Finding genes underlying schizophrenia retinoid and thyroid hormone hypotheses

Abstract

Evidence from multiple lines of research supports the hypothesis that schizophrenia arises from interactions between genetic and environmental factors during critical early periods of neuronal development. Abnormal levels of thyroid hormones or retinoids during fetal development have been suggested to contribute to the neurodevelopmental deviations found in schizophrenic patients. In fact, thyroid hormones and retinoids could constitute a functional link between genetic and environmental risk factors in schizophrenia. This is an attractive hypothesis capable of explaining several epidemiological features of the disease. Thyroid hormones and retinoids are involved in the regulation of central nervous system function probably through their capacity to modulate the expression of several genes. To investigate if genes involved in the metabolism of thyroid hormones and retinoids account for an increase in schizophrenia susceptibility, we performed association studies in four promising candidate genes, using three independent samples. The proteins encoded by these four genes are involved in molecular pathways implicated in schizophrenia. Human Nur-related receptor 1 (NR4A2) is an orphan nuclear receptor that regulates transcription by heterodimerization with retinoid nuclear receptors. NR4A2 is essential for the formation of the dopaminergic system, the neurotransmitter pathway targeted by most anti-psychotic drugs used in the treatment of schizophrenia. We did not find, in our samples, any of the NR4A2 mutations previously described, further confirming that they are rare. The Lipocalin-type of prostaglandin D2 synthase (PTGDS) transports thyroid hormones and retinoids, and the expression of the gene is regulated by both modulators. In addition, it is involved in lipid metabolism, which is altered in schizophrenia. We found four previously described polymorphisms, none of which was associated with schizophrenia. Transthyretin (TTR) is a transporter of both thyroid hormones and retinoids, and has been implicated in behavior. Neither a novel polymorphism, that we describe for the first time, nor another, previously identified, were associated to the disease. Similarly, serum TTR levels did not differ between patients and mentally healthy individuals. Neurogranin (NRGN) is a neurospecific protein whose expression is regulated by retinoids and thyroid hormones. Interestingly, NRGN is involved in glutamatergic transmission, known to be abnormal in schizophrenia. We report the association of a DNA variant near the thyroid hormone response element in the NRGN gene with schizophrenia in males. The gender specificity of this association is of particular interest since significant symptomatic differences in disease manifestation exist between sexes, such as earlier onset and more severe manifestation in male patients. NRGN joins several other genes already implicated in schizophrenia that are likewise involved in the glutamatergic pathway, such as dysbindin and neuregulin. Thus, our finding introduces an additional player into the glutamatergic hypothesis of schizophrenia. In a preliminary study, we evaluated thyroid hormone function in schizophrenic patients, which showed reduced levels of free triiodothyronine in males when compared with healthy individuals. Whether this alteration is related to the manifestation of symptoms still needs to be investigated. Together our data support the involvement of thyroid hormones in schizophrenia, which should be further explored in expression studies.

Vários estudos sugerem que a esquizofrenia resulta da interacção entre factores ambientais e genéticos particularmente em períodos críticos do desenvolvimento do sistema nervoso central. Os factores ambientais podem condicionar o desenvolvimento do sistema nervoso central, nomeadamente por influenciarem a expressão de vários genes. Tal é o caso, directa ou indirectamente, da vitamina A e das hormonas tiroideias. Desta forma, estas moléculas podem estabelecer uma ponte entre genes e ambiente em esquizofrenia. Esta hipótese é particularmente atractiva por ser capaz de explicar várias características da esquizofrenia, tais como a sua distribuição epidemiológica. Com o intuito de testar se genes envolvidos no metabolismo quer dos retinóides quer das hormonas tiroideias contribuem para um aumento da susceptibilidade à esquizofrenia, efectuámos estudos de associação em três amostras independentes de doentes. Os genes escolhidos codificam proteínas que fazem parte de cascatas moleculares potencialmente relacionadas com a esquizofrenia. O NR4A2 é um receptor órfão que, em parceria com receptores do ácido retinóico, regula a transcrição de vários genes. Sabe-se que o NR4A2 é essencial na formação do sistema dopaminérgico, que é a via de neurotransmissores alvo da maioria dos fármacos antipsicóticos. Nas amostras que estudámos, não foi detectada nenhuma das mutações previamente descritas no gene da NR4A2, o que confirma serem mutações extremamente raras. A expressão do gene que codifica a PTGDS, uma proteína que transporta tanto retinóides como hormonas tiroideias, é regulada por ambos os ligandos. Para além disso, sendo responsável pela produção de prostanóides, está envolvido no metabolismo lipídico que se sabe estar alterado em doentes com esquizofrenia. A pesquisa de mutações revelou apenas quatro polimorfismos já descritos na literatura, não estando nenhum deles associado com a doença. Os níveis de TTR, principal transportadora tanto de retinóides como de hormonas tiroideias, têm sido descritos como estando diminuídos em doentes neurológicos e psiquiátricos, e a abolição da expressão do gene como tendo consequências no comportamento. Neste trabalho pesquisámos variantes na TTR tendo identificado um novo polimorfismo. Nem este, nem um outro previamente descrito, se encontram no entanto associados com a esquizofrenia. De igual modo, os níveis séricos de TTR são idênticos entre os doentes e os indivíduos mentalmente saudáveis. Estudámos, ainda, o gene que codifica a neurogranina (NRGN) cuja expressão é regulada tanto por retinóides como por hormonas tiroideias. A neurogranina é uma proteína específica dos neurónios e está envolvida na transmissão glutamatérgica que se sabe estar alterada em doentes esquizofrénicos. Encontrámos associação de um polimorfismo que se encontra próximo do elemento de resposta `as hormonas tiroideias, em homens com esquizofrenia. A especificidade desta associação em homens é particularmente interessante, uma vez que estão descritas diferenças na idade de início, gravidade da doença e resposta ao tratamento entre homens e mulheres; sendo que nos homens há um início mais precoce e uma forma mais severa da manifestação dos sintomas. Assim sendo, descrevemos, pela primeira vez, a NRGN como mais um gene que confere aumento da susceptibilidade para a esquizofrenia. De realçar que a NRGN se encontra tanto o montante como a jusante de vias de sinalização previamente sugeridas como comprometidas na doença, pelo que pode constituir um ponto de charneira na regulação glutamatérgica. Finalmente, a medição dos níveis séricos de hormonas tiroideias num estudo piloto indica existirem níveis diminuídos de triiodotironina livre nos doentes do sexo masculino, quando comparados com indivıduos saudaveis. A possibilidade desta alteração estar relacionada com a manifestação da doença necessita ainda de ser investigada. Em conjunto, os nossos resultados apoiam a hipótese do envolvimento das hormonas tiroideias na esquizofrenia e abrem perspectivas para a pertinência de estudos detalhados ao nível da expressão de genes.