En systembiologisk tilgang til at identificere intelligenskvotient-score-relaterede genomiske regioner og veje, der er relevante for potentielle terapeutiske behandlinger

IQ-relaterede gener er beriget i flere regioner af kromosom 7 og X

For at løse den genetiske kompleksitet af IQ-score har vi udviklet IQdb (http://IQdb.cbi.pku.edu.cn), en offentligt tilgængelig database til udforskning af IQ-associerede menneskelige gener7. I IQdb tjener 158 eksperimentelt verificerede gener fra litteraturen som kernedatasæt, blandt hvilke ca. 16% af de IQ-relaterede gener er placeret på X-kromosomet. Det er rapporteret, at kun 3,4 % af alle menneskelige gener tilhører X-kromosomet12. Den tydelige kontrast kan tyde på, at de IQ-relaterede gener er overrepræsenteret på X-kromosomet. For at afklare mere detaljeret, hvilke genomiske regioner der indeholder et større antal IQ-relaterede gener, anvendte vi en hypergeometrisk test baseret på genindholdet for hvert cytobånd på det menneskelige genom. Den yderligere berigelsesanalyse identificerede 10 genomiske regioner med et betydeligt større antal IQ-relaterede gener. Blandt de 10 regioner hører 4 til X-kromosomet, herunder Xp, Xq, Xq28 og Xp11. En tidligere genekspressionsundersøgelse viste, at generne på X-kromosomet har større sandsynlighed for at blive udtrykt i hjerneområder og reproduktionsvæv13. Vores resultater kan være i overensstemmelse med den idé, at gener på X-kromosomet kan være forbundet med den kvantitative IQ-score12. Da X-kromosomet er vigtigt for den seksuelle differentiering, kan berigelsen af IQ-relaterede gener på X-kromosomet give et incitament til at udforske forskelle i IQ-scoren mellem kønnene14,15.

Der er i tidligere undersøgelser identificeret 46 genomiske regioner, der er involveret i IQ ved hjælp af en linkagetilgang7. Selv om ingen af disse regioner er placeret på X-kromosomet, er seks af dem fra kromosom 7 hos mennesker (13,04 %). Blandt de ti genomiske regioner med berigede IQ-relaterede gener er seks ikke på X-kromosomet, herunder 7q, 7q11, 7q31, 8p12, 15q14 og17p13. Bortset fra 8p1216 overlapper ingen af disse genomiske regioner med de genomiske regioner i de tidligere linkageundersøgelser. Tre ud af seks regioner er fra kromosom 7 og tegner sig for 8,86 % af de 158 IQ-relaterede gener (tabel 1). En tidligere undersøgelse viste, at 7q31-36 kan være forbundet med verbal IQ baseret på 361 australske og hollandske tvillinger17. Vores resultater kan afdække komplementære roller for generne på kromosom 7 i generel intelligens.

Sammenfattende indsnævrer vores analyse de sandsynlige genomiske regioner til flere sandsynlige kandidater, hvilket giver en bedre forståelse af en IQ-relateret genomik og en meget rationel måde at fortolke forskelle som f.eks. køn på. Især har vores genberigelsesbaserede tilgang identificeret flere genomiske regioner i kromosom X, som blev overset i tidligere linkageundersøgelser. Denne forskel kan skyldes prøvestørrelsen af populationen i koblingsundersøgelser. Den anden mulige årsag er, at de fleste gener på kromosom X i IQdb er indsamlet på grundlag af enkeltgenbaserede funktionelle undersøgelser. Genetisk association er ved at udvikle sig som et screeningsværktøj i stor skala. Disse små andele af genomiske regioner har gjort det muligt at foretage en global undersøgelse af genomet/proteomet på en større population.

De berigede målgener i 158 IQ-relaterede gener for transkriptionsfaktorer og miRNA’er relateret til psykiske lidelser

Et grundlæggende problem i biologiske systemer er at opdage potentielle regulatorer for kandidatgener, hvilket kan hjælpe os med at forstå hele mængden af genetisk information. Sammenlignet med berigede IQ-relaterede gener lærer regulering os ikke om det lineære forhold til det fysiske kromosom, men om de dynamiske mekanismer for underliggende miljømæssige ændringer.

De modificerende virkninger af flere typer regulerende gener er bredt undersøgt og kan forudsiges på grundlag af sekvensegenskaber af deres potentielle målgener. Transkriptionsfaktor (TF) kan påvirke genekspression gennem aktivering eller undertrykkelse af transkription af målgener med forskellig bindingseffektivitet i promotorregioner18. Den anden store gruppe af regulatorer, MicroRNA (miRNA), kan regulere mRNA-ekspression på post-transkriptionelt niveau, f.eks. nedbrydning eller translationel repression ved at binde målgenet med små komplementære sekvenser19. For at identificere potentielle opstrøms TF’er og miRNA’er som mulige regulatorer af 158-genet udførte vi en berigelsesanalyse af både TF- og miRNA-mål. I alt identificerede vi syv TF’er, der sandsynligvis regulerer sættet af IQ-relaterede gener. Det drejer sig om FOXF2, FOXO4, MAZ, MEF2A, NFIL3, TCF3 og TFAP4. NFIL3 er angiveligt forbundet med neuronsygdom20. Det mest bemærkelsesværdige er, at MEF2 påvises at regulere læringsinduceret strukturel plasticitet og hukommelsesdannelse negativt21. Der er 16 målgener for MEF2 i 158 genesæt, herunder ATXN1, BDNF, BRAF, DBH, DMD, DMPK, DRD3, GNAS, GRIN2B, IL1RAPL1, IL6R, NR3C2, PHOX2B, SNAP25, TMEM67 og TSC1. På grundlag af vejannotation fandt vi, at seks af dem (BDNF, BRAF, DRD3, GNAS, GRIN2B og SNAP25) havde funktioner i det neuronale system. Desuden var generne DRD3, GNAS og GRIN2B relateret til dopaminerge synapse. Disse MEF2-mål i det IQ-relaterede gen-sæt kan danne det centrale transkriptionelle kredsløb, der påvirker hukommelsesdannelse relateret til IQ, hvilket kræver en yderligere eksperimentel validering.

Baseret på en lignende tilgang fandt vi, at 16 humane miRNA’er havde tendens til at regulere IQ-relaterede gener. De var hsa-let-7i, hsa-mir-15b, hsa-mir-16, hsa-mir-181d, hsa-mir-195, hsa-mir-30a-3p, hsa-mir-30e-3p, hsa-mir-330, hsa-mir-374, hsa-mir-424, hsa-mir-429, hsa-mir-497, hsa-mir-515-5p, hsa-mir-519e, hsa-mir-522 og hsa-mir-96. Fire af dem, hsa-let-7i, hsa-miR-15b, hsa-miR-195 og hsa-miR-330, var relateret til psykiske lidelser på grundlag af sygdomsannotation. Både hsa-miR-15b og hsa-miR-195 tilhører miR-15-familien, som er blevet opreguleret i den overlegne temporale gyrus og den dorsolaterale præfrontale cortex hos skizofrene personer22. Disse to miRNA’er kan formidle bred gen-tyveri i cellen. Blandt de 158 IQ-relaterede gener er målene for disse to miRNA’er ADRB2, ATXN2, BDNF, GHR, IL1RAPL1, KCNJ2, MAP2K1, PAFAH1B1, RAF1, RELN, RPS6KA3, SIGMAR1, SLC6A4 og STX1A. Sammenligner man dette sæt med MEF2-målene, er det kun BDNF, der forekommer i begge sæt mål for TF’er og miRNA’er relateret til psykiske lidelser, hvilket kan fremhæve dets centrale rolle i signalveje relateret til menneskelig intelligens og dets potentielle rolle som knudepunkt for regulatoriske kredsløb i de IQ-relaterede gener23.

Rekonstruktion af kernevejen for IQ-relaterede gener ved hjælp af kendte biologiske veje

Vi er nu i stand til at specificere flere genomiske regioner og regulatorer som mulige determinanter for IQ-fænototypen. Vi har vedtaget en tilgang til rekonstruktion af veje for at beskrive mere komplekse biologiske processer, der er arrangeret i form af en kaskade af forbundne biokemiske reaktioner eller signaloverførsler. Generelt giver molekylærbiologisk eksperimentel teknologi os mulighed for at identificere fysiske og funktionelle interaktioner mellem molekyler i cellen. Masser af signalnetværk og signalveje er opsummeret på grundlag af pålidelige eksperimentelle beviser. Generelt set er de biologiske veje spredt i mange databaser og er ofte repræsenteret som diagrammer. For nylig integrerede Pathway Commons populære databaser over banedatabaser og tilbyder nu et bekvemt, almindeligt tekstbaseret, praktisk format til yderligere udforskning og rekonstruktion af banedatabaser24. For at udnytte de tilgængelige data anvendte vi Klein-Ravi Steiner-algoritmen til at udtrække kerneinteraktioner fra de integrerede data om menneskets vejbaner (se Metoder). Den rekonstruerede kernevej indeholder i alt 97 gener og 129 fuldt forbundne vejforbindelser (figur 1A). Blandt de 97 knuder er 62 i de 158 IQ-relaterede gener.

Biologisk vejberigelsesanalyse er en af de mest praktiske måder at udvinde underliggende molekylære mekanismer i komplekse cellulære processer25. Yderligere funktionel berigelsesanalyse viste, at 97 gener i vores rekonstruerede kort var beriget i 30 biologiske veje (tabel 2). Med hensyn til neuronrelateret funktion er der tre identificerede veje: “Neurotrophin-signalering”, “langtidspotentiering” og “GnRH-signalering”. Det er interessant, at størstedelen af de resterende 27 veje er relateret til forskellige signalbegivenheder, herunder signalering i kræft, ErbB-receptor, TRAIL, proteoglykan syndecan, IFN-gamma, PI3K, MAPK, TSH, Kit-receptor, TCR, IL-3 og hepatocyte Growth Factor Receptor. Ud over neurohormonet GnRH, som produceres i en nervecelle og frigives ved dens neurale terminal, viste kortlægningen, at yderligere fem hormoner kan have en virkning. Det drejer sig om androgen, endotheliner, glypican, leptin og prolactin. Sammenfattende afslørede vores rekonstruerede kort flere stier, der er relateret til flere kendte signalveje, hvilket tyder på potentielle cellulære mekanismer, som så vidt vides ikke er blevet præsenteret inden for emnet signaltransduktion. Hormonrelaterede veje, herunder en androgenmodtagelse-signalvej relateret til udvikling af mandlige sekundære kønskarakteristika, kan foreslå interessante og nye komponenter relateret til kønsforskel og udvide vores nuværende viden.

Anordningen og strukturen af knudepunkterne i et komplekst system, såsom et biologisk netværk, følger ofte specifikke regler, som kan være tæt forbundet med funktionen i dette system11. For at dekomponere de rekonstruerede kort blev der foretaget en topologisk analyse (figur 1B-D). Generelt er antallet af forbindelser ved hver knude repræsenteret som graden i et netværk11. Som vist i figur 1B følger graderne for alle molekyler i det rekonstruerede kort en power law-fordeling: P(k) ~ k-b, hvor P(k) er sandsynligheden for, at et molekyle forbinder sig med k molekyler, og b har en anslået værdi på 1,602. Derfor er størstedelen af molekylerne i vores kort kun sparsomt forbundet. Derimod er der en lille del af molekylerne, som har større sandsynlighed for at være forbundet. I alt er der 11 molekyler med mindst fem forbindelser. Det drejer sig om PRKACA (14), CREB1 (9), TP53 (8), SOS1 (8), JAK2 (7), PTPN11 (7), PIK3CA (6), CREBBP (6), CDC42 (6), RAF1 (5) og GNAI3 (5). Blandt disse er der fire i 158 IQ-relaterede gen-sæt, nemlig SOS1, PTPN11, CREBBP og RAF1. De resterende syv molekyler er vedhæftet gennem veje, der er forbundet med de 158 gener.

Hubknuderne i et netværk tjener ofte som fælles forbindelser til at formidle informationstransduktion langs en kort vej. De spiller således ofte en fremtrædende rolle i biologiske netværk. I vores kort er genet PRKACA det mest forbundne med 14 forbindelser. PRKACA (proteinkinase, cAMP-afhængig, katalytisk, alfa) spiller en grundlæggende rolle i forskellige cellulære funktioner, der er relateret til 76 KEGG- og 59 REACTOME-stier, herunder cellecyklus, apoptose, signaltransduktion, gap junction og interaktion med HIV og immunsystemet. Desuden er PRKACA involveret i mange neurologiske processer såsom langtidspotentiering, GnRH-signalering, nikotinaktivitet på dopaminerge neuroner, afhængighed (amfetamin, kokain og morfin), synapseaktiviteter (kolinerge, dopaminerge, glutamatergiske og serotonerge synapser). Tidligere undersøgelser viser, at cAMP-afhængige proteinkinaser er involveret i den associative indlæring hos Drosophila (frugtflue)26. Desuden rapporteres det, at cAMP/cAMP-afhængige proteinkinaser i hippocampusregionen er forbundet med en sen hukommelseskonsolideringsfase af aversivt motiveret indlæring hos rotter27. Desuden kan cAMP-afhængige proteinkinaser også samarbejde med CaMKII i H3-receptoren for at regulere syntesen og frigivelsen af histamin28. Ud over PRKACA kan CREB1 (cAMP response element-binding protein 1), som er det næstmest forbundne gen i vores rekonstruerede kort, også binde sig til cAMP-responselementer i DNA. Dette gen er blevet rapporteret til at lette dannelsen af langtidshukommelse. Desuden interagerer CREB1 med BDNF og NTRK2 for at danne en kernevej i depression29. På trods af denne mængde beviser for den rolle, som cAMP-afhængige proteinkinaser og cAMP-responselement-bindingsprotein spiller i kognitive relaterede processer, har der ikke været nogen sammenhæng mellem cAMP-afhængige proteinkinaser eller cAMP-responselement-bindingsprotein og IQ. Disse overlapper med mange kendte signalkaskader med IQ-relaterede gener, hvilket kan give et fingerpeg om komplekse signaleringskoblinger centreret af PRKACA/CREB1, som er i IQdb.

Ud over de cAMP-relaterede molekyler er der mindst to kræftrelaterede gener identificeret af vores tilgang til rekonstruktion af veje. Det ene er den mest velkendte tumorsuppressor TP53. Der er faktisk tegn på, at er spiller en rolle i IQ-relaterede mentale lidelser som f.eks. skizofreni30. Desuden er det andet onkogen, PIK3CA, også medtaget i vores endelige kort og er kendt for at påvirke flere psykiatriske processer31,32,33. De næste tre mest forbundne gener (JAK2, CDC42 og GNAI3) er også blevet rapporteret som værende relateret til kognitive forstyrrelser eller relaterede neuronale funktioner. JAK2 er forbundet med kognitiv svækkelse i musemodellen34. CDC42 er forbundet med neurofibromatose og mental retardering35. På trods af at der ikke er nogen direkte beviser for dens rolle i kognitive processer, deltager GNAI3 i negativ regulering af synapseoverførsel, langtidsdepression og axonstyring i henhold til KEGG-annotationen for en vej. Sammenfattende kan man sige, at af de syv hubmolekyler i vores rekonstruerede kort, der er relateret til IQ, er mindst seks (85,71 %) af dem rapporteret i litteraturen som værende potentielt forbundet med IQ eller andre kognitive processer. Denne høje relevans viser ikke kun nøjagtigheden af den vejbaseret rekonstruktionsmetode til at identificere kritiske molekyler, men giver også en fuldt forbundet signalvej, der er værd at undersøge yderligere.

Men selv om vores rekonstruerede kort er en uorienteret signalvej, giver det mange testbare molekyler i et typisk lille-verdensnetværk, der er involveret i kognitive processer, hvor deres grader følger en power-law-fordeling. Vores yderligere topologiske analyse af kort vej (figur 1C) og nærhedscentralitet (figur 1D) viser, at det rekonstruerede kort er relativt kompakt. Stilængden repræsenterer, hvor mange skridt der er mellem et knudepunkt og andre knudepunkter11. Som det fremgår af figur 1C, kan størstedelen af knuderne i kortet let nås fra en anden knude på tre til seks trin. Nærhedscentraliteten bruges til at afsløre det korteste skridt fra en knude til en anden knude11. Som det fremgår af figur 1D, har knuder med flere naboer tendens til at have højere nærhedscentralitet.

Et forbundet lægemiddel-målnetværk i kernevejen for IQ-relaterede gener

Baseret på det rekonstruerede vejkort identificerede vi yderligere berigede lægemiddelmål i dette kort. Ved hjælp af de berigede lægemiddelmål som input kombinerede vi lægemidlerne og deres mål for at danne et lægemiddel-mål-netværk. Som vist i figur 2A er der ti berigede lægemidler, nemlig dopamin, nitrogenoxid, L-tyrosin, methamfetamin, noradrenalin, glutathion, amfetamin, tetrahydrobiopterin, apomorfin og somatropin rekombinant. Bortset fra somatropin rekombinant er alle blevet rapporteret som aktive i nervesystemer eller mentale funktioner i henhold til farmakodynamiske annotationer i DrugBank36. Det er interessant, at seks af dem interagerer med to kritiske neurotransmittersystemer (dopamin og noradrenalin), som regulerer humør og adfærd. Disse omfatter amfetamin, apomorfin, dopamin, L-tyrosin og noradrenalin. Dopamin er en neurotransmitter, der er ansvarlig for forskellige adfærds- og kognitionsaktiviteter, som f.eks. findes i belønningsdrevne indlæringssystemer. Dopamin er også forbundet med mange neurologiske lidelser såsom Parkinsons sygdom, psykose og skizofreni37. Noradrenalin spiller en afgørende rolle i beslutningstagning og kan påvirke opmærksomheden; det anvendes også som antidepressivt og antiskizofrent middel38,39. L-tyrosin er en af forløberne i syntesen af dopamin og noradrenalin og kan bruges til at behandle depression, forbedre hukommelsen og øge den mentale årvågenhed ifølge DrugBank-annotationen36. Amfetamin kan stimulere centrale adrenerge receptorer til at frigive noradrenalin, og en høj dosis amfetamin kan angiveligt bidrage til at frigive dopamin. Methamfetamin, en beslægtet enhed, er neurotoksisk for dopamintransportører og anvendes ofte til at markere dopaminterminale forsøgsdyr. Da det er involveret i dopaminsystemer, er methamfetamin blevet rapporteret at være forbundet med langsommere motorisk funktion og forringelse af hukommelsen40. Apomorfin er en dopaminagonist og anvendes til behandling af Parkinsons sygdom baseret på DrugBank-annotation i henhold til DrugBank-annotation36.

De seks lægemidler, der påvirker de to kritiske neurotransmittere dopamin og noradrenalin, dækkede 66,7 % af målgenerne (32 gener) i lægemiddel-målkortet (figur 2A). Da vi konstruerede dette kort ved hjælp af berigede lægemidler, er dette lægemiddel-målkort for det meste centreret af lægemidler. Derfor er stoffernes konnektiviteter højere end lægemidlernes målgener, som vist i figur 2B. Ved hjælp af topologisk analyse kan de fleste knudepunkter nås fra hinanden i to til fire trin (figur 2C). Da størstedelen af målene og lægemidlerne er relateret til dopamin- og noradrenalsystemet, er dette netværk også meget kompakt baseret på nærhedscentraliteterne (figur 2D). Sammenfattende viser vores berigelses- og netværksbaserede analyse, at dopamin- og noradrenalsystemerne er kritiske for IQ-relaterede gener, hvilket kan give mere indsigt i den kognitive proces ud fra et IQ-aspekt.