (andska lisica, rdeči volk, sivi volk, kojot, volk), ne pa pri psih. Udomačitev nedvomno vpliva na fenotipske lastnosti, povezane z vedenjem. Razlike v genomskih zaporedjih v potencialnih vezavnih mestih za transkripcijske faktorje v MAOA pri divjih kanidih in psih kažejo na povezavo MAOA z vedenjskimi lastnosti, za potrditev funkcij SNP-jev pa bi potrebovali večje število vzorcev in nadaljnje študije.
Ostalih sedem polimorfizmov je variabilnih pri psih, trije samo pri posameznih pasmah (standardni šnavcer, Yorkshirski terier in mali levji pes), en pri prostoživečih vaških psih iz Kitajske, trije SNP-ji pa so variabilni pri 34 različnih pasmah psov, med katerimi so različne pasme (ovčarske, lovske, avtohtone, azijske).
6 ZAKLJUČEK
Pojavnost fenotipa AV predstavlja v modernih družbah velik socialni in ekonomski problem.
AV nasprotuje prevladujočim družbenim pravilom in normam ter je zelo raznoliko, tako po oblikah, v katerih se pojavlja, kot po svoji etiologiji. Poleg tega se fenotip AV pojavlja komorbidno z drugimi bolezenskimi stanji. Na ravni genotipa vemo, da je za pojavnost AV odgovornih veliko lokusov. AV je torej kompleksen fenotip, ki ga zaznamujejo poligene lastnosti, ki jih kodirajo geni š številnimi polimorfizmi, kompleksen in heterogen značaj pa otežuje študij fenotipa AV. Pri študiju živalskih modelov je to še težje, saj nam njihovi vedenjski vzorci niso dovolj poznani. Največkrat se zato v študijah omenja agresija kot polimorfna lastnost, za katero so verjetno pri različnih živalskih vrstah in ljudeh odgovorni podobni geni. Dodatno omejitev predstavlja tudi dejstvo, da sta za fenotip odgovorna tako genetska predispozicija, kot tudi vplivi okolja.
7 VIRI
Babšek B. 2009. Osnove psihologije. 1st ed. Celje,Celjska Mohorjeva družba: 176 str.
Bartels M., van de Aa N., van Beijsterveldt C. E. M., Middeldorp C. M., Boomsma D. I. 2011.
Adolescent self-report of emotional and behavioural problems: interactions of genetic factors with sex and age. Journal of the Canadian Academy of Child and Adolescent Psychiatry, 20, 1: 35-52
Bellamy K. K. L., StorengenL. M., HandegårdK. W., ArnetE. F., PrestrudK. W., OverallK.
L., Lingaas F. 2018. DRD2 is associated with fear in some dog breeds. Journal of Veterinary Behaviour, 27: 67-73
Berg-Nielsen T. S. Wichström. L. 2012. The mental health of preschoolers in a Norwegian population-based study when their parents have symptoms of borderline, antisocial, and narcissistic personality disorders: at the mercy of unpredictability. Child and Adolescent Psychiatry and Mental Health, 6, 1: 1-13
Bevilacqua L., DolyS., Kaprio J., YuanQ., Tikkanen R., Paunio T., Zhou Z., Wedenoja J., MaroteauxL. DiazS. 2010. A population-specific HTR2B stop codon predisposes to severe impulsivity. Nature, 468, 7327: 1061-1066
Bohman M., Cloninger C. R., Sigvardsson S. von Knorring A.-L. 1982. Predisposition to petty criminality in Swedish adoptees: I. Genetic and environmental heterogeneity.
Archives of General Psychiatry, 39, 11: 1233-1241
Brunner H. G. 1996. MAOA deficiency and abnormal behaviour: perspectives on an association. Genetics of Criminal and Antisocial Behaviour, 194: 155-164
Brunner H. G., Nelen M., Breakefield X. O., Ropers H. H. Van Oost B. A. 1993. Abnormal behaviour associated with a point mutation in the structural gene for monoamine oxidase A. Science, 262, 5133: 578-580
Burt S. A. 2009. Are there meaningful etiological differences within antisocial behaviour?
Results of a meta-analysis. Clinical Psychology Review, 29, 2: 163-178
Byrd A. L. Manuck S. B. 2014. MAOA, childhood maltreatment, and antisocial behaviour:
meta-analysis of a gene-environment interaction. Biological Psychiatry, 75, 1: 9-17 Byrd A. L., Manuck S. B., Hawes S. W., Vebares T. J., Nimgaonkar V., Chowdari K. V.,
Hipwell A. E., Keenan K. Stepp S. D. 2018. The interaction between monoamine oxidase A (MAOA) and childhood maltreatment as a predictor of personality pathology in females:
Emotional reactivity as a potential mediating mechanism. Development and psychopathology: 31, 1: 361-377
Carola V., Gross C. 2011. Mouse models of the 5-HTTLPR× stress risk factor for depression.
Behavioural Neurogenetics: 59-72
Caspi A., McClay J., Moffitt T. E., Mill J., Martin J., Craig I. W., Taylor A. Poulton R. 2002.
Role of genotype in the cycle of violence in maltreated children. Science, 297, 5582: 851- 854
Chang C. C., Chow C. C., Tellier L. C. A. M., Vattikuti S., Purcell S. M. Lee J. J. 2015.
Second-generation PLINK: rising to the challenge of larger and richer datasets.
Gigascience, 4, 1: s13742-015-0047-8, doi: 10.1186/s13742-015-0047-8: 16 str.
Charney D. S. 1998. Monoamine dysfunction and the pathophysiology and treatment of depression. Journal of Clinical Psychiatry 59, 14: 11-14
Chen J., Lipska B. K., Halim N., Ma Q. D., Matsumoto M., Melhem S., Kolachana B. S., Hyde T. M., Herman M. M. Apud J. 2004. Functional analysis of genetic variation in catechol-O-methyltransferase (COMT): effects on mRNA, protein, and enzyme activity in postmortem human brain. The American Journal of Human Genetics, 75, 5: 807-821 Chen R., Chu Q., Shen C., Tong X., Gao S., Liu X., Zhou B. Schinckel A. P. 2019.
Identification of Single Nucleotide Polymorphisms in Porcine MAOA Gene Associated with Aggressive Behaviour of Weaned Pigs after Group Mixing. Animals, 9, 11: 952 Cloninger C. R., Sigvardsson S., Bohman M. Von Knorring A.-L. 1982. Predisposition to
petty criminality in Swedish adoptees: II. Cross-fostering analysis of gene-environment interaction. Archives of General Psychiatry, 39, 11: 1242-1247
Colman A. M. 2015. A Dictionary of Psychology. 3rd ed. Oxford, Oxford University Press:
546 str.
De Bellis M. D., Baum A. S., Birmaher B., Keshavan M. S., Eccard C. H., Boring A. M., Jenkins F. J. Ryan N. D. 1999. Developmental traumatology part I: Biological Stress Systems. Biological Psychiatry, 45, 10: 1259-1270
De Deurwaerdère P. Di Giovanni G. 2020. Serotonin in health and disease. International Journal of Molecular Sciences, 21, 10: 3500, doi: 10.3390/ijms21103500: 4 str.
Dishion T. J., Patterson G. R., Stoolmiller M. Skinner M. L. 1991. Family, school, and behavioural antecedents to early adolescent involvement with antisocial peers.
Developmental Psychology, 27, 1: 172-180
Edwards A. V. 1997. Aspects of autonomic and neuroendocrine function. Equine Veterinary Journal, 29, S24: 109-117
Eo J., Lee H.-E., Nam G.-H., Kwon Y.-J., Choi Y., Choi B.-H., Huh J.-W., Kim M.,. Lee S.-E Seo B. 2016. Association of DNA methylation and monoamine oxidase A gene expression in the brains of different dog breeds. Gene, 580, 2: 177-182
Eusebi P. G., Sevane N., Cortés O., Contreras E., Cañon J. Dunner S. 2020. Aggressive behaviour in cattle is associated with a polymorphism in the MAOA gene promoter.
Animal Genetics, 51, 1: 14-21
Falk Ö., Wallinius M., Lundström S., Frisell T., Anckarsäter H. Kerekes N. 2014. The 1% of the population accountable for 63% of all violent crime convictions. Social Psychiatry and Psychiatric Epidemiology. 49, 4: 559-571
Ferguson C. J. 2010. Genetic contributions to antisocial personality and behaviour: a meta- analytic review from an evolutionary perspective. Journal of Social Psychology, 150, 2:
160-180
Ficks C. A. Waldman I. D. 2014. Candidate genes for aggression and antisocial behaviour: a meta-analysis of association studies of the 5HTTLPR and MAOA-uVNTR. Behavioural Genetics, 44, 5: 427-444
Frick P. J., Ray J. V., Thornton L. C. Kahn R. E. 2014. Can callous-unemotional traits enhance the understanding, diagnosis, and treatment of serious conduct problems in
children and adolescents? A comprehensive review. Psychological Bulletin, 140, 1, doi:10.1037/a0033076: 57 str.
Gacono C. B., Meloy J. R. Berg J. L. 1992. Object relations, defensive operations, and affective states in narcissistic, borderline, and antisocial personality disorder. Journal of Personality Assessment, 59, 1: 32-49
Gard A. M., Dotterer H. L. Hyde L. W. 2019. Genetic influences on antisocial behaviour:
recent advances and future directions. Current Opinion in Psychology, 27: 46-55
Glenn A. L. 2011. The other allele: Exploring the long allele of the serotonin transporter gene as a potential risk factor for psychopathy: A review of the parallels in findings.
Neuroscience & Biobehavioural Reviews, 35, 3: 612-620
Goldstein R. B., Chou S. P., Saha T. D., Smith S. M., Jung J., Zhang H., Pickering R. P., Ruan W. J., Huang B. Grant B. F. 2017. The epidemiology of antisocial behavioural syndromes in adulthood: results from the national epidemiologic survey on alcohol and related conditions-III. The Journal of Clinical Psychiatry, 78, 1: 90-98
González-Castro T. B., Hernández-Díaz Y., Juárez-Rojop I. E., López-Narváez M. L.,
Tovilla-Zárate C. A., Genis-Mendoza A. Alpuin-Reyes M. 2016. The role of C957T, TaqI and Ser311Cys polymorphisms of the DRD2 gene in schizophrenia: systematic review and meta-analysis. Behavioural and Brain Functions, 12, 1: 1-14
Gould T. D., Georgiou P., Brenner L. A., Brundin L., Can A., Courtet P., Donaldson Z. R., Dwivedi Y., Guillaume S. Gottesman I. I. 2017. Animal models to improve our
understanding and treatment of suicidal behaviour. Translational Psychiatry, 7, 4: e1092- e1092, doi: 10.1038/tp.2017.50: 22 str.
Guo G., Ou X.-M., Roettger M. Shih J. C. 2008. The VNTR 2 repeat in MAOA and delinquent behaviour in adolescence and young adulthood: associations and MAOA promoter activity. European Journal of Human Genetics, 16, 5: 626-634
Guo G., Roettger M. E. Shih J. C. 2007. Contributions of the DAT1 and DRD2 genes to serious and violent delinquency among adolescents and young adults. Human Genetics, 121, 1: 125-136
Haller J., Makara G. B. Kruk M. R. 1997. Catecholaminergic involvement in the control of aggression: hormones, the peripheral sympathetic, and central noradrenergic systems.
Neuroscience & Biobehavioural Reviews, 22, 1: 85-97
Hare R. D., Hart S. D. Harpur T. J. 1991. Psychopathy and the DSM-IV criteria for antisocial personality disorder. Journal of Abnormal Psychology, 100, 3: 391, doi:10.1037/0021- 843X.100.3.391: 14 str.
Hariri A. R., Mattay V. S., Tessitore A., Kolachana B., Fera F., Goldman D., Egan M. F.
Weinberger D. R. 2002. Serotonin transporter genetic variation and the response of the human amygdala. Science, 297, 5580: 400-403
Hejjas K., VasJ., Topál J., Szántai E., Rónai Z., Székely A., Kubinyi E., Horváth Z., Sasvari‐
Szekely M. Miklosi A. 2007. Association of polymorphisms in the dopamine D4 receptor gene and the activity‐impulsivity endophenotype in dogs. Animal Genetics, 38, 6: 629-633
