РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И СРЕДЫ В ИЗМЕНЧИВОСТИ СИМПТОМОВ COVID-19

Анализ-отклик (продолжение изучения распространенности симптомов коронавируса, начало в статье «Жалобы больных коронавирусом и их временная динамика» [1], четвертая статья из серии «В поисках истины»).

В апреле 2020 года группа английских ученых Fr. MK Williams et al. [10] из Королевского колледжа Лондона опубликовала предварительное сообщение о проявлении симптомов COVID-19 у взрослых близнецов. Данные были собраны на основе опросных листов. Для последующего генетического анализа использовали ответы 2633 пар близнецов (в том числе 2288 женских пар и 345 мужских). Часть близнецов проживали совместно (n = 345; MZ n = 277; DZ n = 68), но большинство (2104 пар) – раздельно. Из последней группы авторы выделили 728 полных пар (537 монозиготных и 191 дизиготную пары) для углубленного анализа. Изучали соотносительную роль наследственности и среды в фенотипической дисперсии проявления 11 симптомов заболевания коронавирусом. Обнаружили, что лихорадка в 41 % случаев, потеря обоняния в 47 % и делирий в 49 % случаев детерминированы наследственностью, а кашель, потеря аппетита и изменение голоса (охриплость) больше связаны с влиянием средовых факторов.

Интернет-СМИ распространили выводы авторов как завершенное доказательство 50 % участия генетических факторов в процессе изменчивости большинства симптомов COVID-19. Руководитель отдела изучения близнецов и генетической эпидемиологии Королевского колледжа, профессор T.D. Spector (один из соавторов статьи) заявил журналистам: «Идея заключалась в том, чтобы исследовать сходство и различия симптомов у близнецов, которые имеют 100 % общих генов, и близнецов, у которых есть только половина общих генов. Если в выражении симптомов присутствует генетический фактор, то мы увидим большее сходство у монозиготных, чем у дизиготных близнецов» (https://theguardian.com/world/2020/apr/27/study-of-twins-reveals-genetic-effect-on-covid-19-symptoms). «Эта болезнь очень странная, потому что у разных людей она проявляется по-разному. Мы показали, что это не случайно. И считаем, что вероятность развития тех или иных симптомов зависит от наших генов» (https://hightech.fm/2020/04/27/covid-gen). Москва, 24 апреля, РИА Новости: «Инфекционные заболевания могут демонстрировать наследственный компонент, то есть генетически факторы хозяина оказывают влияние на заражение инфекцией, ее активное развитие и тяжесть иммунного ответа» (https://ria.ru/20200424/1570530621.html).

При чтении статьи английских коллег у нас появилось много вопросов, на которые нельзя было сразу получить ответы, так как отсутствовали более подробные сведения об исходных данных (например сколько пар монозиготных и дизиготных близнецов было среди упомянутых 2633 пар и т.д.), большинство результатов были представлены в виде диаграмм, не совсем понятна роль малых групп близнецов (n = 345 и n = 728), так как в названиях всех диаграммам указано число 2633. Первая диаграмма посвящена перечислению пар, которые сообщили о своих симптомах при поражении коронавирусом. Но авторы не сообщили, сколько из них было монозиготных пар, сколько – дизиготных, сколько было конкордантных, а сколько дискордантных пар. Простой подсчет показал, что «жалующихся» пар было 1478, т.е. 56,17 %, и это при учете, что каждая пара сообщила только об одном симптоме. В практике, связанной с коронавирусом, по нарастающей встречаются бессимптомные больные, с одним ярко выраженным симптомом или набором симптомов. Принимаем, что не все 2633 пары переболели коронавирусом. Вторая диаграмма посвящена результатам вычислений пробандовой конкордантности по изучаемым признакам (в статье эти данные не обсуждаются). Третья диаграмма дает нам визуальное представление о тетрахорическом показателе внутриклассовой корреляции, использование которого свидетельствует о том, что авторы статьи рассматривали симптомы коронавируса как количественные признаки. Последняя диаграмма отражает результат разложения фенотипической дисперсии на ее составляющие: аддитивную, межсемейную средовую (общая среда) и случайную средовую (индивидуальная среда). Применение такого метода анализа говорит в пользу полигенной генетической модели. Именно на основании результатов этого разложения и были сделаны те выводы, о которых сообщалось ранее. Эта диаграмма (в отличие от предыдущих) снабжена числовой иллюстрацией, но без знаний величин коэффициентов внутриклассовой корреляции монозиготных и дизиготных пар близнецов невозможно на равных дискутировать с английскими коллегами. А вот итоговое примечание к статье нас поразило больше всего. Оно сообщало, что дополнительные сведения смогут получить только «добросовестные исследователи» при обращении в Королевский колледж: «The data are available to bona fide researches on request to TwinsUK at King’s College London».

К сожалению, это пока единственная статья об использовании близнецового метода генетического анализа за весь прошедший период пандемии COVID-19.

Все вышеизложенное побудило нас провести добросовестное, углубленное изучение опубликованных материалов этой работы и дать им объективную оценку.

Материал и методика анализа

Прежде чем приступить к извлечению «сокрытых» данных, мы предположили, что размеры диаграмм в определенном масштабе соответствуют исходным числовым значениям. Предприняли первую пробную проверку на материале диаграммы номер один. Сделали замеры каждого столбика («Insize» штангенциркулем, точность измерения ± 0,05 мм) и вычислили процент пар близнецов, сообщивших о своих симптомах в период болезни, по всем 11 показателям. Результат представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Распространенность симптомов коронавируса среди опрошенных 2630 пар близнецов (монозиготных и дизиготных)

Примечание. Масштаб графического изображения первой диаграммы в нашем измерении: 1 мм = 0,16 %.

Судя по ошибкам вычисления (средняя арифметическая ошибка равна 0,017 + 0,07 %), первая проба извлечения исходного материала путем измерения графического изображения оказалась успешной, и мы продолжили эту практику для обработки всех оставшихся диаграмм.

Далее приступили к построению виртуальной выборки близнецовых пар. Сложив группы 345 пар и 728 пар, получили новую группу численностью в 1073 пары. В этой группе было уже 814 монозиготных пар (МЗ) и 259 дизиготных пар (ДЗ). Рассчитали соотношение: 0,7586 и 0,2414. Допустили, что такое же соотношение пар МЗ и ДЗ во всей заявленной авторами статьи близнецовой выборке, т.е. среди 2633 пар 1997 пар – МЗ и 636 пар – ДЗ с преобладающим большинством женских пар – 86,89 %. Аналогичным образом рассчитали виртуальное соотношение МЗ и ДЗ пар среди близнецовых пар, предоставивших данные о своей симптоматике заболевания коронавирусом (см. табл. 2).

Таблица 2.

Виртуальное представительство монозиготных и дизиготных пар среди близнецов, сообщивших о своих симптомах

Следующим этапом стало определение числовых значений пробандовой конкордантности (из диаграммы № 2, раздел А) и тетрахорического коэффициента (из диаграммы № 2, раздел В) (см. табл. 3).

Таблица 3.

Показатели пробандовой конкордантности и тетрахорического коэффициента, рассчитанные путем измерения графических изображений в статье Fr. MK Williams et al. [10]

Примечание. Столбцы 1–4 относятся к измерению и вычислению показателя пробандовой конкордантности. Масштаб: 1 мм = 1,607 %. Столбцы 5–8 – измерение и вычисление тетрахорического коэффициента внутриклассовой корреляции. Масштаб: 1 мм = 1,832 %.

Сh. Smith [11] в своей статье на стр. 462 опубликовал формулу, согласно которой, зная величину показателя пробандовой конкордантности (Pr), можно рассчитать значение парной конкордантности (Pw):

Pw = Pr/(2 – Pr).

Если в эту формулу ввести число (N) изучаемых пар близнецов (по отдельности МЗ и ДЗ), то получим количественное выражение числа конкордантных по конкретному признаку пар (n):

N × Pw = n.

Например, на «лихорадку» жаловалась 61 пара МЗ близнецов (N) (см. табл. 2), их показатель пробандовой конкордантности Prmz – 0,1671 (см. 3-й столбик табл. 3), тогда значение парной конкордантности равно Pwmz – 0,0911, а n = 5 конкордантных пар (59 дисконрдантных). Аналогично для ДЗ близнецов по этому признаку: из 20 пар только 1 пара была конкордантной.

 Сделаем расчет по всем остальным симптомам (продолжаем создавать нашу виртуальную выборку). Результат вычисления конкордантных пар представлен в табл. 4.

Таблица 4.

Число конкордантных пар по симптомам коронавируса среди монозиготных и дизиготных близнецов

Теперь у нас есть необходимый исходный материал для расчета тетрахорического коэффициента внутриклассовой корреляции – использовали формулу r = cos(180 / 1 + K), где К – это квадратный корень дроби ВС/АD (вычисление по таблице 2 × 2). Формулу описал S.K. Mangal [6]. На сайте (https://statisticshowto.com/polychoric-correlation/) эта дробь представлена несколько иначе – AD/BC и отождествляется с понятием «отношение шансов – odds ratio».

Для определения соотносительной роли генетических и средовых факторов в фенотипической дисперсии симптомов заболевания коронавирусом использовали формулы М.В. Игнатьева [2] и D. Falconer [4; 5] с анализом основных компонент, основанных на близнецовых корреляциях, по схеме В.И. Трубникова, В.М. Гиндилиса, С.А. Финогеновой [3].

Аддитивная компонента – A = 2(rmz – rdz).

Общая средовая компонента – Ec = A – rmz, Ec = 0,5A – rdz.

Индивидуальная средовая компонента – Ew = 1 – rmz, где rmz и rdz – коэффициенты внутриклассовой корреляции монозиготных и дизиготных близнецов.

Могут быть четыре варианта соотношения коэффициентов корреляции близнецов:

1.  rmz < rdz или равны, тогда А (или Ga ) = 0, а Ec = rmz;
2.  rdz < ¼ rmz, полагаем, что А = 0, Ec = 0, тогда доминантная компонента Gd = rmz;
3.  rdz < ½ rmz, полагаем, что Ec = 0, тогда А = 4 rdz – rmz и Gd = 2 (rmz – 2 rdz);
4.  rdz > ½ rmz, полагаем, что Gd = 0, тогда A = 2(rmz – rdz).

Для всех вариантов Ew = 1 – rmz.

Результаты и обсуждение

Разбирая данные распространенности симптомов заболевания COVID-19 (cм. табл. 1), удивились очень низкому проценту жалоб у близнецов по сравнению с популяцией Англии. Ниже приведены усредненные данные распространенности симптомов коронавируса в этой стране, взятые нами из трех публикаций [7–9; 12]: лихорадка – 32,97 %, общая усталость – 63,99 %, делирий – 16,62 %, потеря обоняния – 59,72 %, изменение голоса – 32,0 %, кашель – 54,58 %, отдышка – 34,56 %, боль в груди – 40,76 %, абдоминальные боли – 20,38 %, диарея – 27,48 %, потеря аппетита – 40,93 %.

 Fr.MK Williams et al. сделали заявление, что их данные – это процент, рассчитанный на 1,85 млн жителей Англии. В 2019 году население Англии составило 66 575 226 человек. Делим на 1,85 млн и получаем 35,986. Если на это число умножить процент симптомов у близнецов, то по некоторым параметрам получим показатели, значительно превышающие распространение симптомов в популяции. Например, кашель: 9,57 % × 35,986 = 344,38 %. Возможно, когда статья уже была готова к публикации, в скобках после «1,85 млн» появилась приписка «(data now shown)».

Продолжая анализ, рассчитали внутриклассовые коэффициенты корреляции. Расчет проводили как по формуле терахорического коэффициента (для виртуальной выборки), так и с использованием данных четвертой диаграммы из статьи английских коллег (основная выборка), где представлены значения А, Еw, Ec по формулам: rmz = 1 – E , rdz = rmz – 0,5A. Результаты расчетов разместили в табл. 5.

Таблица 5.

Значения коэффициентов внутриклассовой корреляции МЗ и ДЗ пар для виртуальной выборки и основного материала

Если преобразовать вычисленные коэффициенты внутриклассовой корреляции основной выборки (основного материала) в проценты и сравнить их с результатами измерений диаграммы (см. табл. 3, столбцы 7 и 8), то получим еще одно подтверждение адекватности нашего аналитического подхода.

Как это ни странно, но в основной выборке в восьми из одиннадцати позиций четко rmz = 2 rd , а в трех позициях – rmz = rdz (для «изменения голоса, кашля и потери аппетита» А = 0 и Ec = rmz).

Проанализируем, какие варианты соотношений rmz и rdz имеют место в виртуальной выборке: «лихорадка, абдоминальные боли, диарея» – третий вариант, «делирий» – второй вариант, «общая усталость, отсутствие обоняния, боли в груди» – четвертый вариант, «изменение голоса, кашель, потеря аппетита» – первый вариант.

Для симптома «отдышка» слишком малое число пар в выборке (всего 36 пар), и отсутствие информации о конкордантных дизиготных парах исключает возможность сделать необходимые расчеты.

Теперь рассчитаем вклад генетических и средовых факторов в изменчивость симптоматики заболевания коронавирусом на материале виртуальной выборки и сравним с аналогичными показателями из анализируемой нами статьи. Рисуем табл. 6.

Таблица 6.

Доли генетической и средовых компонент фенотипической дисперсии симптомов заболевания коронавирусом

Примечание. Столбцы с цифрой 1 представляют результаты по анализируемой статье (основная выборка). Данные столбцов с цифрой 2 – это результат вычислений по виртуальной выборке. Умножив все показатели таблицы на 100, получим их выражение в процентах.

Почему на протяжении всего анализа мы неоднократно подчеркивали, что основные расчеты сделаны на материале виртуальной выборки? Отсутствие исходных данных в статье английских коллег побудило нас сделать из их материала виртуальную выборку, с которой мы прошли все этапы анализа. Сравнивая полученный конечный результат, отмечаем, что есть сходство с основным материалом, но наши данные более подробно отражают вклад каждой из компонент. Влияние средовых факторов во всех 11 случаях преобладает. Симптом «делирий» на 49/45 % детерминирован наследственностью, но если в основной выборке это влияние аддитивного взаимодействия аллелей (по всем локусам), вовлеченных в детерминацию данного симптома, то в виртуальной выборке имеет место влияние, обусловленное наличием эффектов внутрилокусного доминирования. В изменчивости аносмии («отсутствие обоняния») аддитивная компонента составляет А = 47/38 %. Если в основном материале доля фактора среды для этого симптома равна Ew = 53 %, то в виртуальной выборке фактор среды состоит из неслучайных общесемейных средовых факторов, общенаправленно влияющих на всех членов одной семьи, принадлежащих к одному поколению (Ec = 20 %), и случайных средовых факторов, которые в среднем в равной степени влияют на всех членов популяции (Ew = 42 %). Симптом «общая усталость» – Ec = 36 % и Ew = 40 %.

Для жалоб на «кашель, охриплость (изменение голоса) и потерю аппетита» в системе «генотип средового взаимодействия» первое составляющее отсутствует (таков результат как в основной, так и в виртуальной выборке).

Именно средовые факторы, согласно данным английских коллег и наших выкладок, оказывают основное влияние как на внутрисемейные, так и межсемейные различия по всем 11 симптомам заболевания COVID-19.

Выводы

Близнецовый метод генетического исследования, зародившийся в конце XIX века, не потерял свою актуальность. В литературе есть работы, посвященные изучению при помощи этого метода роли наследственности для многих инфекционных заболеваний, например туберкулеза, кори, скарлатины и др.

Безусловно, статья английских коллег – это вклад в изучение роли наследственности в изменчивость симптомов заболевания коронавирусом. Оказалось, что влияние генотипа не такое уж значительное, как ожидалось. Хотя реакция ЦНС человека на атаку вируса COVID-19 в достаточной мере определяется комбинацией заинтересованных генов.

Показатель Ec не всегда можно оценить только исследованиями близнецов, но при наличий семейных корреляций (родитель – ребенок) все составляющие фенотипической дисперсии становятся более точными.

Помимо продолжения генетических исследований, необходимы полный анамнез, сбор конкретных сведений о факторах среды (внутри- и межсемейных), которые непосредственно участвуют в патогенезе развития как самих симптомов, так и их разнообразия, дополненный тщательным обследованием больного коронавирусом. Итогом будет ответ на вопрос о причинах наличия популяционного многообразия проявлений коронавируса и индивидуализация профилактического и лечебного подхода к этому новому заболеванию.

Список литературы:

1. Гликман М.Л. Жалобы больных коронавирусом и их временная динамика // Естественные науки и медицина: теория и практика: сб. ст. по матер. XXVIII междунар. науч.-практич. конф. № 11 (17). – Новосибирск : СибАК, 2020. – С. 23–37.
2. Игнатьев М.В. К вопросу о математической интерпретации близнецовых корреляций // Труды Медико-генетического института. – М., 1936. – Т. 4. – С. 284–294.
3. Гликман М.Л. Роль наследственности в этиологии кариеса зубов : дис. … канд. мед. наук. – Рига, 1978. – С. 90–91.
4. Фалконер Д.С. Введение в генетику количественных признаков. – М. : Агропромиздат, 1985. – С. 227–230.
5. Falconer D.S. Introduction to Quantitative Genetics. – Edinburgh – London, 1960.
6. Mangal S.K. Statistics in Psychology and Education. Second edition. – New Delhi, 2010. – P. 217–219.
7. Menni Cr., Valdes A. et al. Loss of smell and taste combination with other symptoms is a strong predictor of COVID-19 infection // MedRxiv / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1101/2020.04.05.20048421.
8. Menni Cr., Valdes A et al. Real-time tracking of self- reported symptoms to predict potencial COVID-19 // Nature Medicine. – 2020. – № 26. – P. 1037–1040.
9. Wells P.M., Doores K.M. et al. Estimates of the rate of infection and asymptomatic COVID- 19 disease in a population sample from SE England // MedRxiv / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1101/2020.07.29.20162701.
10. Williams Fr. MK, Freydin M. et al. Self-reported symptoms of covid-19 including symptoms most predictive of SARS-CoV- 2 infection, are heritable // MedRxiv / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.22.20072124v2.
11. Smith Ch. Concordance in twins : methods and interpretation // Annual Meeting American Society of Human Genetics. – 1974. – № 26. – P. 454–466.
12. Sudre C.H., Murray B. et al. Attributes and predictors of long COVID: analysis of COVID cases and their symptoms collected by the Covid Symptoms Study App // MedRxiv. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://doi.org/10.1101/2020.10.19.20214494.