Введение к работе
Актуальность проблемы.
Организм человека постоянно подвергается воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, в том числе чужеродных соединений - ксенобиотиков. Естественные и синтезированные химические вещества, содержащиеся в воздухе, воде, пище, в лекарствах, в табачном дыме, являются потенциальными мутагенами, канцерогенами, тератогенами [Баранов и др., 2000]. В целом, токсическое действие ксенобиотиков на живые организмы определяется их способностью вмешиваться и нарушать процессы жизнедеятельности, что может быть причиной развития различных заболеваний [Курляндский, Филов, 2002].
Ведущую роль в защите организма от действия чужеродных веществ играет система биотрансформации ксенобиотиков (БК) [Саприн, 1991; Райе, Гуляева, 2003; Бочков, 2004]. Индивидуальные особенности работы системы биотрансформации определяются уникальным для каждого человека сочетанием полиморфных вариантов генов соответствующих ферментов, что ведет к различной адаптационной способности, то есть устойчивости или чувствительности индивидов к воздействию повреждающих внешних факторов [Жученко и др., 2006].
Наличие мутантных (функционально неполноценных) вариантов генов ферментов БК является причиной неблагоприятных ответных реакций организма человека на действие ксенобиотиков и предрасполагает к возникновению заболеваний, в том числе, онкологических [Баранов и др., 2000; Хуснутдинова, Боринская, 2002; Ляхович и др., 2006; Фрейдин и др., 2006; Shi et al., 2008], занимающих второе место по смертности после сердечно-сосудистых заболеваний [; ].
В качестве маркеров чувствительности к онкологическим заболеваниям обоснованно рассматривают гены GSTM1, GSTT1 и CYP2D6. Например, показано, что «нулевые» генотипы GSTM1 0/0 и GSTT1 0/0 в сочетании с вариантами CYP2D6*1/CYP2D6*3 или CYP2D6*1/CYP2D6*4 ассоциированы с повышенным риском развития базальных клеточных карцином [Yang, 2006]. Выявлено, что гомозиготный генотип по делеции гена GSTM1 связан с повышенным риском развития рака легких, желудка и мочевого пузыря [Seidegard et al., 1990; Alexandrie et al., 1994; Ford et al., 2000; Ляхович и др., 2004; Habdous et al., 2004; Shi et al., 2008; Economopoulos et al., 2010].
Ферменты БК также активно участвуют в метаболизме лекарственных препаратов в организме человека. Наличие полиморфных вариантов в генах ферментов системы БК, приводящих к изменению функции фермента, могут влиять на безопасность терапии и эффективность лечения заболеваний. Так, фермент CYP2D6 метаболизирует использующийся для лечения рака молочных желез тамоксифен, превращая его в активный метаболит. У носителей мутантного аллельного варианта CYP2D6*4, ответственного за развитие фенотипа «медленный» метаболизатор, снижена скорость образования активного метаболита, что приводит к снижению длительности периода ремиссии и выживаемости при раке молочной железы [Jordana, 2007; Ron, 2008]. У индивидов с гомозиготным генотипом CYP2D6*4/CYP2D6*4 при применении
антидепрессанта флуоксетина возможно развитие нескольких побочных реакций, одной из которых является агрессивное поведение [Кукес, 2010].
Выявлено, что носительство полиморфных вариантов CYP2C9*2 и CYP2C9*3 гена CYP2C9, наиболее распространенных среди европеоидов, приводит к значительному снижению активности фермента. В результате, индивиды с мутантными генотипами (как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии), являются чувствительными к терапии нестероидными противовоспалительными, противодиабетическими, антиэпилептическими препаратами и антикоагулянтами (варфарином), поэтому таким лицам требуются более низкие дозы лекарств по сравнению со средними терапевтическими дозами, иначе возможно развитие серьезных побочных реакций [Pirmohamed, Park, 2003; Сироткина и др., 2004; Pilotto et al., 2007; Обжерина и др., 2009].
Кроме полиморфизма генов системы БК (CYP2C9, CYP2D6, CYP4F2, GSTM1, GSTT1), определяющего индивидуальные особенности ответа организма на лекарственные препараты, важно учитывать наличие полиморфизма генов, кодирующих белки-транспортеры лекарств, а также генов, кодирующих мишени для этих веществ. Одним из таких генов является ген К-эпоксидредуктазы (VKORC1), продукт которого играет важную роль в процессе метаболизма витамина К и является мишенью варфарина, антикоагулянта непрямого действия, применяемого для лечения и профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, лидирующих по частоте возникновения, инвалидизации и летальности населения в разных странах [Константинов, 1999; Шевела и др., 2008]. Носительство различных мутаций в гене VKORC1 может повышать как риск развития тромбозов, так и риск кровотечений.
Полиморфизм VKORC1 С1173Т определяет чувствительность индивидов к варфарину путем снижения активности фермента и увеличивает риск кровотечений. Носителям такого варианта следует уменьшать дозу варфарина, подбирая ее с предельной осторожностью [D'Andrea et al., 2005; Reitsma et al., 2005].
Еще одним геном, наличие полиморфизма по которому связано с чувствительностью индивидов к варфарину, кроме CYP2C9 и VKORC1, является CYP4F2. Предполагается, что фермент CYP4F2 участвует в инактивации витамина К путем гидроксилирования его боковой цепи. Установлено, что полиморфизм G1347А (аллель CYP4F2*3, Val433Met) в гене CYP4F2 приводит к снижению функции фермента, в связи с этим витамин К недостаточно инактивируется, и индивидам с мутантным вариантом CYP4F2*3 требуются, напротив, повышенные дозы антикоагулянта [Sontag, Parker, 2002; McDonald et al., 2009]. В этом контексте наличие мутантного аллеля CYP4F2*3 оказывает противоположный эффект по сравнению с вариантами CYP2C9*2, CYP2C9*3 и VKORC1 С1173Т.
Представленность тех или иных аллельных вариантов генов БК в популяциях человека существенно зависит от их расовой и этнической принадлежности. Поэтому получение знаний об этнических/популяционных вариациях полиморфных генов БК может иметь решающее значение для выявления в конкретных этнических группах наличие риска развития побочных
лекарственных реакций и патологических состояний, связанных с нарушением работы системы БК.
В настоящее время во многих популяциях человека изучен полиморфизм генов системы БК (CYP2C9, CYP4F2, CYP2D6, GSTM1 и GSTT1) и гена VKORC1 [Вахитова и др., 2001; Garte et ah, 2001; Xie et ah, 2002; Herman et ah, 2003; Ахматьянова и др., 2008; Федорова и др., 2009; Limdi et ah, 2009]. Однако для популяций коренных самодийских этносов Северной Сибири имеются лишь единичные неполные исследования по данному вопросу [Duzhak et al., 2000; 2001]. На территории проживания нганасан, селькупов, лесных и тундровых ненцев, на Таймыре и в Ямало-Ненецком автономном округе, начиная с 1960-х годов, происходит бурное развитие промышленности, что ведет к резкому ухудшению экологической обстановки за счет проникновения новых химических веществ и загрязнителей в среду обитания коренных народов, изменению их традиционного уклада жизни. Без сомнений, устойчивость коренных этносов к этим неблагоприятным факторам во многом зависит от структуры их генофондов, от способности метаболизировать чужеродные вещества окружающей среды. Успешное развитие медицины ведет к тому, что значительно увеличивается лекарственная нагрузка на организмы северных жителей. К тому же, меняются стандарты лечения, требующие применения совершенно новых лекарств, с которыми представители коренных народов Севера раньше не сталкивались. Для достижения безопасной и эффективной терапии медикаментами необходимо знать особенности их метаболизма у коренных народов. Исследование самодийских этносов важно и потому, что в их популяциях увеличивается степень метисации с пришлым населением. Этот процесс может способствовать привнесению новых генных вариантов в генофонды этносов и изменению их приспособленности к проживанию в суровых условиях среды и устойчивости к другим неблагоприятным факторам.
Цель данного исследования - изучение полиморфизма генов системы биотрансформации ксенобиотиков (CYP2C9, CYP4F2, CYP2D6, GSTM1, GSTT1) и гена VKORC1 в популяциях коренных самодийских этносов (селькупов, тундровых ненцев, лесных ненцев, нганасан), и у русских Северной Сибири в контексте выявления межпопуляционных различий и наличия генетических основ предрасположенности или устойчивости различных этносов к онкологическим заболеваниям, а также развитию побочных реакций на терапию лекарственными препаратам.
Согласно поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
изучить распределение полиморфных вариантов генов CYP2C9 (CYP2C9*2 и CYP2C9*3), CYP2D6 (CYP2D6*3 и CYP2D64), CYP4F2 (CYP4F2*3) и VKORC1 (VKORC1 С1173Т) методом полимеразной цепной реакции в режиме реального времени с использованием конкурирующих TaqMan-зондов в этнических выборках самодийских популяций и у русских Северной Сибири;
-
изучить распределение «нулевых» генотипов GSTM1 0/0 и GSTT1 0/0 методом полимеразной цепной реакции в режиме реального времени с использованием флуоресцентного интеркалирующего красителя SYBR Green І в этнических выборках самодийских популяций и у русских Северной Сибири;
-
выполнить межпопуляционный анализ по частотам восьми полиморфных вариантов изученных генов в пяти исследуемых этносах, и провести сравнение с европеоидными и монголоидными популяциями, используя современные статистические методы;
-
выявить наличие генетических основ предрасположенности или устойчивости к развитию побочных реакций на терапию лекарственными препаратами на основе полученных частот аллелей и генотипов генов CYP2C9 (CYP2C9*2 и CYP2C9*3), CYP4F2 (CYP4F2*3) и VKORC1 (VKORC1 СU731) в популяциях коренных самодийских этносов и русских Северной Сибири;
-
выявить генетические основы предрасположенности или устойчивости к онкологическим заболеваниям на основе полученных частот аллелей гена CYP2D6 (CYP2D6*3 и CYP2D6*4) и «нулевых» генотипов GSTM1 0/0 и GSTT10/0, вероятных маркеров риска развития онкопатологий, в популяциях самодийцев и русских Северной Сибири.
Научная новизна
Впервые в четырех самодийских популяциях (селькупов, лесных и тундровых ненцев, нганасан) и у русских Северной Сибири (всего 1475 чел.) изучено распределение полиморфных вариантов генов системы биотрансформации ксенобиотиков (CYP2C9*2, CYP2C9*3, CYP2D6*3, CYP2D64 CYP4F2*3, GSTM1 0/0, GSTT1 0/0) и гена VKORC1 (VKORC1 C1173T), имеющих важное значение в метаболизме лекарственных веществ и канцерогенов.
Впервые выявлено, что в изученных популяциях жителей Северной Сибири существует значимая доля лиц с мутантными аллельными вариантами генов CYP4F2, VKORC1 и лиц - «медленных» метаболизаторов по гену CYP2C9, что, с высокой вероятностью определяет чувствительность данных индивидов к терапии лекарственными препаратами, в метаболизме которых задействованы данные гены.
Впервые на основе пониженных частот мутантных вариантов генов CYP2D6, GSTM1 и GSTT1 выдвинуто предположение, что самодийские этносы по сравнению с русскими Сибири на популяционном уровне имеют более низкий риск развития онкологических заболеваний, связанных с полиморфизмом в данных генах.
На основании высокой распространенности у самодийцев мутантного аллеля VKORC1 1173Т, ассоциированного со снижением активностей витамин К-зависимых белков свертывания крови, впервые выдвинута гипотеза об адаптивном значении этого аллеля, вероятно, способствовующего снижению риска развития тромбозных инфарктов миокарда и инсультов у представителей самодийских этносов.
Научно-практическая ценность
Результаты данного исследования
расширяют знание о распределении частот полиморфных вариантов
генов системы БК и гена VKORC1, имеющих большое значение в метаболизме ксенобиотиков, в человеческих популяциях;
могут быть использованы для выявления возможных ассоциаций между определенными заболеваниями и полиморфными вариантами в генах системы БК в изученных популяциях Северной Сибири;
имеют значение для превентивной медицины при прогнозировании вероятности осложнений на используемые лекарственные препараты, которые метаболизируются ферментами CYP2C9, CYP4F2, CYP2D6, GSTM1, GSTT1, VKORC1, в целях достижения безопасной и эффективной терапии, а также при проведении профилактических мер против заболеваний, с которыми могут быть ассоциированы мутантные варианты изученных генов;
вносят вклад в представление о роли генетического полиморфизма генов БК и гена VKORC1 в адаптации популяций к конкретным условиям окружающей среды.
Практические рекомендации
Рекомендуется выявлять носительство аллелей CYP2C9*2 и CYP2C9*3, CYP4F2*3 и VKORC1 1173Тпа. индивидуальном уровне в популяциях коренных жителей Северной Сибири с целью достижения безопасного и эффективного лечения варфарином, НПВП и другими лекарственными препаратами, в метаболизме которых участвуют ферменты CYP2C9, VKORC1 и CYP4F2.
Положения, выносимые на защиту
1) Популяции коренных самодийских этносов существенно отличаются от
популяций русских Северной Сибири, других европеоидов и монголоидов Китая
по частотам восьми полиморфных вариантов генов CYP2C9, CYP2D6, CYP4F2,
GSTM1, GSTT1 и VKORC1 и образуют отдельный «самодийский» кластер.
Наибольший вклад в генетическое разнообразие между этническими группами
вносят полиморфные варианты VKORC1 1173Т, GSTT1 0/0, GSTM1 0/0,
CYP2D64.
2) В популяциях коренных самодийских этносов и русских Северной
Сибири у лиц - носителей мутантных вариантов генов CYP2C9, CYP4F2 и
VKORC1 прогнозируется повышенная чувствительность к терапии
лекарственными препаратами, метаболизируемыми соответствующими
ферментами.
3) У коренных самодийских этносов, имеющих высокую частоту
распространенности мутантного аллеля VKORC1 1173Т, прогнозируется
сниженный популяционный риск развития связанных с тромбозами инфарктов
миокарда и инсультов, по сравнению с русскими Северной Сибири.
4) Самодийские этносы, по сравнению с русскими Северной Сибири, на
популяционном уровне имеют более низкий риск развития онкологических
заболеваний, с которыми ассоциирован полиморфизм в генах CYP2D6, GSTM1 и
GSTT1.
Апробация работы Результаты данной работы были представлены на: IX Российском конгрессе «Инновационные технологии в педиатрии и детской хирургии» (Москва, 2010 г.); VII международной конференции «Bioinformatics of genome regulation and structure/systems biology» (Новосибирск, 2010 г.); II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Me дико-
биологические аспекты мультифакториальной патологии» (Курск, 2011 г.); семинаре мастер - классе «Актуальные вопросы генодиагностики в современной медицине» (респ. Казахстан, г. Семей, 2011 г.); II международной научно-практической конференции «Постгеномные методы анализа в биологии, лабораторной и клинической медицине: геномика, протеомика, биоинформатика» (Новосибирск, 2011 г.).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них три статьи в отечественных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора
Автор самостоятельно выполнил генотипирование однонуклеотидных замен в генах CYP2C9, CYP2D6, CYP4F2, VKORC1 и делеций в генах GSTM1 и GSTT1, провел статистическую обработку полученных результатов, построил карты генетических дистанций. Автор также принял участие в выделении ДНК.
Структура и объем работы
