CC BY
115
В.М.ДЕЛЯГИН \ д.м.н., профессор, Е.Е.АРАКЧЕЕВА \ А.УРАЗБАГАМБЕТОВ \ к.м.н., Ю.И.БУДЧАНОВ 2, к.м.н.
1 ФБГУ «Федеральный научно-клинический центр детской гематологии, онкологии и иммунологии» Минздравсоцразвития России, Москва; 2 Тверская государственная медицинская академия, Тверь
ГЕНЕТИКА БРОНХИАЛЬНОЙ АСТМЫ И АТОПИИ
Представлено описание генетических и молекулярно-генетических механизмов развития бронхиальной астмы. Гены-кандидаты расположены на нескольких хромосомах, в т.ч. 1, 2, 4, на кластере цитокинов, на хромосоме 5 и на хромосоме 6 в области МНС, 7, 9 и др. Анализируются генетически обусловленные возрастные и популяционные характеристики БА.
Ключевые слова: бронхи, дыхательные пути, бронхиальная астма, генетика, дети
Бронхиальная астма (БА) — наиболее частое хроническое воспалительное заболевание дыхательных путей с периодически возникающими обструктивными состояниями бронхов с их отеком, гипер- и дискринией, разрешающимися полностью или частично под действием терапии или самостоятельно.
Показатели заболеваемости и распространенности БА в развитых странах высоки, особенно в группе детей 6—7 лет. В Азии и Африке темпы прироста этих показателей значительно выше, а астма течет тяжелее. Причем эти различия обусловлены не только социально-экономическими условиями, но и генетическими характеристиками популяций [1, 2]. При анализе генетических механизмов БА внимание исследователей традиционно было сосредоточено на наследовании атопии. Например, при повышении уровня ^Е у обоих родителей вероятность астмы у ребенка приближается к 80% [3]. Но полной корреляции между атопией и БА нет. Существует мнение, что атопия как причина БА переоценивается: атопия — только один из факторов развития астмы [4]. Атопия возникает у 30—50% популяции в развитых странах и в подавляющем большинстве случаев не вызывает каких-либо заболеваний [5]. По итогам близнецо-
вых исследований генетический вклад в развитие БА оценивается в 30—70%. По мере расшифровки генома человека появились более конкретные указания.
Наследование атопии вообще и БА в частности передается полигенно [6]. Показана связь БА с хромосомами ^ (устойчивое сцепление), слабое сцепление с локусом 2q (рядом с кластером интерлейкин-1 — ЇЇЛ), 4^ 5q, 6р (рядом с главным комплексом гистосовместимости — МНС), 7, 9, 11я (содержащим БсеМ-р), Щ (сильное сцепление), 13я, 16, Щ (сильное сцепление), 19я, 2^ [7, 8]. В локусе хромосомы ^31 идентифицирован ген DENND1B, который экспрессируется натуральными киллерами и дендритными клетками, кодирует белок, взаимодействующий с рецептором фактора некроза опухоли, и связан с развитием БА [9]. Расовых различий не обнаружено. Но не каждый из локусов оказался связан с БА как таковой. Значение локусов в развитии отдельных проявлений и причин оказывается разным. Так, геномное исследование чувствительности к аллергенам клеща домашней пыли выявило связь с хромосомами 2^ 6р (рядом с МНС), 13я и 8р [10].
Хромосома 5. Локус 5q31 ассоциируется с высокой концентрацией общего сывороточного ^Е (5я31.1), эозинофилией и резистентностью к шистозомозу (5q31—q33). Участок содержит несколько генов, которые моделируют атопиче-
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
скую реакцию и кодируют ІЬ-4, 1-13, 1-5, CD14 и колониестимулирующий фактор GM-CSF. Активная секреция И-4, -5 и -13 типична для №2-реакции. ассоциирующейся с атопией за счет переключения В-клеток на синтез ^Е. Выявлены 7 вариантов полиморфизма гена 1-13, усиливающего секрецию бронхиальной слизи и активирующего синтез ^Е. Из 7 обсуждаемых вариантов полиморфизма 6 значимо коррелируют с высокой концентрацией ^Е. Из этих 6 вариантов 4 локализованы в конечной части кодирующего региона гена и заключаются в замене аминокислоты в 130-й позиции (Arg130Gln). Вариант с Gln полностью коррелирует с высокой концентрацией ^Е. Два других варианта полиморфизма гена 1-13 расположены в премоторном регионе, их влияние на концентрацию ^Е менее выражено. Определяющими могут быть не только изменения молекул цитокинов, но и взаимодействие генов цитокинов и генов рецептора. Так, полиморфизм гена а-рецептора 1-4 на 16-й хромосоме в самых разных этнических группах ассоциируется с атопией и БА [11, 12, 13].
Запрограммированы и защитные механизмы. Существует обратная корреляция между вероятностью БА и высокой фоновой концентрацией липо-полисахарида, взаимодействующего с CD14. CD14 обнаружен как на поверхности моноцитов и макрофагов, так и в растворимой форме (sCD14). CD14 действует как высокоаффинный лиганд для бактериального липосахарида. Полиморфизм инициации транскрипции для CD14 ассоциируется с высокими уровнями sCD14 и низкими уровнями ^Е [14, 15, 16].
Хромосома 6. Расположенный на этой хромосоме участок МНС устойчиво связан с астмой и рассматривается как крупнейший локус, влияющий на аллергические заболевания. Гены МНС класса I могут влиять на атопические реакции, хотя это влияние изучено еще недостаточно. Гены МНС класса II определяют способность реагировать на конкретные аллергены, т.е. генетический контроль специфических ^Е-реакций может формировать клиническую картину. В частности, БА и бронхиальная гиперчувствительность ассоциируются преимущественно с аллергией на клещей домаш-
ней пыли и в меньшей степени с аллергией на кошачью шерсть и грибок [17, 18]. Способность избирательно реагировать на антигены определяется и локусами на других хромосомах. Например, гены рецептора Т-клетки на хромосомах 7q и 14я являются важными модификаторами специфической реакции ^Е. Выявлена связь между специфическими реакциями ^Е и локусом рецептора а/8 Т-клетки на хромосоме 14я [19]. Гены МНС класса III имеют отношение к воспалительным и иммунным заболеваниям. Неклассические гены МНС влияют на астму посредством неаллергических путей, контролируя воспалительные цитокины и их рецепторы. Одним из мощных провоспалительных цитокинов является фактор некроза опухолей (ФНО а), присутствующий в высоких концентрациях в дыхательных путях у людей с БА. Полиморфизм в премоторном регионе гена ФНОа ведет к изменению экспрессии цитокина с развитием тяжелой и фатальной астмы [20]. Такие результаты подтверждают воспалительный характер астматической реакции и ставят под сомнение ее аллергическую основу.
■ Показатели заболеваемости и распространенности БА в развитых странах высоки, особенно в группе детей 6-7 лет. В Азии и Африке темпы прироста этих показателей значительно выше, а астма течет тяжелее. Причем эти различия обусловлены не только социальноэкономическими условиями, но и генетическими характеристиками популяций.
Хромосома 11. Локус Щ13 определяет высокоаффинный рецептор ^Е FcєRI. Цепочка р стабилизирует его поверхностную экспрессию, что определяет взаимодействие с клетками, являясь базовым механизмом атопической реакции. Полиморфизм Leu181/Leu183 в цепочке р рецептора (FcєRI Р) изменяет его функцию. Полиморфизм в FcєRI р связан с атопией, астмой, бронхи-
альной гиперреактивностью и тяжелым атопическим дерматитом. Но для реализации атопии определяющим условием является наследование этого полиморфизма по материнской линии. Преимущественная передача аллельных генов от матери или отца прослеживается и по другим локусам, влияющим на аллергические и иммунные заболевания, включая те, которые выявлены на хромосомах 13 и 16. Например, преимущественное сцепление заболеваний с отцовскими МНС-аллельными генами известно для сахарного диабета I типа и изолированной недостаточности ^ [21]. Эти результаты могут свидетельствовать в пользу общего механизма родительских эффектов в иммунологических заболеваниях.
Хромосома ^ — крупнейший локус атопии за счет генов сигнального трансдьюсера и активатора транскрипции 6 ^ТАТ6), синтазы оксида азота (NOS1), интерферона у и регулятора гиперреактивности бронхов [22, 23].
Хромосома 1^14 задействована во многих реакциях атопии. Один из механизмов осуществляется через полиморфизм эстераз D, приводящий к резкому повышению концентрации сывороточного ^ у детей при аллергии на клещей домашней пыли при БА и атопическом дерматите. Этот же локус ассоциируется с низкой концентрацией сывороточного ^ у детей с атопическим дерматитом и в слюне у родителей, чьи дети страдают атопией. Выработка иммуноглобулина контролируется многими генами, ни один из которых не расположен в локусе ^14. Можно предположить, что рассматриваемый локус может кодировать регуляторный компонент гуморальной иммунной системы или же влиять на концентрацию ^ и атопический статус за счет обработки аллергенов слизистой. Обследование хуттеристских семей, известных самоизоляцией от мира и, соответственно, крайне высокой степенью инбридинга, продемонстрировало связь между БА и локусом ^21.3 среди родственников 1-й степени родства, но отсутствие таковой связи у родственников 2-й степени родства [24, 25, 26].
Гены рецепторных молекул (1^ а, БсеМ р. ADR р2). а — а-цепь рецептора 1Ь-4. Mitsuyasu et а1. [27] сообщили о полиморфном варианте гена
Не50Уа1 1^ а цепи, наличие которого повышает синтез ^Е и является одним из определяющих наследственных факторов возникновения атопической формы заболевания. В 17% случаев замена одного аминокислотного остатка (изолейцина лейцином в позиции 181) в гене, кодирующем Р-субъединицу высокоаффинного рецептора к (FcgRI Р), приводит к развитию БА.
Продукт ADR р2 (гена р2-адренергического рецептора; Щ13) контролирует лабильность бронхов. Установлен полиморфизм гена ADR р2 (Argl6G1y и G1u27G1n), определяющий повышенную вероятность развития тяжелой БА. Более того, гомозиготные больные по этим вариантам гена быстро теряют чувствительность к р2-агонистам и требуют лечения гормональными препаратами [28]. Это является одним из достижений в фармакогенетике БА. Причем ген рецептора 1-4 (ММ) и ген, кодирующий р-субъединицу высокоаффинного рецептора к ^Е (FcgRI Р), могут быть отнесены к генам атопии, а ген ADR Р2 — к генам бронхиальной гиперреактивности.
Выявлены 2 варианта полиморфизма гена CRTH2, экспрессирующегося на поверхности эозинофилов, с однонуклеотидными заменами -466Т > С и -129С > A, которые тесно связаны с инфильтрацией эозинофилами дыхательных путей у больных с аспирин-индуцированной БА [29]. Гены факторов транскрипции — STAT6,
ДК3 [30] ассоциированы с наличием БА. Метаанализ объединил результаты 11 исследований [31]. Выявлены хромосомные регионы, содержащие ведущие гены восприимчивости к БА, при использовании самых строгих статистических критериев. К ним относятся 6р22.3-р21.1 (гиперактивность бронхов), 5q11.2-q14.3 и 6pter-p22.3 (концентрация общего ^Е), 3р22.1^22.1 и 17р12-q24.3 (положительный кожный тест). Однако никакой преобладающей ассоциации среди указанных регионов не обнаружено, что объясняется гетерогенностью болезни и вариабельностью диагноза в разных популяциях разных стран.
Признано, что многочисленные гены взаимодействуют между собой при БА и атопии, повышая или уменьшая риск развития болезни. При наличии
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
генов, кодирующих 1-13 и 1-4М (обе ключевые молекулы в ^^-сигнализации), выявлен в 2,5 раза больший риск развития БА, чем у индивидуумов с наличием одного гена. Исследование четырех генов показало, что комбинация определенного однонуклеотидного полиморфизма (SNPs) в 1-13, 1-4, ММ и STAT6 сопровождается 16,8-кратным увеличением риска БА. Эти сведения указывают на значение взаимодействия генов при сложных болезнях и объясняют их роль в развитии и прогрессировании болезни.
■ Атопия, БА и атопический дерматит сочетаются с несколькими менделевскими болезнями. Выявление генов, вызывающих моногогенное заболевание с менделевским типом наследования, гораздо проще, чем клонирование множества генов атопии, что существенно облегчает задачу расшифровки патогенеза астмы.
Имеется предположение, что эндогенная БА — аутоиммунное заболевание, опосредованное аутоантителами к эпителиальному антигену. Не исключено, что появление аутоантител связано с генетически обусловленным дефицитом антиоксидантной системы. Свободные радикалы способны превращать макромолекулы в аутоантигены. На их возникновение иммунная система отвечает выработкой специфических аутоантител. В организме запускается аутоиммунный процесс, который в конечном итоге и приводит к БА. В этой связи относительно недавно обнаружена субпопуляция T-хелперов. названная №17 [32], играющая значимую роль при аутоиммунных заболеваниях. 1-17 является эффек-торным цитокином, который продуцируют №17-клетки, и его повышенная концентрация выявлена в слюне больных БА [33]. Однако имеется [34] вариант гена 1-17, №16^^ который ассоциирован с про-тективным эффектом при астме.
Охарактеризован первый позиционно клонированный ген астмы ADAM33 [35] на хромосоме 20p13. Анализ 135 однонуклеотидных полиморфизмов в 23 из них показал наиболее существенную ассоциацию заболевания с вариантом гена ADAM33, который кодирует металлопротеазу, играющую важную роль в функционировании гладких мышц бронхов и фибробластов легкого. Эти данные свидетельствуют о важной роли ADAM33 в ремоделировании дыхательных путей.
Гены-модификаторы (GSTM1, GSTT1, CYP2E1, NAT2, SLC11A1). На сегодняшний день известно, что в патологии БА принимают участие белковые продукты генов системы детоксикации ксенобиотиков. И.С.Сардарян [36] изучил фенотипические особенности БА при аллельном полиморфизме генов глутатион^-трансферазы Т1 (GSTT1), глутатион-S-трансферазы М1 (GSTM1), ангиотензинпревращаю-щего фермента (ACE), эндотелиальной синтазы оксида азота (eNOS). Выявлено, что ассоциация генотипов GSTT1-\GSTM1- повышает в 5 раз риск развития БА у детей по сравнению с популяцией. У детей при функционально активном генотипе GSTT1+\GSTM1+ в ассоциации с полиморфизмом I\I по гену АСЕ риск развития БА снижается в 7 раз, что позволяет считать данную ассоциацию генотипов протективной.
Связь БА и атопии с полигенными иммунными и менделевскими заболеваниями позволяет выявить многие общие механизмы иммунитета и иммунопатологии, подчеркивая условность такого понятия, как аллергология.
Воспалительные заболевания кишечника (болезнь Крона и неспецифический язвенный колит) неизвестной этиологии связываются с локу-сами на хромосомах 3, 7, 12, 16. Участки на хромосомах 6, 7 и 12, задействованные при этих заболеваниях, совпадают с локусами атопии и БА. Кроме того, регионы на хромосомах 11, 14 и 18 ассоциировались с семьями, в которых воспалительными заболеваниями кишечника страдал мужчина, но не семьями, где были больны женщины [37, 38]. Тяжесть БА определяет полиморфизм гена IL-1 на хромосоме 2. При изучении ревматоидного артрита выявлена связь заболевания с локусом БА на
хромосоме 2 и локусом ТСЯ а на хромосоме 14 [39]. Связь с диабетом I типа выявлена через локус на хромосоме Щ13 рядом с FcgRI р.
Атопия, БА и атопический дерматит сочетаются с несколькими менделевскими болезнями. Выявление генов, вызывающих моногогенное заболевание с менделевским типом наследования, гораздо проще, чем клонирование множества генов атопии, что существенно облегчает задачу расшифровки патогенеза астмы. БА и атопический дерматит в качестве симптоматических состояний известны при синдромах [40]:
■ Иова (гипер-^Е-синдром. Ген локализован в дистальном плече хромосомы 4ф.
■ Гиперэозинофилии (ассоциирован с кластером цитокинов в дистальной части 5-й хромосомы. Приобретенная гиперэозинофилия стабильно ассоциируется с транслокациями 5q35).
■ ДиДжорджа (гипоплазии тимуса).
■ Вискотта — Олдрича.
■ Незелова.
■ Изолированной недостаточности ^ (ген изолированной недостаточности ^ локализуется в МНС) [21].
■ Незертона (ихтиозоформный дерматит. Обычно сочетается с тяжелой атопией). Ген SPINK5 локализован на хромосоме 5. SPINK5 кодирует многодоменный ингибитор серин-протеазы LEKTI, который экспрессируется в эпителии, слизистой оболочке и вилочковой железе. Возможен полиморфизм в этом регионе, который проявляется атопией, БА, атопическим дерматитом без синдрома Незертона [41, 42].
Такие результаты свидетельствуют о том, что гены или семейства генов могут быть общими для нескольких воспалительных и иммунологических заболеваний.
Генетические исследования при астме ведутся по нескольким направлениям: выявление вариантов генов, которые могут предсказать ответ на терапию, выявление вариантов генов, связанных с развитием болезни и играющих решающую роль в патофизиологии заболевания.
К развитию астмы причастны много генов, расположенных на разных хромосомах. Прежде всего,
это генный комплекс HLA на 6-й хромосоме. Кроме того, с развитием БА связаны [43]:
■ локусы 2 pter*,
■ 2q6 (реакция на домашних клещей),
■ 2q33 (^28; белок, связывающий инсулиноподобный фактор),
■ 3р24.2-р22 (С-С-рецептор хемокина)* ,
■ 4q35 (интерферонорегулирующий фактор-2)*,
■ 5q15 (ген не идентифицирован),
■ 5q23-q33 (ІЬ-3; ІЬ-4; ІЬ-5; ІЬ-9; 1Ь-13; глюкокорти-коидный рецептор)**,
■ 5q31 (гены регуляции ^Е). В непосредственной близости расположены гены бронхиальной гиперреактивности и адренергических р 2-рецепторов,
■ 6р21.1-р23 (HLA, фактор некроза опухолей а)*,
■ 7р15.2 (Т-клеточный рецептор ^ ІЬ-6)*,
■ 9q31.1 (тропомиозин, связывающий белок)*,
■ 11р15 (ген не идентифицирован),
■ Щ13 (ген р-цепи высокоаффинного рецептора, триггер аллергических реакций на ма-стоцитах, передается по материнской линии, отцовский «импринтинг» вероятен)**,
■ Щ (синтаза оксида азота),
■ Щ14^24.33 (сигнальный кондуктор и активатор транскрипции 6; интерферон у; фактор стволовых клеток; инсулиноподобный фактор роста 1; лейкотриен А4 гидролаза; р-субъединица ядерного фактора ^ В-клеточный транслокационный ген 1)**,
■ Имеется предположение, что эндогенная БА - аутоиммунное заболевание, опосредованное аутоантителами к эпителиальному антигену. Не исключено, что появление аутоантител связано с генетически обусловленным дефицитом антиоксидантной системы.
■ ^14.3^ер (трансляционно контролируемый протеин-1 опухоли)*,
■ ^22.1^24.2 (ген не идентифицирован),
■ 17р11.1^11.2 (хемокиновый кластер),
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
ПУЛЬМОНОЛОГИЯ И ЛОР
■ 19413 ^22),
■ 2^21 (ген не идентифицирован),
■ Х428Д428 (рецептор 1-9).
Примечание.
* Общие гены с атопией.
** Общие гены с атопией и атопическим дерматитом.
Данный перечень генов, ответственных за развитие БА, неполон. В частности, существуют гены, определяющие развитие болезни в сочетании с другими аллергическими заболеваниями или в разные возрастные периоды. Гены цитокинов эпителиальных клеток, интерлейкина-33, тимического стромального лимфопоэтина, ST-2 участвуют в патогенезе как БА, так и других аллергических
ЛИТЕРАТУРА
1. Asher M., Monterfort S., Bjöksten B. et al. Worldwite time trends in the prevalence of symptoms of asthma, allergic rhinoconjunctivitis and eczema in childhood: ISAAC phase one the repeat multicountry cross-sectional surveys // The Lancet, 2006. — v. 368 — pp. 733—743.
2. Silvers S., Lang D. Asthma in African Americans: what can we do about the highest rates of disease // Cleveland Clinic J. of Medicine, 2012. — v. 79. — pp. 193—201.
3. Simon C. Pädiatrie. Schattauer, Stuttgart, 1995. — 750 s.
4. Mutius E. Is asthma really linked to atopy? // Clinical and Experimental Allergy, 2001. — v. 31. — pp.
1651—1652.
5. Beasley R. Worldwide variation in prevalence of symptoms of asthma, allergic rhinoconjunctivitis and atopic eczema: ISAAC // The Lancet, 1998. — v. 351. — pp. 1225—1232.
6. Cookson W., Moffatt M. Genetics of asthma and allergic disease // Human Molecular Genetics, 2000.
— v. 9. — pp. 2359—2364.
7. Collaborative Study on the Genetics of Asthma. A genome-wide search for asthma susceptibility loci in ethnically diverse populations // Nature Genet., 1997. — v. 15. — pp. 389—392.
8. Daniels S., Bhattacharyya S., James A. et al. A genome wide search for quantitative trait underlying
asthma // Nature, 1996. — v. 383. — pp. 247—250.
9. Sleiman P., Flory J., Imielinski M. et al. Variants of DENND1B associated with asthma in children // New England Journal of Medicine, 2010. — v.362. — pp. 36—44.
10. Hizawa N., Freidhoff L., Chiu Y. et al. Genetic regulation of Dermatophagoides pteronyssinus-specific IgE responsiveness: a genome-wide multipoint linkage analysis in families recruited through 2 asthmatic sibs. Collaborative study on the genetics of asthma (CSGA) // J. Allergy Clin. Immunol., 1998. — v. 102. — pp. 436—442.
11. Dizier M., Besse-Schmittler C., Guilloud-Bataille M. et al. Genome screen for asthma and related phenotypes in the french EGEA study // American Journal Respir. Crit. Care Medicine, 1999. — v. 159, A649.
12. Graves P.E., Kabesch M., Halonen M., Holberg C.J., Baldini M., Fritzsch C., Weiland S.K., Erickson R., Mutius E., Martinez F. A cluster of seven tightly linked polymorphisms in the IL-13 gene is associated with total serum IgE levels in three populations of white children // J. Allergy Clin. Immunol., 2000.
— v. 105. — pp. 506—513.
13. Kim H., Lee Y., Jung J. et al. Gene-gene interaction between Il-13 and Il-13Ralpha1 is associated with total IgE in Korean children with atopic asthma // J. Human Genet., 2006. — v. 51. — pp. 1055—1056.
14. Mutius E. Presentation of new GINA guidelines for paediatrics // Clinical and Experimental Allergy 2000. — v. 30. — pp. 6—10.
Полный список литературы вы можете запросить в редакции.
заболеваний. Напротив, вариации в локусе ^21, кодирующие гены ORMDL-3 и GSDML специфичны для дебюта БА в детском возрасте [44].
Все это делает понятным клинический полиморфизм заболевания. Предсказующая величина тестирования единственного гена при полигенном наследовании болезни очень ограничена как для диагностики, так и профилактических целей. В будущем прогноз астмы, возможно, будет основываться на оценке комплекса генов, персональных факторов и факторов риска окружающей среды, вместе содействующих развитию, персистенции, прогрессированию или ремиссии БА. у
