ПОПУЛЯЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИМОРФНЫХ ВАРИАНТОВ НЕКОТОРЫХ ГЕНОВ ДЕТОКСИКАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ И АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ

Изучение особенностей генетической структуры популяций человека является важной и актуальной проблемой, так как эти особенности влияют на индивидуальную чувствительность организма к факторам окружающей среды. Своеобразие генетической структуры определяется, в первую очередь, однонуклеотидными заменами (SNP), полиморфизмами, своего рода генетическими метками, отличающими нации, народности, этносы. Народы Кавказа, в частности северокавказские популяции, происхождение которых «очень сложное, с историческими процессами миграции народов, древними поселениями» отличаются определенным своеобразием [6], которое накладывает отпечаток на адаптивные возможности популяции. Адаптационные возможности популяций, определяемые во многом эволюционно сложившимися полиморфизмами генов, формируют здоровье населения [1, 8]. Важное значение в формировании адаптаций у человека играют специфические белковые молекулы ДНК, обеспечивающие защиту организма от действия факторов как экзогенной, так и эндогенной природы. К первым можно отнести глутатионтрансферазы, участвующие в детоксикации ксенобиотиков, ко вторым супероксиддисмутазы, белки антиоксидантной защиты. Очевидно, что варьирование, затрагивающее изменение структуры, функции и регуляции генов, кодирующих перечисленные белки, влияет на способность клетки обезвреживать токсичные соединения и продукты свободнорадикального окисления. Было показано, что ряд полиморфных вариантов генов детоксикации ксенобиотиков и генов антиокислительного стресса сопряжен с частотой хромосомных аберраций [7] образованием микроядер и формированием патологий мультифакторной этиологии [12].

Гены детоксикации ксенобиотиков как и гены оксидативного стресса имеют множество полиморфизмов, которые определяют индивидуальную токсико-генетическую чувствительность к воздействию факторов внешней среды, однако их роль в развитии заболеваний неоднозначна, а распределение частоты аллелей отличается широкой вариабельностью от популяции к популяции. Актуальность данной работы обусловлена малочисленностью данных по определению частоты аллелей генов детоксикации ксенобиотиков и генов антиоксиднтной защиты в популяциях Северного Кавказа [10]. В связи с этим, цель настоящего исследования анализ распределения частоты генотипов и аллелей полиморфных локусов генов: GSTT1, GSTM1, SOD1 и SOD2 в популяционной выборке Чеченской Республики.

Материал и методы. Для реализации поставленной цели нами проведено генотипирование образцов ДНК, выделенных из венозной крови здоровых добровольцев (n=360) методом универсальной пробоподготовки. Национальная принадлежность, а также ряд морфометрических признаков и информация о состоянии здоровья устанавливалась по данным анкетирования. Средний возраст варьировал в диапазоне от 24 лет до 75.

Типирование полиморфных вариантов генов GSTT1, GSTM1, SOD1, SOD2 осуществляли методом аллельспецифичной полимеразно-цепной реакцией (ПЦР) с электрофоретической детекцией продуктов ПЦР и последующей визуализацией в проходящем УФ свете.

Праймеры для амплификации брали из открытых источников.

Описание изученных полиморфизмов дано в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристика полиморфизмов генов детоксикации ксенобиотиков GSTT1 GSTM1 и генов антиоксидантной защиты SOD1 и SOD2

Результаты и обсуждение

Делеционные полиморфизмы генов GSTT1 и GSTM1 были проверены посредством мультиплексной ПЦР. Результаты анализа продуктов ПЦР представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Распределение генотипов полиморфных вариантов генов GSTM1 и GSTT1 в популяционной выборке

В реакции использовались пара праймеров, не позволяющие различать гетерозиготные по делециям генотипы в генах GSTM1 и GSTT1, поэтому гомозиготы по инсерции и гетерозиготы рассматривались как ненулевой генотип по отношению  к нулевому генотипу - гомозигот по делеции.

Анализ результатов генотипирования показывает неодинаковый характер распределения нулевых генотипов генов GSTT1 и GSTM1 в исследованной выборке. Гомозиготный генотип по делеции гена GSTT1 встречается более чем у половины респондентов 52,51% против 47,49%., тогда как нулевой генотип по полиморфному локусу гена GSTT1 был обнаружен только у 13,69% (49) индивидов. Для делеционного полиморфизма гена GSTM1 наблюдается тенденция к увеличению ненулевых генотипов: 52,51% против 47,49%.

Делеционный полиморфизм гена GSTT1, являющийся основным полиморфным вариантом гена, отличается широкой вариабельностью в различных популяциях, в частности, в популяциях Африки его частота колеблется в пределах от 15 до 26%, в Австралии - от 9 до 19%, для европейцев характерна частота 10 - 20% [2]. 

Нами был проведен сравнительный анализ найденной в работе частоты гомозигот по делеции (GSTT1) с данными генетических баз (HapMap CEU) по аналогичным показателям (таблица 2). Анализ показывает, что частота нулевых генотипов полиморфного варианта гена GSTT1 в европейских популяциях достоверно выше по сравнению с результатами, полученными в настоящей работе: 0,20 против 0,1369 (p<0.05).

Ген GSTT1 картирован на длинном плече 22-й хромосоме (22q11.2). По данным исследователей фермент, кодируемый геном GSTT1 обладает самой высокой скоростью превращения ксенобиотиков в неактивную форму и быстрее (в 10 раз) других вступает в новый этап детоксикации [2]. В соответствии со свойствами вырабатываемого в клетках организма фермента гетерозиготных носителей делеции GSTT1 +/0 считают «медленными конъюгаторами», индивиды с генотипом GSTT1 +/+ относят к «быстрым конъюгаторам», в отличие от «неконъюгаторов», гомозиготных по делеции GSTT1 0/0, у них фермент глутатионтрансфераза класса ϴ не вырабатывается [2].

Эволюционно генотипы популяций с многовековой историей сложились под влиянием различных факторов, изучение которых могло бы пролить свет на характер распределения полиморфных вариантов генов.. Вероятно, низкая частота нулевого генотипа GSTT1 в исследованной выборке этнических чеченцев связана с действием отрицательного отбора в отношении «неконьюгаторов», что проявляется в активации процессов деструкции организма, провоцирующих развитие заболеваний.

Утрата фрагмента ДНК длиной около 10 т. п.н. внутри гена GSTM1 блокирует образование продукта-фермента глутатионтрасферазы класса ϻ. Интересно отметить, что несмотря на отсутствие фермента, метаболизирующего определенный класс ксенобиотиков, частота нуль-аллели довольно высокая практически во всех изученных популяциях: его частота варьирует от 23% в ряде африканских популяций до 62-63% в популяциях Азии и Европы. По данным OMIM, частота нулевых генотипов по полиморфному варианту гена GSTM1 в европейских популяциях соответствует частоте ненулевых генотипов. Распределение нулевых генотипов, выявленное в данном исследовании и частота аналогичного генотипа в европейских популяциях, по данным OMIM имеют одинаковый характер с несущественной разницей 52,51% (собственные данные) и 50% (данные OMIM). Предположительно, высокий уровень встречаемости делеций в гене GSTM1 связан с тем, что отсутствие определенного фермента, необходимого для трансформации ксенобиотиков являлось необходимым условием для выживания.

Другая группа изученных в данной работе полиморфизмов относится к системе антиоксидантной защиты (АОЗ), которая также как и система детоксикации ксенобиотиков обеспечивает защиту организма от разрушительного действия окислительного стресса. Самыми активными и значимыми в системе АОЗ являются ферменты супероксиддисмутазы и каталаза, кодируемые соответствующими генами.

Результаты типирования генотипов самого распространенного полиморфизма гена SOD2 Ala16Val представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Частота генотипов полиморфных вариантов генов SOD2 Ala16Val (47T>C)

Частота минорной аллели  составила в данном исследовании 42,7%. При этом основная форма, в которой аллель C представлен в популяции – гетерозиготное носительство. Частота гетерозиготного генотипа составила 49.58%, тогда как частота гомозигот всего 17,93%.

Таблица 4.

Частота встречаемости аллелей и генотипов полиморфного варианта  SOD2 Ala16Val (47T>C) в европейской популяции по данным HapMap-CEU

Сравнение собственных данных с данными генетической базы показало отсутствие различий в распределении минорного аллеля 16Val (табл.4).

Замена аминокислоты валин на аминокислоту аланин у носителей варианта  47C (rs4880) гена SOD2 меняет вторичную структуру белка, при этом может затрагиваться процесс транспортировки фермента в матрикс митохондрий из цитоплазмы. По данным разных авторов, активность фермента у носителей аллеля T на 33% выше по сравнению с гомозиготами С/С. Отсутствие различий в распределении генотипов и аллелей предположительно связано с независимым от внешних параметров, в том числе этнической принадлежности индивидов, характером протекания свободнорадикальных процессов и, соответственно, механизмы антиоксидантой защиты эволюционируют в одном направлении. 

Таблица 5

Частота распределения аллелей и генотипов полиморфного варианта гена  SOD1 (Arg213Gly) в Чеченской республике и в европейской популяции по данным NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP/snp_ref.cgi?rs=1799895)

Фермент, кодируемый геном SOD1 [Zn-СОД] представляет собой клеточную форму супероксидисмутаз, локализованного в ядрах, цитоплазматическом матриксе, пероксисомах и межмембранном пространстве клеток. [4]. Основной полиморфный вариант G7958A (rs4998557) гена SOD1, определяет замену гуанина на аденин, которая сопровождается снижением активности кодируемого фермента в полтора раза. Показано, что минорный вариант гена SOD1 ассоциирован с риском развития различных клинических фенотипов. Частота минорного аллеля составила в изученной выборке 11,3%, при этом в гомозиготе аллель AA частота составляет 1,58%, тогда как частота гетерозиготного носительства составляет 19,57% (табл.5). По сравнению с частотой минорного варианта, представленной в базе данных NCBI частота аллеля A незначительно выше в популяционной выборке Чеченской республики, по сравнению с европейскими популяциями (p>0,05).

Таким образом, результаты наших исследований показывают, что частота распределения основных полиморфных вариантов генов детоксикации ксенобиотиков и генов антиоксидантной защиты в целом (за исключением нулевого генотипа GSTT1) соответствует данным европейских популяций.

В многочисленных исследованиях получены доказательства роли нуль-аллелей генов GSTT1 и GSTM1 и аллельных вариантов гена SOD2 в развитии заболеваний мультифакторной природы [3], в том числе в предрасположенности к канцерогенезу, нейродегенеративных состояний, риском неразвивающейся беременности [5]

Очевидно, что знание характера распределения основных полиморфизмов ключевых генов метаболизма является очень важным в плане определения популяционной и индивидуальной чувствительности организмов к действию факторов среды и разработки профилактических мероприятий для предотвращения развития заболеваний.

Список литературы:

1. Гинтер Е.К. Роль факторов популяционной динамики в распространенности наследственной патологии в Российских популяциях. /Е.К.Гинтер, Р.А.Зинченко, Г.И.Ельчинова и др.  // Мед. генетика., 2004. -  Т. 3. -  № 12.  - С. 548.
2. Демидчик, Ю.Е. Механизмы клеточной химиорезистентности при раке молочной железы / Ю.Е. Демидчик, С.А. Костюк, И.Ю. Третьяк. //Минск : Беларуская навука, 2016. – 152 с. – ISBN 978-985-08-1991-8
3. Колесникова Л.И.. Этнографические маркеры антиоксидантной системы (Обзор литературы) /Л.И. Колесникова, Т.А. Баирова, О.А. Первушина //Бюллетень ВСНЦ СО РАН, 2013. - № 4(92) - С.166-171
4. Кравченко Л.В. Оценка антиоксидантной и антитоксической эффективности природных флавоноидов. /Л.В. Кравченко //Токсикологический вестник. 2005. - № 1. – Р. 14-20
5. Морозова К.В. Роль полиморфизма генов ферментов антиоксидантной системы в генезе невынашивания беременности. /К.В.Морозова, Н.Н.Луценко. //Акушерство, гинекология и репродукция, 2015. - №2. – С. 54-61
6. Новопашин В. О происхождении народов Кавказа: Y-DNA, https://www.proza.ru/2016/10/28/481
7. Савченко Я.А. Хромосомные аберрации и полиморфизм генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков и репарации ДНК у рабочих теплоэнергетики. /Я.А.Савченко, В.И.Минина //Вестник КемГУ., 2014. - №3  - (59). - С. 8-13.
8. Спицын В.А. Экологическая генетика человека. М.: Наука, 2008. 503 с.
9. Hayes J.D. Glutathione S-transferase polymorphisms and their biological consequences. / J.D.Hayes, R.C. Strange // Pharmacology.  -  2000. - V. 61. - №3.  - Р. 154-166.
10. Hermes-Lima M. In: In Functional Metabolism: Regulation and Adaptation. / M. Hermes-Lima //New Jersey: Hoboken; 2004. - Р. 319–368.
11. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP/snp_ref.cgi?rs=1799895
12. Méplan C. Association between polymorphisms in glutathione peroxidase and selenoprotein P genes, glutathione peroxidase activity, HRT use and breast cancer risk. /Méplan C, Dragsted LO, Ravn-Haren G, Tjønneland A, Vogel U, Hesketh J. // PLoS One., 2013. -  №8(9). - Р. 733-6.