CC BY
118
УДК 575: 616.831-005.1-056:616.12-008.331.1
К ВОПРОСУ О ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ РАЗВИТИЯ СОСУДИСТЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ МОЗГА В.П. Иванов, О.В. Васильева, А.В. Полоников, Е.К. Вялых, М.А. Солодилова,
Н.В. Полякова, В.В. Анцупов
Кафедра биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного
медицинского университета Научно-исследовательская лаборатория "Генетика " Курского государственного
университета
Кафедра зоологии и теории эволюции Курского государственного университета Иванов В.П. - заведующий кафедрой биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного медицинского университета, главный научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории ’’Генетика” Курского государственного университета, доктор мед. наук, профессор, академик РАЕН, те^ю1@кигекпе1 ги
Васильева О.В. - старший преподаватель кафедры биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного медицинского университета, канд. биол. наук, [email protected] Полоников А.В. - профессор кафедры биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного медицинского университета, доктор мед. наук, [email protected]
Вялых Е.К. - аспирант кафедры биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного медицинского университета, [email protected]
Солодилова М. А. - доцент кафедры биологии, медицинской генетики и экологии Курского государственного медицинского университета, доктор биол. наук, [email protected] Полякова Н. В. - аспирант кафедры зоологии и теории эволюции Курского государственного университета, научный сотрудник НИЛ ’Генетика”, [email protected]
Анцупов В. В. - аспирант кафедры зоологии и теории эволюции Курского государственного университета, научный сотрудник НИЛ ’Генетика”, [email protected]
В последнее время значительное количество исследований посвящено поиску наследственных факторов, предрасполагающих к развитию сосудистых заболеваний мозга. Одно из главных направлений в этих исследованиях - изучение роли генов-кандидатов. В настоящем обзоре нами систематизированы результаты генетикоэпидемиологических исследований последних лет по изучению связи различных классов «кандидатных генов» с риском развития ишемических инсультов у человека.
Ключевые слова: инсульт, наследственная предрасположенность, генетические факторы, кандидатные гены, ДНК-полиморфизм, анализ ассоциации
По данным Всемирной Организации Здравоохранения сердечно-сосудистые заболевания, включая ишемическую болезнь сердца, гипертоническую болезнь и инсульты, являются главной причиной, по крайней мере, одной трети всех смертей на земном шаре. Ежегодно в России регистрируется более 400000 инсультов [Виленский Б. С., 2005]. В структуре церебральных инсультов преобладают ишемические поражения головного мозга, доля которых составляет 80-85%. Инвалидизация после перенесенного инсульта достигает 3,2 на 1 тыс. населения, занимая первое место среди всех причин первичной инвалидизации в мире.
Проблемы в изучении генетики цереброваскулярных заболеваний
Согласно современным достижениям в области медицинской генетики по выяснению молекулярных механизмов распространенных заболеваний сердца и сосудов, в том числе различных форм инсультов, вклад генетических факторов в детерминацию их патогенеза является достаточно высоким. Так, прослеживается семейное накопление
сосудистых заболеваний мозга среди родственников больных инсультами, а частота данной патологии в семьях превышает их среднюю частоту в общей популяции [Ha-mosh A. et al, 2002]. В когортных исследованиях было показано, что у пациентов, родственники которых перенесли инсульт, риск развития этого заболевания выше на 30%. К сказанному следует добавить, что влияние генетических факторов имеет большое значение даже в развитии инсульта после 70 лет.
Эпидемиологические исследования показали, что для проявления патологических эффектов генов “предрасположенности“ на фенотипическом уровне необходимо участие разнообразных факторов внешней среды. Другими словами основой для развития заболеваний являются сложные взаимодействия генетических и средовых факторов, изучение которых создает значительные трудности при выявлении конкретных генов предрасположенности к инсультам. Однако результаты исследований ассоциаций генетических маркеров или ДНК-полиморфизмов с риском развития сосудистых заболеваний мозга достаточно часто противоречивы и трудно воспроизводимы в разных популяциях. Причины, которые могут приводить к низкой воспроизводимости генетикоэпидемиологических исследований, были подробно проанализированы в отдельных обзорах [Torshin I.Yu., 2007, 2008]. Особую проблему представляет патофизиологическая интерпретация выявляемых ассоциаций ДНК-маркеров с риском развития инсультов. Доказательства выявляемых ассоциаций зачастую опираются не столько на чёткую физиологическую аргументацию и патофизиологическую значимость тестируемого гена, а сколько на статистические вероятности, интерпретация которых с биологических позиций достаточно проблематична [Herrmann S., Paul M., 2002]. В последнее время значительно возросло количество исследований, посвященных поиску наследственных факторов, предрасполагающих к развитию и клиническому течению различных клиникопатогенетических форм инсультов. При этом основным направлением генетических исследований является изучение ассоциаций генов-кандидатов с риском развития болезней. Многочисленность таких исследований требует систематизации выявленных генов-кандидатов предрасположенности к сосудистым заболеваниям мозга. В настоящем обзоре нами систематизированы результаты генетико-эпидемиологических исследований последних лет по изучению ассоциаций «кандидатных генов» с риском развития инсультов.
Характеристика генов предрасположенности к ишемическим инсультам
Определение роли конкретного гена в развитии ишемического инсульта, является сложной задачей. Это связано с его взаимодействием с другими генами и факторами, а также с сопутствующими заболеваниями, такими как артериальная гипертензия, сахарный диабет, ожирение, ишемическая болезнь сердца [Гусев Е.И. и др, 2008, Raste-nyte D. et al, 1998]. Так, имеет место увеличение степени риска болезни, связанное с но-сительством одного гена в сочетании с другими генами (так называемый феномен “эффект дозы гена”, “gene dosage effect”), действия которых являются синергичными в отношении риска развития ишемического инсульта [Celentano A., et al, 1999]. Важно отметить, что существует генетическая гетерогенность ишемического инсультов или, другими словами каждому клинико-патогенетическому варианту инсульта соответствуют уникальные комбинации генов. Установлено, что риск развития ишемического инсульта увеличивается не только под влиянием полиморфизма одного гена, но и при сочетании аллелей нескольких генов, т.е. имеет место полигенная наследственная предрасположенность к тромботическим поражениям мозговых сосудов.
К настоящему времени идентифицировано большое число генов цереброваскулярных заболеваний. В частности, к таким генам можно отнести гены системы гемостаза, ген фибриногена, тромбоцитарного гликопротеина GP IIb/IIIa, V, VIII и XII факторов свертывания, протромбина, гены, регулирующие фибринолиз (tPA, PAI-1), гены
ренин-ангиотензиновой системы, NO-синтетазы, метаболизма сывороточных липидов и гомоцистеина [Гусев Е. И. и др, 2008].
Среди большого числа генов-кандидатов ИИ особое внимание привлекает ген рецептора (тип 1) ангиотензина II (AGTR1). Через этот тип рецепторов опосредуется не только вазоконстрикторное действие ангиотензина II, но и экспрессия факторов роста и пролиферации гладкомышечных клеток сосудов. Продукт гена AGTR1 обуславливает основные кардиоваскулярные эффекты ангиотензина-II. Полиморфизм гена AGTR1 A1166C является маркером повышенного риска развития ИИ. Вариантный аллель 1166С встречается с частотой 30-40% в европейских популяциях. Вариант 1166C чаще встречается у пациентов с артериальной гипертензией (АГ), чем у здоровых доноров. Исследование 206 больных артериальной гипертонией и 298 доноров с нормальным давлением показало статистически значимое увеличение частоты варианта 1166C среди гипертоников (вероятность развития АГ при наличии у пациента генотипа 1166C увеличивается в 1,3 раза) [Bonnardeaux A., et al, 2004].
Ген ITGA2 кодирует белок a2B интегрина - специализированного рецептора тромбоцитов, за счет которых происходит взаимодействие тромбоцитов с тканевыми белками, секретируемыми при повреждении стенки сосудов. Изменение первичной структуры интегринов может приводить к повышенному риску тромбофилии [Inoue, O., et al, 2003]. Ген ITGB3 кодирует белковую компоненту тромбоцитарного рецептора фибриногена (|33-интегрина). Данный рецептор обеспечивает взаимодействие тромбоцитов с фибриногеном плазмы крови, в результате чего происходит агрегация тромбоцитов и образование тромба. При полиморфизме гена тромбоциты приобретают повышенную склонность к агрегации, поэтому его носители имеют повышенный риск тромбоза мозговых сосудов и развития инсульта.
Исследование полиморфизма -148C>T гена бета-цепи фибриногена (FGB beta polypeptide) имеют прогностическое значение и позволяют оценить относительный риск развития заболеваний сердечно-сосудистой системы вследствие нарушений в свертывающей системе крови. Ген FGB кодирует аминокислотную последовательность бета-цепи фибриногена. Фибриноген занимает одно из главных мест в свертывающей системе крови. Из фибриногена образуется фибрин - основной компонент кровяного сгустка. Полиморфизм -148C>T гена FGB представляет собой нуклеотидную замену цитозина (С) на тимин (Т) в промоторном участке гена. Вариант -148Т сопровождается повышенной экспрессией гена, что приводит к увеличению содержания фибриногена в крови и повышает вероятность образования тромбов, что способствует увеличению риска тромбоза мозговых сосудов [Schmidt H., et al, 1998]. Распределение частот аллелей и генотипов полиморфных участков G-455A, С-249Т и С-148Т гена FGB у русских не отличается от других популяций европеоидов. В то же время, у больных с ишемическим инсультом и, в меньшей степени, у пациентов с хронической недостаточностью мозговых сосудов наличие определенных аллелей ассоциируется с повышением уровня фибриногена и активности тромбоцитарного звена гемостаза. Гомо- и гетерозиготное носительство аллеля -455А полиморфного участка G-455A промоторной области гена Р-фибриногена ассоциируется с повышенным уровнем фибриногена в группе с ишемическим инсультом и в группе с хронической сосудистой мозговой недостаточностью, а также с повышенной функциональной активностью тромбоцитов только в группе с ишемическим инсультом. Носительство Т-аллеля C-249T полиморфизма гена Р-фибриногена в гомо- и гетерозиготном варианте сочетается с более легким течением инсульта, с более высоким уровнем фибриногена [Сердюк И.Е., 2008].
Одним из эффективных методом поиска кандидатных генов инсультов является анализ пар сибсов. Метод сибсов позволяет проводить анализ сцепления между геном и заболеванием, поиск ассоциаций для выявления возможных связей между анализируе-
мым полиморфизмом гена и различными клиническими проявлениями заболевания, как в группе пробандов, так и в группе их сибсов, оценить риск развития того или иного заболевания у лиц с отягощенным семейным анамнезом [Тупицына Т.В., 2007]. Результаты близнецовых и семейных исследований [Kiely D.K.et al, 1993, Bak S. et al, 2002, в целом показали повышенную частоту встречаемости ишемического инсульта в пределах одной семьи. Ранее публиковались широкие обзоры многочисленных исследований, направленных на поиск генов-кандидатов. В последнее время рядом геномных исследованиях выявлены гены фосфодиэстеразы 4D (PDE4D) [Gretarsdottir S.et al, 2003] и ALOX5AP, кодирующий 5-липоксигеназоактивирующий белок (FLAP) [Hassan A. et al, 2000], как потенциальные гены-кандидаты повышенного риска развития ИИ. Так, Проведен анализ вклада полиморфных вариантов ряда генов-регуляторов апоптоза в патогенез ишемического инсульта. Показана корреляция A>G полиморфизма (rs3219023) в первом интроне гена PARP1 и С/А полиморфизма в 3'-фланкирующей области гена EFNB3 с размером очага инфаркта мозга и тяжестью состояния больных. Установлено, что генотип А/А по гену PARP1 и генотипы А/А и С/А гена EFNB3 ассоциированы с развитием и прогрессированием инсульта и являются вариантом тяжелого течения заболевания у русских больных. Обнаружено, что аллель С полиморфизма IVS9-675C>A гена HIF-1A и генотипы С/С и С/А являются факторами повышенного риска развития ишемического инсульта в русской популяции [Тупицына Т.В., 2007].
Молекулярные механизмы патогенеза инсультов Одним из основных пусковых механизмов патогенеза ишемической болезни мозга (ИБМ) является нарушение функциональных свойств эндотелия, что в дальнейшем приводит к изменению тонуса сосудистой стенки и дальнейшему развитию и прогрессированию патологического процесса. Кроме того, так как важную роль в патогенезе ИБМ могут играть изменения гемодинамики и кровяного давления, то интерес представляет изучение генов, кодирующих белки, участвующие в процессах регуляции солевого и жидкостного гомеостаза и поддержании сосудистого тонуса. Анализ литературных данных позволяют утверждать, что ангиотензин превращающий фермент (АПФ или ACE) и ангиотензиноген (AGT) являются ключевыми элементами ренин-ангиотензиновой системы (РАС) и вносят существенный вклад в развитие инсульта [Saidi S. et al, 2009]. Ангиотензин превращающий фермент - это интегральный мембранный протеин, высвобождаемый с клеточной поверхности цинковой металлоэстера-зой. У здоровых индивидуумов уровень концентрации ACE может варьировать 5-кратно. В гене ACE имеется инсерционно-делеционный полиморфизм, связанный с ин-серцией (I) или делецией (D) Alu-повтора размером 287 п.н. в интроне 16. Данный полиморфизм ассоциирован с повышенным уровнем ACE в плазме крови и развитием целого ряда ССЗ, в том числе и инсультов. Уровень АПФ в сыворотке у здоровых людей гомозиготных по D аллелю почти в два раза выше, чем у гомозиготных по I аллелю. Носительство D-аллеля гена ACE рассматривается фактором риска геморрагического инсульта. В исследовании Назарова В.В. [Назаров В.В., 2009] при изучении патогенетических особенностей острой церебральной ишемии у лиц молодого возраста установил, что у пациентов перенесших ИИ, распределение генотипа по гену АПФ соответствовало распределению в усредненной популяции жителей Европы: в 19,6% наблюдений выявлялись - инсерционные гомозиготы (II), в 47,1% наблюдений - инсерционные гетерозиготы (ID) и в 33,3% наблюдений выявлялись - делеционные гомозиготы (DD). Умеренная гипергомоцистеинемия обнаруживается чаще у делеционных гомозигот (DD), тогда как не выявлено связи между гетерозиготами и инсерционными гомозиготами с гипергомоцистеинемией. В группе пациентов молодого возраста в 22,9% наблюдений диагностирована умеренная гипергомоцистеинемия сопровождавшаяся утолщением комплекса интима-медиа брахиоцефальных артерий до 1,7 мм. Показано, что де-
леционные гомозиготы (DD) с умеренной гипергомоцистеинемией более подвержены риску развития ишемического инсульта, а генотип (DD) по гену АПФ в сочетании с умеренной гипергомоцистеинемией следует рассматривать как независимый фактор риска развития ишемического инсульта.
Наиболее хорошо изучены механизмы нарушением липидного обмена, предрасполагающие к развитию атеросклеротического процесса. Изменение их структуры и функций генов, регулирующих липидный обмен, может быть фактором риска развития ишемической болезни мозга, обусловленной атеросклерозом церебральных сосудов [Gulcher JR et al, 2005; Benn M., 2009]. Ген GP1BA кодирует гликопротеин 1B (ГЛ-1В), который является мембранным гликопротеином тромбоцитов, состоящим из альфа и бета цепей, связанных между собой дисульфидной связью. ГЛ-1В является рецептором к фактору Виллебрандта. Полный рецепторный комплекс включает в себя ассоциацию нековалентно связанных альфа- и бета-субъединиц с гликопротеином IX и гликопротеином V тромбоцитов. Связывание комплекса ГЛ-IB-IX-V с фактором Виллебрандта инициирует адгезию тромбоцитов после повреждения кровеносного сосуда, их активацию и тромбообразование. Мутации в этом гене способствуют повышенному тромбо-образованию и развитию инфаркта мозга.
Вторым направлением изучения потенциальных патогенетических факторов при различных формах инсультов в последние годы рассматривают явление апоптоза [Hong LZ, et al, 2010]. Известно, что апоптоз является одним из механизмов ишемического повреждения клетки и, возможно, основным фактором увеличения зоны инфаркта мозга при инсульте. В связи с этим, особую актуальность приобретают исследования, направленные на изучение генов, продукты которых вовлечены в реализацию программы клеточной гибели, что позволит в дальнейшем раскрыть молекулярно-генетические основы ишемического повреждения мозга и выявить факторы индивидуальной чувствительности мозга к ишемии.
Заключение
Таким образом, все исследования, связанные с изучением генетических факторов риска возникновения инсультов демонстрируют, что в их развитии задействовано большое число генов, детерминирующие различные звенья патогенеза заболевания. Дальнейшее исследование функций генома, возможно, позволит выявить новые канди-датные гены предрасположенности к сосудистым заболеваниям мозга. Возможно, будущие достижения молекулярной генетики и системной биологии, создание новых ДНК-технологий, функциональная геномика и транскриптомика позволят пролить свет на механизмы реализации полигенной предрасположенности к нарушениям мозгового кровообращения и закономерности взаимодействия генотипа с факторами внешней среды, которые провоцируют развитие заболевания в популяциях человека.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Список используемых источников
1. Виленский, Б.С. Современная тактика борьбы с инсультом. - СПб. - 2005.-288 с.
2. Hamosh, A. Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), a knowledgebase of human genes and genetic disorders/ A. Hamosh, AF. Scott, J. Amberger, et all.// Nucleic Acids Res. -2002.- Vol.30. -P. 52-55.
3. Torshin, I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: physiology and medicine. - Nova Biomedical Books, NY, USA. - 2007. - P. 35-67.
4. Torshin, I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: studies in clinical genetics. - Nova Biomedical Books, NY, USA. - 2008.
5. Herrmann, S., Paul M. Studying genotype-phenotype relationships: cardiovascular disease as an example/ S. Herrmann, M. Paul // J Mol Med. - 2002. - Vol. 80(5). - P. 282-289.
6. Гусев, Е. И. Полиморфизм генов фибриногена у больных с ишемическим инсультом// Е. И. Гусев, О. О. Фаворова, М. А. Судомоина и др.// Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. - 2008. - №4.- С. 27-30.
7. Rastenyte, D. Genetics of stroke—a review/ D. Rastenyte, J. Tuomilehto , C. Sarti// Journal of Neurological Sciences. -1998. - Vol. 153. - P. 132-145.
8. Celentano, A. Cardiovascular risk factors, angiotensinconverting enzyme gene I/D polymorphism, and left ventricular mass in systemic hypertension/ A Celentano., F.P. Manci-ni, M. Crivaro et al. // Am J Cardiol.- 1999. - Vol. 83. - P. 1196—1200.
9. Bonnardeaux, A. Angiotensin II type 1 receptor gene polymorphisms in human essential hypertension/ A. Bonnardeaux, E.Davies, X. Jeunemaitre et al// Hypertension. - 1994.-Vol. 24(1). P. 63-69.
10. Inoue J. Integrin alpha-2-beta-1 mediates outside-in regulation of platelet spreading on collagen through activation of Src kinases and PLC-gamma-2./ J. Inoue, O., Suzuki-Inoue, K., Dean, et all// Cell Biol.- 2003.- V.160. - P. 769-780.
11. Schmidt , H. b-fibrinogen gene polymorphism (C148 to T) is associated with carotid atherosclerosis/ H.Schmidt, R. Schmidt, K. Niederkorn et al/ Arterioscler Thromb Vasc Biol. - 1998. - Vol. 18. - P. 487.
12. Сердюк, И.Е. Полиморфизм генов фибриногена у больных с ишемическим инсультом: автореф. дис. ... канд. мед. наук / Сердюк Ирина Евгеньевна.- Москва.- 2008. -22с.
13. Тупицына, Т. В. Молекулярно-генетический анализ факторов риска коронаросклеро-за и ишемической болезни мозга: автореф. дис. . канд. биол. наук / Тупицына Татьяна Викторовна. - Москва, 2007 г. -31 c
14. Kiely, D.K. Familial aggregation of stroke: the Framingham Study/ D.K Kiely, P.A Wolf, LA Cupples, et all.// Stroke. - 1993.- Vol. 24. - P. 1366-1371.
15. Bak, S. Genetic liability in stroke: a long-term follow-up study of Danish twins/ S.Bak, D. Gaist, SH. Sindrup, et all.// Stroke. - 2002. - Vol. 33. - P. 769-774.
16. Gretarsdottir, S. The gene encoding phosphodiesterase 4D confers risk of ischemic stroke/ S. Gretarsdottir, G. Thorleifsson, ST. Reynisdottir, et al.// Nat Genet.- 2003. - Vol. 35. -P. 131-138.
17. Hassan, A., Hugh S. Markus. Genetics and ischaemic stroke./ A. Hassan, S. Hugh //Brain. - 2000. - Vol. 123. - P 1784—1812.
18. Saidi, S. Association between renin-angiotensin-aldosterone system genotypes and haplo-types and risk of ischemic stroke of atherosclerotic etiology./ S Saidi, SG Mallat, WY Almawi et al.// Acta Neurol Scand. - 2009. - V.119(6)/ - P.356-63.
19. Назаров, В. В. Инсульт у лиц молодого возраста. Особенности патогенеза и диагностики: автореф. дис. .д-ра мед. наук/ Назаров Вячеслав Владимирович.- Санкт-Петербург.- 2009. - 38 c.
20. Gulcher, J.R. Genes contributing to risk for common forms of stroke/ Gulcher JR, Gretarsdottir S, Helgadottir A, Stefansson K.// Trends Mol. Med.- 2005.- V.11(5). - P.217-24.
21. Benn, M. Apolipoprotein B levels, APOB alleles, and risk of ischemic cardiovascular disease in the general population, a review.// Atherosclerosis.- 2009/- V.206(1).-P.17-30.
22. Hong, LZ. p53-mediated neuronal cell death in ischemic brain injury./ Hong LZ, Zhao XY, Zhang HL. // Neurosci Bull. -2010.- V.26(3).- P.232-40.
