Исследование показывает, почему женщины подвергаются большему риску аутоиммунных заболеваний

Миллионы человек во всем мире страдают аутоиммунными заболеваниями — состоянием, при котором иммунная система организма атакует собственные ткани. И большинство из них – женщины.

Ревматоидный артрит, рассеянный склероз и склеродермия являются примерами аутоиммунных заболеваний, характеризующихся неравномерным соотношением женщин и мужчин. Соотношение для волчанки составляет 9 к 1; для синдрома Шегрена — 19 к 1.

Ученые Стэнфордского медицинского университета и их коллеги связали это несоответствие с наиболее фундаментальной особенностью, отличающей женщин от мужчин, что, возможно, способствует 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».

Тишина второй Х

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.

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 большого количества белков было бы смертельным.

Природа разработала умный, хотя и сложный способ обхода проблемы, называемый инактивацией Х-хромосомы. На ранних стадиях 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 такое же количество каждого белка, специфичного для Х-хромосомы, как и в мужской клетке.

Как обнаружили исследователи, инактивация Х-хромосомы может привести к аутоиммунным расстройствам, хотя эти расстройства могут быть вызваны и другими факторами, поэтому они иногда развиваются у мужчин.

Молекула под названием Xist

Инактивация Х-хромосомы достигается благодаря молекуле под названием Xist. Ген, отвечающий за нее, присутствует на всех Х-хромосомах, включая единственную, которая есть в мужских клетках. Но сам Xist продуцируется только тогда, когда Х—хромосома, на которой находится его ген, является одной из совпадающей пары XX – и продуцируется и развертывается только на одном члене этой пары.

Xist состоит из РНК, которая 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 видов 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 ученые.

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, ученые поняли, что многие из белков-партнеров Xist связаны с аутоиммунными заболеваниями. Могут ли комплексы РНК-белок-ДНК, образующиеся в ходе инактивации Х-хромосомы, вызывать общеизвестно высокий уровень аутоиммунитета у женщин по сравнению с мужчинами? Этот вопрос послужил толчком для нового исследования.

Что, если у мужчин будет Xist?

Чтобы устранить возможные конкурирующие причины, такие как действие женских гормонов или аномальное производство белка предположительно замолчавшей второй Х-хромосомой, исследователи поступили следующим образом.

Они вшили ген Xist в геномы двух разных линий лабораторных мышей-самцов. Один штамм весьма восприимчив к аутоиммунным симптомам, имитирующим волчанку, причем самки более восприимчивы, чем самцы. Другой сопротивляется этому.

Вставленный ген Xist был модифицирован двумя способами. Его можно было включить или выключить химическими средствами, выкачивая Xist 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 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 волчанко-подобное аутоиммунное состояние восприимчивой линии мышей, исследователи смогли сравнить его эффект для самцов, принимавших Xist, с его действием на нормальных самцов, которые ничего не делали.

В итоге 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 активированных Xist самцов мышей восприимчивого штамма показало, что для запуска аутоиммунного процесса требуется не только активация Xist, но и какой-то повреждающий ткани стресс (вызванный, в данном случае, инъекцией раздражителя).

В штамме, устойчивом к аутоиммунным заболеваниям, активации Xist у биоинженерных мышей-самцов было недостаточно, чтобы вызвать аутоиммунитет — как 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, отметили ученые.

На пути к улучшению системы скрининга аутоиммунных заболеваний

Ранним шагом в развитии аутоиммунитета является появление аутоантител: антител, нацеленных на собственные ткани или клеточные продукты. 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 Xist», — говорит Говард Чанг. «Но в течение нескольких десятилетий мы использовали мужскую клеточную линию в качестве эталона. Эта мужская клеточная линия не продуцировала ни Xist, ни комплексов Xist/белок/ДНК, и с тех пор в тесте не использовались другие клетки. Таким образом, все антитела к анти-Xist-комплексу пациентки — огромный источник женской аутоиммунной восприимчивости — оставались незамеченными».

Исследование было опубликовано в журнале Cell.