Otizm Spektrum Bozukluklarında Sinaptik Disfonksiyon

Otizm Tanımı Genel populasyonun yaklaşık % 1 i Çok geniş davranış belirtileri, ciddi komorbid bozuklukları olduğu için «spektrum» deniyor %70 inde zihinsel yetersizlikler ve %25 inde bayılma nöbetleri Geniş ölçekli popülasyon çalışmalarında erkekler 2-3 kat fazla etkilenmektedir (Begeer BD ve ark. 2011). DSM-V’te Otizm Spektrum Bozukluğu Sosyal iletişim ve etkileşimde zorluklar Sınırlı tekrarlayıcı davranış, ilgi ve aktiviteler Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders American Psychiatric Association (APA)

Otizm Tanımı Belirtilerin etkileri bireyin yaşamında 3 temel alana yayılmıştır: Sosyal etkileşimde bozulma Dil gelişimi ve iletişimde bozulma Sınırlı ilgi alanı ve davranışların olması

DSM-5 Sosyal, duygusal karşılık vermede bozulma Sosyal etkileşim için kullanılan iletişim davranışlarında bozulma İlişki geliştirme , sürdürme ve anlamada zorluk Sterotipik/tekrarlayıcı konuşma, motor hareket veya eşya kullanımı Rutinlere, sözel veya sözel olmayan ritüellere aşırı bağlılık veya değişime aşırı direnç Anormal yoğunlukta/odaklanmada kısıtlı, sabit ilgiler Duyusal uyaranlara aşırı veya az tepki verme veya ortamın duyusal uyaranlarına anormal ilgi Belirtiler erken çocuklukta başlamalı (sosyal talepler kapasitelerini aşana kadar belirginleşmeyebilir) Günlük fonksiyonlarda bozulma ve kısıtlanma olmalı

Otizm ve Sinaptik Disfonksiyon Zihinsel yetersizlik ve OSB ilişkili tek gen mutasyonlarından en yaygın olanları:

Fragile X Sendromu- FMR1 Tuberoz Sklerosis- TSC1, TSC2 Nörofibromatosis- NF1 Angelman Sendromu- 15q11-13, UBE3A Rett Sendromu- MECP2 PTEN hamartoma tumor Sendromu Phelan McDermid Sendromu: 22q13, SHANK3 NLGN3-4 ve NRXN1 mutasyonları (nonsendromik) Transkripsiyonel Disregülasyonun Tek gen bozuklukları: Rett Hamartom ya da hamartoma geliştiği organda normal olarak mevcut bulunan oluşturucu unsurlarla anormal bir karışımdan oluşan tümör görünümlü bir doku malformasyonudur. Bu doku normal bir görünümde olsa da fonksiyonları değişiktir. Çoğunlukla iyi huylu bir tümördür.

Hücre adezyonu ve hücre-hücre etkileşiminde rol alan bir çok transmembran protein tanımlanmıştır (Betancur 2009). Bu proteinler nöron migrasyonu, aksonun büyümesi-yolunu bulması, sinaptogenez, sinaptik stabilite, dendritik budanma için gerekmektedir. Bu sınıfta otizm genlerinden neurexin-neuroligin ailesi, contactin-associated protein-like 2, cadherin, protocadherin ve contactin ailesi yer alır.

Beyindeki primer silyanın beyin gelişiminde rol aldığı; hücre döngüsü ve migrasyonda merkez olduğu gösterilmiştir (Lee ve Gleeson 2011). Joubert sendromu gibi siliopatilerde otizm eş hastalığı olabilmektedir. AHI1 mutasyonu Joubert sendromuna yol açmakta ve sporadik otizm ile ilişkilendirilmektedir (Alvarez Retuerto 2008). Glutaminerjik nöronlardaki silya delesyonu dendritik arınma ve sinaps formasyonunda ağır defektlere yol açmaktadır

Otizm gen ürünleri arasında hücre iskele proteinleri bolca bulunmaktadır (Ting 2012). Bu proteinler hücre adezyon molekülleri, membran reseptörleri ve aktin ile ilişkidedir. Bu sayede hücre zarındaki protein komplekslerini stabilize etmekte ve aktine remodeling için bağlantı sağlamaktadır. Sinapslar için bu proteinlerin fonksiyonları çok önemlidir. Dendritik çıkıntıların morfolojik adaptasyonunda mekanizmalar gerekmektedir.

Diğer otizm gen ürünleri ekstraselüler olayların sinaptik iletimi için gereken intraselüler sinyal kaskadı moleküllerini içermektedir. Fosfat ve tensin homolog PTEN, TSC1 gen ürünü hamartin, TSC2 gen ürünü tuberin, FMR1 gen ürünü FMRP ve UBE3A örnek verilebilir. PTEN, hamartin ve tuberin yolları kesişen sinyal iletim bileşenleridir.

Otizm genlerinden iki grubu kromatin yapısı, epigenetik kodlama, gen transkripsiyonu ve mRNA translasyonunu içermektedir. Rett sendromuna neden olan methyl-CpG binding protein otizm patoloji ve otizm belirtinin tersine dönmesinde önemlidir (Zoghbi 2003, Guy 2007). FXS geni FMR1 ve FMRP proteini mRNA translasyonu ile ilgili olarak dendritteki lokal protein sentezinde önemli yere sahiptir.

Otizm ve Neuroligin-Neurexin Neuroligin ve Neurexin sinapsın şeklinde, maturasyonunda ve sürdürülmesinde önemli rol oynayan sinaptik hücre adezyon molekülleridir (Chih 2005, Varoqueaux 2006, Krueger 2012). Neuroliginlerin insanda NLGN1, NLGN2, NLGN3, NLGN4X ve NLGN4Y olmak üzere 5 izoformu, Nrxn protein ailesinin ise Nrxn1, Nrxn2 ve Nrxn 3’ten oluşan bilinen üç üyesi bulunmaktadır.

Otizm ve Neuroligin-Neurexin NRXN-NLGN komplesi ile otizm arasındaki ilk bağlantı otizmli kardeşlerde NLGN3 ve NLGN4 kodlayan X linked mutasyon tanımlanması ile gösterilmiştir (Jamain 2003). Sonrasında daha çok NLGN4 yanı sıra NLGN3 ve NRXN1 mutasyonları bildirilmiştir (Yan 2005, Sudhof 2008, Lintas ve Persico 2009). NLGNs ve NRXNs mutasyonlarının otizmin en sık monogenik sebebi olduğu düşünülmektedir. Hala tüm vakaların %1’den azını kapsamaktadır (Caglayan 2010).

Otizm ve Neuroligin3 NLGN3’te en sık arjininin sisteine dönüştüğü mutasyon görülmektedir (Jamain 2003). Bu mutasyonla NLGN3 ER’de birikmekte beta NRXN1 bağlanabilirliği azalmaktadır (Comoletti 2004, Chih 2005). Mutasyonun etkisi sinaptik bağlamda oluşmakta sinaps yapısı ve fonksiyonu spesifik etkilenmektedir (Etherton 2011). Fare modelindeki davranışsal çalışmalarda sosyal etkileşimde bozulma fakat uzaysal öğrenmede artma saptanmıştır (Tabuchi 2007, Etherton 2011).

Otizm ve Neuroligin3 NLGN3 gen delesyonu (Gilman 2011, Sanders 2011). Bu bulgulara uygun olarak Nlgn3 delesyonu olan farelerde otizmle ilişkili olabilecek ultrasonik vokalizasyonda azalma ve sosyal değişimi istememe görülmüştür (Radyushkin 2009). Farelerde Nlgn3 mutasyonu ve delesyonu bazı ortak ve farklı belirtilere neden olmuştur (Tabuchi 2007). mGluR1’de deregulasyon, mGluR1’ e bağlı LTD ve serebellumda anormal sinaps formasyonu

Otizm ve Neuroligin4X NLGN4X’te birçok otizm ilişkili mutasyon tanımlanmıştır (Yan 2005, Sudhof 2008, Lintas ve Persico 2009). Mutasyonların fonksiyon kaybına yol açtığı, proteinin ER’de biriktiği (Zhang 2009) ve kültürde NLGN4 bağımlı sinaps formasyonun oluşmadığı düşünülmektedir (Chih 2004). Farede Nlgn4 delesyonu sosyal iletişimde bozulma, ultrasonik vokalizasyonda azalma, stereotipide artışa yol açmaktadır (Jamain 2008, El-Kordi 2012).

Otizm ve Neurexin1 NRXN1 mutasyonu otizm ve şizofreni gibi nöropsikiyatrik hastalıklara eğilim oluşturmaktadır (Ching 2010, Reichelt 2012). Mutasyonların çoğu alfa NRXN1’in promoter ve başlangıç ekzonunu etkilemektedir (Reichelt 2012). Farede alfa NRXN1 delesyonu ile tımar davranışında artma ve yuva yapma davranışında azalma görülmüştür (Etherton 2009).

Otizm ve CNTNAP2 Contactin-associated protein-like 2 (CTNAP2) neurexinlere benzeyen transmembran proteinidir. Miyelinli sinirlerin ranvier boğumunda nöron-gliya etkileşimini sağlayarak miyelin yapının organizasyonunda rol alır (Poliak ve Peles 2003). Cntnap2 null farelerde kortikal nöronlarda anormal dağılım, EEG anormallikleri, sterotipi, azalmış ultrasonik vokalizasyon ve sosyal davranış görülmüştür (Peñagarikano 2011).

Otizm ve SHANK ailesi Postsinaptik iskele proteinlerinin proline-rich synapse-associated/SH3 domain and ankyrin repeats ailesi SHANK1, SHANK2 ve SHANK3 isimli üç üyeye sahiptir. Bu moleküller eksitatör sinapsların postsinaptik dansitesinde yoğundur ve birçok protein-protein etkileşimi içerirler. Genel olarak SHANK proteinleri eksitatör sinapsların ve dikensi çıkıntıların biçimini sağlamaktadır (Sheng ve Kim 2000, Boeckers 2002, Grabrucker 2011b, Verpelli 2012).

Otizm ve SHANK1 2012 yılında Sato otizmli iki multipleks ailede SHANK1 delesyonunu tanımlamıştır. Heterozigot bir SHANK1 delesyonu dört jenerasyon erkeklerde taşınmış ve yüksek fonksiyonlu otizm görülmüştür. İkinci ailede de novo SHANK1 delesyonu yüksek fonksiyonlu otizmi olan erkek bireyde saptanmış ancak otizm olan kız kardeşinde bulunmamıştır. Otozomal SHANK1 delesyonunun penetrasyonu kadınlarda azalmıştır.

Otizm ve SHANK1 Shank1 knock out farede dendritik çıkıntıların yoğunluğu CA1 stratumda pek azalmazken çıkıntıların büyüklüğü belirgin olarak azalmıştır. Shank1 in vivo dendritik çıkıntıların büyüme ve/ya sürdürülmesinde önemlidir. Shank1 eksikliği bazal sinaptik iletimi azaltmakta; sinaptik AMPA ve NMDA reseptör oranını etkilememektedir. Shank1 knock out farelerin ultrasonik vokalizasyonun ve koku işaretleme davranışı azalmış, izlemde anksiyete benzeri fenotip görülmüştür (Wöhr 2011, Silveran 2011).

Otizm ve SHANK2 2010 yılından beri SHANK2 geni nörogelişmsel hastalıklar ile ilişkili bulunmuştur. SHANK2’deki mutasyonu tanımlayan ilk çalışma otizm ve/ya zihinsel yetersizliği olan bireylerde de novo varyasyonları kapsamaktadır (Berkel 2010). Sonraki çalışmalarda otizm tanılı daha çok hastanın olduğu SHANK2 mutasyonları bildirilmiştir (Pinto 2010, Leblond 2012, Sanders 2012, Chilian 2013). 2.mad,de novo CNVs varyasyonları

Otizm ve SHANK2 SHANK2 varyantları hippokampal kültürde sinaps dansitesini azaltmaktadır (Leblond 2012). Fare hipokampus ve korteksinde R462X stop mutasyonu eksitatör postsinaptik iletim amplitudunu ↓, matur çıkıntılar yerine filopodia oluşmuş ve bilişsel anormallikler görülmüştür (Berkel 2012). Farklı şekillerde Shank2 knock out edilen farelerde; sosyal etkileşimde azalma, iletişimde bozulma, aşırı hareketlilik, kendini tımarlamada artış ve artmış anksiyete oluşmuştur (Berkel 2010).

Otizm ve SHANK3 SHANK3 delesyonu olan 600’den fazla hastada bildirilmiştir. Neonatal hipotoni, ortadan ağıra zihinsel gerilik, konuşamama, normalden bozulmuş gelişim ve minör dismorfik bulgular ile karakterizedir. Hastaların %50’den fazlası otizm benzeri davranış gösterir (Phelan ve McDermid 2011) 2007 yılında Durand otizmli bir hastada SHANK de novo mutasyonunu tanımlamıştır. Sonrasında otizm ve diğer nörogelişimsel bozukluklar, şizofreni ve bipolar bozuklukta gösterilmiştir.

Otizm ve SHANK3 SHANK3 mutasyonu SHANK1 ve SHANK2’ye göre daha penetranttır ve mutasyonunda ağır bilişsel bozukluk görülmektedir (daha merkezi fonksiyon). Farklı mutasyonlar farklı morfolojik, fizyolojik ve moleküler etkiler oluşturur. Kalıtsal mutasyonlar de novolara göre daha hafif fenotip göstermektedir. De novo stop mutasyonunda dendritik çıkıntı sayısında ve spontan nöronal akitivitede azalma, Dendritik hacim arttırma, aktin polimerizasyon ve aksonal büyüme becerilerinde kaybolma görülür.

Otizm ve SHANK3 Heterozigot mutant farelerde bazal sinaptik iletimde azalma ve sinaptik plastisitede bozulma görülmüştür (Bozdagi 2010). Mutant erkek farelerin kızışma dönemindeki dişi fareleri koklaması ve ultrasonik vokalizasyon yayması daha az bulunmuştur (Bozdagi 2010). Shank2 mutant farelerde striatumda Shank3 proteininin, Shank3a-c mutasyonu olanlarda da Shank2 proteininin arttığı gösterilmiştir (Schmeisser 2012). Buna rağmen moleküler değişimler farklıdır (Shank2 KO NMDA rsp↑, Shank3 KO AMPA rsp↓)

Otizm ve PTEN PTEN 10q23.3 yerleşmiş tümör supresor genidir (Steck 1997, Li 1997). PTEN proteini PI3K/Akt yolunu inhibe ederek etki gösterir. PI3K/Akt yolu protein sentezi, hücre büyümesi, hücre yaşamı ve hücre proliferasyonu yönünde etki göstermektedir. PTEN proteini PIP2’ın PIP3’a dönüşmesini önlemektedir. PTEN çalışmadığında hiperplazi, apoptozisin azalması, hipertrofi, aşırı protein sentezi ve hücre büyümesi görülmektedir.

Otizm ve PTEN PTEN yokluğunda her organ etkilenebilir; beyin etkilendiğinde makrosefali, nöbet, mental retardasyon ve otizm sıktır (Zhou ve Parada 2012). İlk kez otizm ile doğrudan ilişkisi 2005 yılında otizmi ve makrosefalisi olan 18 hastadan 3’ünde PTEN mutasyonu saptanmasıyla bildirilmiştir (Butler 2005). Örneklem grubu düşük olsa da farklı çalışmalarda bu ilişki raporlanmıştır (Herman 2007, Buxbaum 2007, Varga 2009).

Otizm ve PTEN PTEN’in delesyonu erken dönemlerde ölüm, beyin laminasyonunda bozulma, ağır nöbetler ve makosefali ile sonuçlanmaktadır (Backman 2001, Kwon 2001, Groszer 2001, Fraser 2004, 2008). PTEN proteinin düzenleyici etkisi postmitotik evrede de hücre morfolojisi için önemlidir. Postnatal dönemde Pten knock out farelerde aksonal dallanma, akson uzunluğu, dendritik çıkıntı kalınlığı ve dansititede artış saptanmıştır (Kwon 2006, Domanskyi 2011). Sosyal davranışlarında bozulma, yeni farelere ilginin azalması, seksüel davranış, maternal bakım, duyusal uyarana yanıtta bozulma, anksiyete ve nöbete yatkınlık (Kwon 2006).

Sonuç Etyolojisinde genetik faktörler en önemli risk etkeni olarak görülmektedir. Nöropatofizyolosinde sinaptik yapı, sinaptik sinyal, akson büyüme-göçü, gen ekspresyonu, siliyer yapı ve fonksiyonunda aksamaların rol aldığı düşünülmektedir. Aday genlerle ilgili çalışmalar sürmektedir. Genetik çalışmalar patofizyolojinin anlaşılmasına ve tedavi arayışlarına katkı sağlamaktadır.