Роль генов апоптоза в контроле агрессивного поведения, выявленная с помощью комбинированного анализа ассоциативных генных сетей, экспрессионных и геномных данных по серым крысам с агрессивным поведением

Агрессивное поведение животных играет важную роль при защите территории, потомства, установлении социально­иерархических отношений и т. д. При ряде заболеваний (шизофрения, маниакально­депрессивный психоз, нейродегенеративные заболевания) наблюдается повышенная агрессия. В нейрогенезе большое значение в поддержании клеточного гомеостаза имеет нейрональный апоптоз. Нарушения нейронального апоптоза отмечаются при старении и различных нейропатологиях (эпилепсия, болезнь Альцгеймера, нейротравмы), сопровождающихся изменениями психоэмоционального состояния. Известно, что в мозге высокоагрессивных крыс значительно изменяется уровень экспрессии ключевых генов нейронального апоптоза (Casp3, Bax и Bcl-xl). В связи с этим актуальным является изучение связей нейронального апоптоза и агрессивного поведения. Целью данной работы был анализ ассоциативных сетей, описывающих молекулярно­генетические взаимодействия между генами/белками, вовлеченными в нейрональный апоптоз, дифференциально экспрессированными генами и генами, имеющими полиморфизмы, у серых крыс с агрессивным поведением. Выявлено 819 дифференциально экспресси рующихся генов в гипоталамусе, вентральной тегментальной об ласти и в сером веществе периакведуктума у крыс с агрессивным и дружелюбным поведением. Анализ ассоциативной сети диффе ренциально экспрессирующихся генов позволил выявить три вершины с максимальной центральностью, которые соответство вали генам Stx1a, Mbp и Th. При анализе генома было  обнаружено 137 полиморфных генов, три из которых (Lig4, Parp1 и Pigt) вовлечены в нейрональный апоптоз. Показано, что среди генов, взаимодей ствующих в ассоциативной сети с генами, вовлеченными в нейро нальный апоптоз, статистически значимо представлены полиморфные и дифференциально экспрессированные гены (p-value < 0.01). Реконструированы три молекулярно­генетические цепочки, описывающие связи между полиморфными генами и генами/белками нейронального апоптоза, опосредованные через дифференциально экспрессированные гены. Цепочки включали полиморфные гены Tsc1, Adamts4 и Lgals3, дифференциально экспрессированные гены Ezr, Acan, Th и 19 генов нейронального апоптоза. Было показано, что процесс нейронального апоптоза тесно связан с агрессивным поведением у животных.

: нейрональный апоптоз, агрессивное поведение, ANDSystem, ассоциативные генные сети, дифференциально экспрессирующиеся гены, полиморфизмы

1. Ashburner M., Ball C.A., Blake J.A., Botstein D., Butler H., Cherry J.M., Davis A.P., Dolinski K., Dwight S.S., Eppig J.T., Harris M.A., Hill D.P., Issel-Tarver L., Kasarskis A., Lewis S., Matese J.C., Richardson J.E., Ringwald M., Rubin G.M., Sherlock G. Gene Ontology: tool for the unification of biology. Nature Genetics. 2000;25(1):25-29. DOI 10.1038/75556.

2. Benus R.F., Bohus B., Koolhaas J.M., van Oortmerssen G.A. Behavioural differences between artificially selected aggressive and nonaggressive mice: response to apomorphine. Behav. Brain Res. 1991; 43(2):203-208. DOI 10.1016/S0166-4328(05)80072-5.

3. Berhow M.T., Russell D.S., Terwilliger R.Z., Beitner-Johnson D., Self D.W., Lindsay R.M., Nestler E.J. Influence of neurotrophic factors on morphine- and cocaine-induced biochemical changes in the mesolimbic dopamine system. Neuroscience. 1995; 68(4):969-979.

4. Beurel E., Jope R.S. The paradoxical pro- and anti-apoptotic actions of GSK3 in the intrinsic and extrinsic apoptosis signaling pathways. Prog. Neurobiol. 2006;79(4):173-189. DOI 10.1016/j.pneurobio.2006.07.006.

5. Bondar N.P., Ul’yana A.B., Kovalenko I.L., Filipenko M.L., Kudryavtseva N.N. Molecular implications of repeated aggression: Th, Dat1, Snca and Bdnf gene expression in the VTA of victorious male mice. PLoS ONE. 2009; 4(1):e4190. DOI 10.1371/journal.pone.0004190.

6. Chip S., Fernandez-Lopez D., Li F., Faustino J., Derugin N., Vexler Z.S. Genetic deletion of galectin-3 enhances neuroinflammation, affects microglial activation and contributes to sub-chronic injury in experimental neonatal focal stroke. Brain Behav. Immun. 2017;60:270281. DOI 10.1016/j.bbi.2016.11.005.

7. Craig I.W., Halton K.E. Genetics of human aggressive behaviour. Hu man Genetics. 2009;126(1):101-113. DOI 10.1007/s00439-0090695-9.

8. Danecek P., Auton A., Abecasis G., Albers C.A., Banks E., DePristo M.A., Handsaker R.E., Lunter G., Marth G.T., Sherry S.T., McVean G. The variant call format and VCFtools. Bioinformatics. 2011;27(15):2156-2158. DOI 10.1093/bioinformatics/btr330.

9. Demas G.E., Kriegsfeld L.J., Blackshaw S., Huang P., Gammie S.C., Nelson R.J., Snyder S.H. Elimination of aggressive behavior in male mice lacking endothelial nitric oxide synthase. J. Neurosci. 1999; 19:RC30. DOI 0270-6474/99/190001.

10. Demenkov P.S., Ivanisenko T.V., Kolchanov N.A., Ivanisenko V.A. ANDVisio: a new tool for graphic visualization and analysis of literature mined associative gene networks in the ANDSystem. In Silico Biology. 2012;11(3,4):149-161. DOI 10.3233/ISB-2012-0449.

11. Dobin A., Davis C.A., Schlesinger F., Drenkow J., Zaleski C., Jha S., Batut P., Chaisson M., Gingeras T.R. STAR: ultrafast universal RNA-seq aligner. Bioinformatics. 2013;29(1):15-21. DOI 10.1093/bioinformatics/bts635.

12. Dorofeeva N.A., Nikitina L.S., Glazova M.V., Kirillova O.D., Chernigovskaia E.V. Inactivation of p53 leads to enhancement of tyrosine hydroxylase biosynthesis in the dopaminergic brain neurons. Zhurnal Evoliutsionnoi Biokhimii i Fiziologii. 2013;49(2):137-143.

13. Durdiaková J., Warrier V., Banerjee-Basu S., Baron-Cohen S., Chakrabarti B. STX1A and Asperger syndrome: a replication study. Mol. Autism. 2014;5:14. DOI 10.1186/2040-2392-5-14.

14. Feng L., Balakir R., Precht P., Horton W.E. Bcl-2 regulates chondrocyte morphology and aggrecan gene expression independent of caspase activation and full apoptosis. J. Cell. Biochem. 1999;74(4):576-586. DOI 10.1002/(SICI)1097-4644(19990915)74:4<576::AID-JCB7>3.0. CO;2-N.

15. Franklin J.L. Redox regulation of the intrinsic pathway in neuronal apoptosis. Antioxid. Redox Signal. 2011;14(8):1437-1448. DOI 10.1089/ars.2010.3596.

16. Fukuchi M., Fujii H., Takachi H., Ichinose H., Kuwana Y., Tabuchi A., Tsuda M. Activation of tyrosine hydroxylase (TH) gene transcription induced by brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its selective inhibition through Ca2+ signals evoked via the N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor. Brain Res. 2010; 1366:18-26. DOI 10.1016/j.brainres.2010.10.034.

17. Gammie S.C., D’Anna K.L., Gerstein H., Stevenson S.A. Neurotensin inversely modulates maternal aggression. Neuroscience. 2009; 158(4):1215-1223. DOI 10.1016/j.neuroscience.2008.11.045.

18. Georgievska B., Carlsson T., Lacar B., Winkler C., Kirik D. Dissociation between short-term increased graft survival and long-term functional improvements in Parkinsonian rats overexpressing glial cell line-derived neurotrophic factor. Eur. J. Neurosci. 2004;20(11):31213130. DOI 10.1111/j.1460-9568.2004.03770.x.

19. Hagberg A., Swart P., Chult D.S. Exploring network structure, dynamics, and function using NetworkX: Proc. of the 7th Python in Sci. Conf. (SciPy 2008). USA: Los Alamos National Laboratory (LANL), 2008;11-15.

20. Hinde R. Animal Behaviour: A Synthesis of Ethology and Comparative Psychology. 2nd ed. N. Y., St.Louis, San Francisco, Dusseldorf, London, Mexico, Panama, Sydney, Toronto: McGraw-Hill, 1970. [Russ. ed.: Khaynd R. Povedenie zhivotnykh. Sintez etologii i sravnitelnoy psikhologii. Moscow: Mir Publ., 1975. (in Russian)]

21. Hotchkiss A.K., Pyter L.M., Gatien M.L., Wen J.C., Milman H.A., Nelson R.J. Aggressive behavior increases after termination of chronic sildenafil treatment in mice. Physiol. Behav. 2005;83(5):683-688. DOI 10.1016/j.physbeh.2004.09.005.

22. Huang D.W., Sherman B.T., Lempicki R.A. Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources. Nat. Protoc. 2009;4(1):44-57. DOI 10.1038/nprot.2008.211.

23. Ilchibaeva T.V., Tsybko A.S., Kozhemyakina R.V., Naumenko V.S. Expression of apoptosis genes in the brain of rats with genetically defined fear-induced aggression. Mol. Biol. 2016;50(5):719-724. DOI 10.1134/S0026893316030079.

24. Ivanisenko V.A., Saik O.V., Ivanisenko N.V., Tiys E.S., Ivanisenko T.V., Demenkov P.S., Kolchanov N.A. ANDSystem: an Associative Network Discovery System for automated literature mining in the field of biology. BMC Syst. Biol. 2015;9(Suppl.2):S2. DOI 10.1186/1752-0509-9-S2-S2.

25. Kansy J.W., Daubner S.C., Nishi A., Sotogaku N., Lloyd M.D., Nguyen C., Lu L., Haycock J.W., Hope B.T., Fitzpatrick P.F., Bibb J.A. Identification of tyrosine hydroxylase as a physiological substrate for Cdk5. J. Neurochem. 2004;91(2):374-384. DOI 10.1111/j.14714159.2004.02723.x.

26. Kim M.S., Kim J.H., Lee M.R., Kang J.H., Kim H.J., Ko H.M., Choi C.H., Jung J.Y., Koh J.T., Kim B.K., Oh H.K. Effects of alendronate on a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs expression in the developing epiphyseal cartilage in rats. Anat. Histol. Embryol. 2009;38(2):154-160. DOI 10.1111/j.14390264.2008.00920.x.

27. Klooster A.R., Bernier S.M. Tumor necrosis factor alpha and epidermal growth factor act additively to inhibit matrix gene expression by chondrocyte. Arthritis. Res. Ther. 2004;7(1):R127. DOI 10.1186/ar1464.

28. Koike T., Wakabayashi T., Mori T., Hirahara Y., Yamada H. Sox2 promotes survival of satellite glial cells in vitro. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015;464(1):269-274. DOI 10.1016/j.bbrc.2015.06.141.

29. Kozhemyakina R.V., Konoshenko M.Yu., Sakharov D.G., Smagin D.A., Markel A.L. Comparative analysis of the behavior of wild Norway rats (Rattus norvegicus) and Norway rats selected for tolerant and aggressive behavior in the open field test. Zhurnal vysshey nervnoy deyatelnosti im. I.P. Pavlova = I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous Activity. 2016;66(1):92-102. DOI 10.7868/ S0044467716010093. (in Russian)

30. Li H. A statistical framework for SNP calling, mutation discovery, association mapping and population genetical parameter estimation from sequencing data. Bioinformatics. 2011;27(21):2987-2993. DOI 10.1093/bioinformatics/btr509.

31. Lorenz K. On Aggression. Psychology Press, 2002. Love M.I., Huber W., Anders S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biol. 2014; 15(12):550. DOI 10.1186/s13059-014-0550-8.

32. Maney D.L., Erwin K.L., Goode C.T. Neuroendocrine correlates of behavioral polymorphism in white-throated sparrows. Horm. Behav. 2005;48(2):196-206. DOI 10.1016/j.yhbeh.2005.03.004.

33. Mao Z., Bonni A., Xia F., Nadal-Vicens M., Greenberg M.E. Neuronal activity-dependent cell survival mediated by transcription factor MEF2. Science. 1999;286(5440):785-790. DOI 10.1126/science.286.5440.785.

34. McLaren W., Gil L., Hunt S.E., Riat H.S., Ritchie G.R., Thormann A., Flicek P., Cunningham F. The ensembl variant effect predictor. Genome Biol. 2016;17(1):122. DOI 10.1186/s13059-016-0974-4.

35. Narayanan V. Tuberous sclerosis complex: genetics to pathogenesis. Pediatr. Neurol. 2003;29(5):404-409. DOI 10.1016/j.pediatrneurol. 2003.09.002.

36. Narkis G., Ofir R., Manor E., Landau D., Elbedour K., Birk O.S. Lethal congenital contractural syndrome type 2 (LCCS2) is caused by a mutation in ERBB3 (Her3), a modulator of the phosphatidylinositol3-kinase/Akt pathway. Am. J. Hum. Genet. 2007;81(3):589-595. DOI 10.1086/520770.

37. Okamoto S.I., Li Z., Ju C., Schölzke M.N., Mathews E., Cui J., Salvesen G.S., Bossy-Wetzel E., Lipton S.A. Dominant-interfering forms of MEF2 generated by caspase cleavage contribute to NMDA-induced neuronal apoptosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002;99(6): 3974-3979. DOI 10.1073/pnas.022036399.

38. Plyusnina I., Oskina I. Behavioral and adrenocortical responses to open-field test in rats selected for reduced aggressiveness toward humans. Physiol. Behav. 1997;61(3):381-385. DOI 10.1016/S00319384(96)00445-3.

39. Prince J.E., Brignall A.C., Cutforth T., Shen K., Cloutier J.F. Kirrel3 is required for the coalescence of vomeronasal sensory neuron axons into glomeruli and for male-male aggression. Development. 2013; 140(11):2398-2408. DOI 10.1242/dev.087262.

40. Rong W., Wang J., Liu X., Jiang L., Wei F., Hu X., Han X., Liu Z. Naringin treatment improves functional recovery by increasing BDNF and VEGF expression, inhibiting neuronal apoptosis after spinal cord injury. Neurochem. Res. 2012;37(8):1615-1623. DOI 10.1007/s11064-012-0756-7.

41. Ryan L.A., Peng H., Erichsen D.A., Huang Y., Persidsky Y., Zhou Y., Gendelman H.E., Zheng J. TNF-related apoptosis-inducing ligand mediates human neuronal apoptosis: links to HIV-1-associated dementia. J. Neuroimmunol. 2004;148(1):127-139. DOI 10.1016/j.jneuroim.2003.11.019.

42. Sairanen T., Szepesi R., Karjalainen-Lindsberg M.L., Saksi J., Paetau A., Lindsberg P.J. Neuronal caspase-3 and PARP-1 correlate differentially with apoptosis and necrosis in ischemic human stroke. Acta Neuropathol. 2009;118(4):541-552. DOI 10.1007/s00401-0090559-3.

43. Schlisio S. Neuronal apoptosis by prolyl hydroxylation: implication in nervous system tumours and the Warburg conundrum. J. Cell. Mol. Med. 2009;13(10):4104-4112. DOI 10.1111/j.1582-4934.2009.00881.x.

44. Sekiguchi J., Ferguson D.O., Chen H.T., Yang E.M., Earle J., Frank K., Whitlow S., Gu Y., Xu Y., Nussenzweig A., Alt F.W. Genetic interactions between ATM and the nonhomologous end-joining factors in genomic stability and development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001;98(6):3243-3248. DOI 10.1073/pnas.051632098.

45. Songin M., Jęśko H., Czapski G., Adamczyk A., Strosznajder R.P. GSK-3β and oxidative stress in aged brain. Role of poly (ADP). Folia Neuropathol. 2007;45(4):220-229.

46. Tang X., Jang S.W., Okada M., Chan C.B., Feng Y., Liu Y., Luo S.W., Hong Y., Rama N., Xiong W.C., Mehlen P. Netrin-1 mediates neuronal survival through PIKE-L interaction with the dependence receptor UNC5B. Nat. Cell Biol. 2008;10(6):698. DOI 10.1038/ncb1732.

47. Wang D.S., Bennett D.A., Mufson E.J., Mattila P., Cochran E., Dickson D.W. Contribution of changes in ubiquitin and myelin basic protein to age-related cognitive decline. Neurosci. Res. 2004;48(1):93100. DOI 10.1016/j.neures.2003.10.002.

48. Wang Y.C., He F., Ma J., Zhou D., Liang Y., Gong Y.X. Impacts of electroacupuncture on ubiquitin-proteasome system in rats with Parkinson’s disease. Zhongguo Zhen Jiu = Chinese Acupuncture & Moxibustion. 2013;33(8):725-729.

49. Wu L., Zhao Q., Zhu X., Peng M., Jia C., Wu W., Zheng J., Wu X.Z. A novel function of microRNA let-7d in regulation of galectin-3 expression in attention deficit hyperactivity disorder rat brain. Brain Pathol. 2010;20(6):1042-1054. DOI 10.1111/j.1750-3639.2010.00410.x.

50. Xie B., Wang C., Zheng Z., Song B., Ma C., Thiel G., Li M. Egr-1 transactivates Bim gene expression to promote neuronal apoptosis. J. Neurosci. 2011;31(13):5032-5044. DOI 10.1523/JNEUROSCI. 5504-10.2011.

51. Yates A., Akanni W., Amode M.R., Barrell D., Billis K., Carvalho-Silva D., Cummins C., Clapham P., Fitzgerald S., Gil L., Girón C.G., Gordon L., Hourlier T., Hunt S.E., Janacek S.H., Johnson N., Juettemann T., Keenan S., Lavidas I., Martin F.J., Maurel T., McLaren W., Murphy D.N., Nag R., Nuhn M., Parker A., Patricio M., Pignatelli M., Rahtz M., Riat H.S., Sheppard D., Taylor K., Thormann A., Vullo A., Wilder S.P., Zadissa A., Birney E., Harrow J., Muffato M., Perry E., Ruffier M., Spudich G., Trevanion S.J., Cunningham F., Aken B.L., Zerbino D.R., Flicek P. Ensembl 2016. Nucleic Acids Res. 2015;44(D1):D710-D716. DOI 10.1093/nar/gkv1157.