Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

РОЛЬ ПОЛИМОРФИЗМА И ЭКСПРЕССИИ ОТДЕЛЬНЫХ ГЕНОВ ЦИТОКИНОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПАТОЛОГИИ (ОБЗОР)

Бодиенкова Г.М. 1 Титова Ж.В. 1
1 ФГБНУ «Восточно – сибирский институт медико-экологических исследований»
В обзоре представлен анализ данных литературы, касающихся роли полиморфизма и экспрессии генов цитокиновой сети в формировании патологического процесса. Показано, что к центральным регуляторам гомеостаза относится цитокиновая система, обладающая широким спектром биологических эффектов. Функционирование цитокиновой сети в норме и при патологии базируется на механизмах, лежащих в основе регуляции экспрессии генов цитокинов. В работе представлено краткое описание основных характеристик экспрессии генов – тканеспецифичности и зависимости от активации клеточных сигнальных путей. Изложены структурные и функциональные особенности некоторых генов цитокинов.
цитокины
полиморфизм
экспрессия генов
патологический процесс
1. Гомазков О.А. Молекулярные механизмы регуляции нейрохимических процессов. История и современный взгляд // Успехи физиол. наук. – 2003. – Т. 34, № 3. – С. 42–54.
2. Гуломов З.С., Симбирцев А.С., Янов Ю.К. и др. Роль цитокинов при лечении острых и хронических заболеваний верхних дыхательных путей (обзор литературы) // Российская оториноларингология. – 2008. – № 6. – С. 200–205.
3. Козловская М.А., Швед Н.Ю., Ярмолинская М.И. и др. Поиск ассоциации и анализ межгенных взаимодействий генов цитокиновой системы (IL-4, IL-4Rα, TNF-α, RANTES) при эндометриозе // Медицинская генетика. – 2012. – № 9. – С. 10–18.
4. Кучер А.Н., Бабушкина Н.П., Тарасенко Н.В. и др. Изменчивость полиморфных вариантов генов факторов некроза опухоли и их рецепторов у представителей четырех этнических групп Сибирского региона. // Медицинская генетика. – 2010. – № 6. – С. 16–23.
5. Мордвинов В.А., Фурман Д.П. Цитокины: биологические свойства и регуляция экспрессии гена интерлейкина-5 человека. // Вестник ВОГиС. – 2009. – Т.13, № 1. – С. 53–67.
6. Мустафина О.Е., Тимашева Я.Р., Тулякова Г.Х. и др. Полиморфизм -627C>A гена интерлейкина 10: анализ ассоциаций с сердечно-сосудистыми заболеваниями // Медицинская генетика. – 2010. – № 5. – С. 12–17.
7. Пушкарева А.Э., Хусаинова Р.И., Валиев Р.Р., Хуснутдинова Э.К. Исследование полиморфных вариантов генов цитокинов – фактора некроза опухолей (TNFA и TNFB) у больных с хронической сердечной недостаточностью // Медицинская генетика. – 2010. – № 2. – С. 30–37.
8. Симбирцев А.С. Цитокины – новая система регуляции защитных реакций организма // Цитокины и воспаление. – 2002. – № 1. – С. 9–16.
9. Симбирцев А.С., Громова А.Ю. Функциональный полиморфизм генов регуляторных молекул воспаления // Цитокины и воспаление. – 2005. – Т. 4, № 1. – С. 3–10.
10. Симбирцев А.С., Рыдловская А.В. Функциональный полиморфизм гена TNFA и патология // Цитокины и воспаление. – 2005. – Т.4, № 3. – С. 4–10.
11. Сысоев К.А. Экспрессия мРНКхемокинов и хемокиновых рецепторов и содержание цитокинов в крови здоровых добровольцев // Цитокины и воспаление. – 2011. – Т. 10, № 3. – С. 91–97.
12. Шкаруба Н.С., Васильев Ф.Ф., Силков А.Н. и др. Частота встречаемости аллельных вариантов генов TNFRI в позициях – 609 и – 1207 и TNFRII типа в позициях – 1709 и – 3609 среди условно-здоровых доноров и у больных ревматоидным // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. – 2012. – № 3 , Ч. 2. – С. 237–240.
13. Яценко О.П. Изучение тканеспецифической экспрессии сплайс-вариантов мРНКIL-4 и IL-6 у мыши и человека: автореф. дис. канд. мед.наук. – Новосибирск, 2011. – 18 с.
14. Bihl M.P., Heinimann K., Rudiger J.J. et al. Identification of a novel IL-6 isoform binding to the endogenous IL-6 receptor. // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. – 2002. – V. 27(1). – P. 48–56.
15. Fernandez V., Videla L.A., Tapia G., Israel Y. Increases in tumor necrosis factor-alpha in response to thyroid hormone-induced liver oxidative stress in the rat // Free Radic. Res. – 2002. – V. 7. – P. 719–725.
16. Fugger L, Friese MA, Bell JI. From genes to function: the next challenge to understanding multiple sclerosis. // Nat. Rev. Immunol. – 2009. – V. 9(6). – P. 408–417.
17. Hoogendoors B. Functional analysis of human promoter polymorphisms // Hum. Mol. Genet. – 2003. – V. 12(18). – P. 2249–2254.
18. Howell W.M., Turner S.J., Collins A. et al. Influence of TNFalpha and LTalpha single nucleotide polymorphisms on susceptibility to and prognosis in cutaneous malignant melanoma in the British population // Eur. J. Immunogenet. – 2002. – V. 29. – P. 17–23.
19. Inoue T., Kira R., Nakao F. et al. Contribution of the interleukin-4 gene to susceptibility to subacutesclerosingpanencephalitis // Arch. Neurol. – 2002. – V. 59. – P. 822–827.
20. Kawashima T., Noguchi E., Arinami T. et al. Linkage and association of an interleukin-4 gene polymorphism with atopic dermatitis in Japanese families // J. Med. Genet. – 1998. – V. 35. – P. 502–504.
21. Kestler D.P., Agarwal S., Cobb J. et al. Detection and analysis of an alternatively spliced isoform of interleukin-6 mRNA in peripheral blood mononuclear cells. // Blood. – 1995. – V. 86(12). – P. 4559–4567.
22. Li B., Carey M., Workman J.L. The role of chromatin during transcription // Cell. – 2007. – V. 128. – P. 707–719.
23. Lio D., Cardore G., Crivello A. et al. Opposite effects of interleukin 10 common gene polymorphysms in cardiovascular diseases and in successful ageing: genetic background of male centenarians is protective against coronary heart disease // J. Med. Gen. – 2004. – V. 41. – P. 790–794.
24. Pastinen T., Ge B., Hudson T.J. Influence of human genome polymorphism on gene expression // Hum. Mol. Genetics. – 2006. – V. 15, № 1. – P. 9–16.
25. Qidwai T., Khan F. Tumor necrosis factor gene polymorphism and disease prevalence // Scand. J. Immunol. – 2011. – V. 74(6). – P. 522–547.
26. Rose-John S., Schooltink H. Cytokines are a therapeutic target for the prevention of inflammation-induced cancers // Rec. Results Cancer Res. – 2007. – V. 174. – P. 57–66.
27. Rudensky A.Y., Gavin M., Zheng Y. FOXP3 and NFAT: partners in tolerance // Cell. –2006. – V. 126. – P. 253–256.
28. Seah G.T., Gao P.S., Hopkin J.M., Rook G.A. Interleukin-4 and its alternatively spliced variant (IL-4delta2) in patients with atopic asthma. // Am. J. Respir. Crit. Care Med. – 2001. – V. 164(6). – P. 1016–1018.
29. Simpson J.L., Bischoff F.Z., Kamat A. et al. Genetics of endometriosis // Obstet. Gynecol. Clin. North. Am. – 2003. – V. 30(1). – P. 21–40.
30. Suarez A., Castro P., Alonso R. et al. Interindividual variations in constitutive interleukin-10 messenger RNA and protein levels and their association with genetic polymorphysms // Transplantation. – 2003. – V. 75. – P. 711–717.
31. Torre-Amione G., Kapadia S., Lee J. et al. Tumor necrosis factor – and tumor necrosis factor receptors in the failing human heart // Circulation. – 1996. – V. 93. – P. 704–711.
32. Um J.Y., Kim H.M. Frequencies of the tumor necrosis factor genepolymorphisms in the Korean population // Hereditas. – 2003. – V. 139. – P. 184–188.

Ведущая роль в обеспечении и поддержании гомеостаза, формировании согласованных реакций отдельных систем организма в ответ на воздействие внешних и внутренних факторов принадлежит иммунной системе. К центральным регуляторам гомеостаза относится цитокиновая система, обладающая широким спектром биологических эффектов [2]. Образование и высвобождение высокоактивных молекул жестко регулируется генетическими механизмами [9], которые до настоящего времени изучены недостаточно. Известно, что функционирование цитокиновой сети в норме и при патологии базируется на механизмах, лежащих в основе регуляции экспрессии генов цитокинов [5]. Экспрессия генов подразумевает под собой процесс реализации закодированной в структуре ДНК информации на уровне мРНК и белков и начинается с транскрипции их нуклеотидной последовательности. В норме многие гены не экспрессируются, а степень экспрессии других имеет высокую индивидуальную вариабельность. Патологический процесс может приводить к активации заинтересованных генов или к репрессии активных. Это предоставляет клеткам широкие возможности для изменчивости, обеспечивающей приспособленность их фенотипов к разнообразным условиям среды и физиологическим воздействиям. Часто гены экспрессируются последовательно: активация одного гена вызывает экспрессию другого или нескольких генов, что приводит к каскаду событий [11]. Уровень экспрессии в определенной степени зависит от полиморфизма генов. Однонуклеотидный полиморфизм заключается в отличии последовательности ДНК размером в один нуклеотид между гомологичными участками гомологичных хромосом. Такие отличия возникают в результате точечных мутаций. Влияние полиморфных вариантов на экспрессию обусловливает возможные сценарии развития заболевания. Это определяет необходимость исследования индивидуального генетического профиля для выработки стратегии превентивной и предикативной корректировки образа жизни каждого человека. Отметим, что изучение экспрессии отдельных генов цитокинов и их генных кластеров способствует решению одной из важнейших проблем молекулярной биологии – исследованию механизмов регуляции экспрессии генов эукариот [5]. Генетически детерминированная дисрегуляция цитокинов ведет к инициации не только хронических воспалительных процессов, но и к генерализированным нарушениям. Известно, что дисбаланс в продукции белков, например, семейства интерлейкин-1 (IL-1β, IL1RA, IL1RI), влияет на характер протекания воспалительных заболеваний и является одним из пусковых механизмов патологических процессов [10]. В нервной системе процессы постепенного и необратимого нарушения механизмов обеспечения структурной и функциональной целостности нейрона вызывают изменения в содержании цитокинов, нейротрофических факторов, нейропептидов и экспрессии различных «факторов выживания», которые защищают целостность генома и сохранение структуры ДНК. В последнем участвуют также нейрональные стволовые клетки, обеспечивающие компенсацию поврежденных нейронов и глии [1]. Следует отметить, что большинство цитокинов не синтезируется клетками вне воспалительной реакции и иммунного ответа. При нормальном физиологическом состоянии спектр детектируемых мРНК цитокинов узок и уровень экспрессии соответствующих генов невысок. При повреждении тканей, воспалении, опухолеобразовании и при многих других патологических процессах спектр экспрессирующихся генов цитокинов, обладающих местной и дистантной активностью, значительно расширяется, а уровень экспрессии генов, обладающих базальной активностью, многократно возрастает [27]. Сопоставление уровня мРНК и содержания биологически активных молекул важно для понимания процессов регуляции и активации иммунной системы, и может объяснить физиологическое состояние организма человека  [12].

Важными характеристиками экспрессии генов цитокинов являются ее тканеспецифичность и зависимость от активации клеточных сигнальных путей [5]. Тканеспецифический характер формируется в процессе клеточной дифференцировки [23] и часто определяется присутствием в соответствующих клетках специфического набора транскрипционных факторов [28]. Каскад внутриклеточных сигнальных реакций, следующий за взаимодействием определённых лигандов с их рецепторами на поверхности лимфоцита, завершается формированием комплексов регуляторных районов генов цитокинов с конститутивными и/или индуцибельными транскрипционными факторами, запускающих инициацию или ингибирование экспрессии генов [17]. Уровень экспрессии рецепторов в определенной степени зависит от аллельных вариантов полиморфных локусов, частота встречаемости которых может иметь значительные различия при патологических процессах. Полиморфные генетические сайты могут рассматриваться как маркеры предрасположенности или резистентности к различным заболеваниям, в патогенезе которых играет роль цитокиновая сеть [18]. В последнее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что полиморфизм генов цитокинов и их рецепторов вносит существенный вклад в содержание конечных продуктов экспрессии, влияя тем самым и на процессы, которые регулируют эти медиаторы. Это может оказывать влияние на эффективность применения ингибитора транскрипции определенного цитокина в качестве метода терапии.

Для гена TNF (фактор некроза опухоли) и его рецепторов, а также гена IL1B (интерлейкин-1 бета) известен целый ряд полиморфных вариантов в промоторных и интронных областях, которые ассоциированы с повышенной или пониженной продукцией цитокина, а также с развитием целого ряда инфекционных, аутоиммунных и онкологических заболеваний, ключевую роль в которых играют цитокины [13]. В хромосомном регионе 6p21.3 локализованы два гена TNFA и TNFB, кодирующих белки суперсемейства TNF. TNF-α, кодируемый геном TNFA, является провоспалительным цитокином, который задействован в регуляции широкого спектра биологических процессов: пролиферации, дифференцировки, апоптоза клеток [25], коагуляции и метаболизма липидов [15]. Данный цитокин секретируется главным образом макрофагами, хотя его способны продуцировать и другие типы клеток, например, Т – и В-лимфоциты. Наработка TNF-α регулируется на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях [14]. Он связывается со специфическими мембранными рецепторами, что приводит к активации факторов транскрипции, регулирующих гены интерлейкинов 1 и 6 (IL-1, IL-6), простагландинов, фактора активации тромбоцитов, факторов роста (TGF-β), гормонов, в частности, адреналина [8]. Развитие патологических процессов, ключевым цитокином в которых является TNF-α, может быть обусловлено уровнем экспрессии не только его самого, но и его рецепторов. TNF-α реализует свои эффекты через 2 типа рецепторов, которые могут существовать в мембранно-связанной и в растворимой форме: рецептор TNFI типа (TNFRI) известный как p55 или p60, и рецептор TNFII типа (TNFRII), обозначаемый как p75 или p80. От уровня их экспрессии зависят биологические эффекты этого медиатора. TNFRI конститутивно экспрессируется практически на всех клетках млекопитающих, тогда как TNFRII – преимущественно на клетках иммунной системы. Уровень экспрессии TNFRI и TNFRII может быть обусловлен аллельными вариантами кодирующих их генов, где в результате точечных мутаций может происходить изменение уровня транскрипции гена [7,13]. Следует отметить, что ген TNFA расположен в том же локусе, где закодированы молекулы главного комплекса гистосовместимости первого (HLA-A, B, C) и второго (HLA-DP, DQ, DR) классов. Промоторная область гена TNFA включает 8 полиморфных участков с единичными нуклеотидными заменами: – 1031T > C, – 863C > > A, – 857C > T, – 575G > A, – 376G > A, – 308G > A, – 244G > A, – 238G > A. Однако наиболее значимыми считаются однонуклеотидные замены гуанина на аденин в позициях – 308 и – 238, которые вызывают изменения уровня продукции TNF-α. Показано, что клетки доноров, гомозиготных по генотипуА/А, синтезируют в 3 раза больше цитокина, чем клетки лиц с генотипом G/G [22]. Еще одним полиморфным участком гена TNFA, влияющим на продукцию цитокина, является – 238G > A. Однако в данном случае замена гуанина на аденин ведет не к повышению, а к понижению продукции белка. Стимуляция клеток цельной крови липополисахаридом показала, что клетки с генотипом G/A синтезируют в 1,5 раза меньше TNF-α, чем клетки с генотипом G/G. Таким образом, однонуклеотидные замены в положениях – 308G > A и 238G > A гена TNFA ассоциированы с повышением и снижением уровня экспрессии соответственно. Полиморфизм – 308G > A гена TNFA влияет и на транскрипционную активность гена TNFB, локализованного в том же кластере [4]. Ген TNFB тандемно связан с геном TNFA внутри комплекса генов HLA на хромосоме 6. Полиморфизм в гене TNFB – замена аденина на гуанин в первом нитроне в позиции + 252, приводит к синтезу мутантного аллеля размером 5,5 т.п.н., тогда как размер аллеля дикого типа составляет 10,5 т.п.н [32]. В зависимости от исследованной популяции носительство различных TNFB-аллелей ассоциировано с повышенной или пониженной секрецией TNF-α. В частности обнаружено, что полиморфизм + 252A > G гена TNFB влияет на уровень секреции TNFα [4]. В результате транзиции + 252A > G значительно увеличивается и выработка TNF-β, зависящая от увеличения транскрипции гена, что подтверждено опытами in vitro [32]. Два диаллельных полиморфизма – – 308G > A гена TNFA и + 252A > G гена TNFB – ассоциированы с многофакторными заболеваниями, например, сахарным диабетом 1 типа [8].

Особый интерес представляет иммунорегуляторный медиатор IL-4 (интерлейкин-4), имеющий большое значение для регуляции многих клеточных процессов. IL-4 принимает участие в ограничении воспалительного ответа, подавляя секрецию провоспалительных цитокинов и регулируя, таким образом, тяжесть повреждения тканей. Для этого медиатора показано, что его экспрессия происходит с участием альтернативного сплайсинга [22]. Ген IL4 у человека экспрессируется в виде двух форм мРНК: полноразмерной формы, содержащей все 4 экзона и альтернативно сплайсированной, не содержащей 2-го экзона, названной IL-4δ2 [29]. Образование изоформм РНК IL-4 у взрослого человека имеет тканеспецифический характер: обычно мРНК IL-4δ2 преобладает над полноразмерной формой и обнаруживается в мононуклеарных клетках (МНК) периферической крови человека в минорных количествах, а также в клетках тимуса и бронхо-альвеолярного лаважа, клеточных линиях B95/8 и HL60 [22]. Данных об экспрессии гена IL4 недостаточно, а сведения по биологической активности противоречивы. Вместе с тем известно, что клеткам-эффекторам передается сигнал IL-4 с помощью белка-рецептора. Последний состоит из двух субъединиц: альфа-субъединицы, отвечающей за связывание с белком IL-4, и гамма-субъединицы, транскрипция, которой активируется белком IL-4. Ген IL4RA расположен на длинном плече хромосомы 16 (16p12.1) и существует в нескольких полиморфных вариантах. Полиморфизм гена IL4RA (1902А > G) приводит к замене аминокислоты глутамина на аргинин в 551 положении (551G > A), затрагивает структуру альфа-субъединицы рецептора и может влиять на передачу сигнала IL-4 [3]. Ген IL4 расположен на длинном плече хромосомы 5 (5q31.1), содержит 4 экзона и имеет размер 10 т.п.н. Один из полиморфных вариантов гена IL4 (– 590Т > С) связан с изменением уровня экспрессии. Данный полиморфизм ассоциирован с различными заболеваниями, включая атопический дерматит [21], болезнь Грейвса [19] и рассеянный склероз [20].

Важную роль в развитии и формировании многих патологических состояний играет противовоспалительный IL-10. Установлено, что IL-10 способен тормозить повреждение и тромбоз атеросклеротической бляшки благодаря угнетению активности макрофагов, которые являются основными триггерами гиперкоагуляции, ингибированию продукции провоспалительных цитокинов, снижению экспрессии тканевого фактора [6, 16]. Экспрессия IL-10 обеспечивает защиту нейронов и глиальных клеток мозга преимущественно за счет ингибирования проапоптических цитокинов и стимулирования защитных сигнальных реакций. Активация рецепторов IL-10 регулирует сигнальные процессы с участием Jak1 (янус киназа-1)/Stat3 (преобразователь сигнала и активатор транскрипции-3), MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа), phosphokinase-3 (фосфокиназы-3) и NF-kappaB (ядерный фактор транскрипции «каппа-би»), в свою очередь сопряженных с контролем митохондриального апоптоза. Относясь к числу противовоспалительных цитокинов, IL-10 участвует в регуляции защитных процессов при нейродегенеративных расстройствах [30].В исследованиях на моно – и дизиготных близнецах установлено, что межиндивидуальная вариабельность по концентрации IL-10 в значительной мере (50–70 %) обусловлена генетическими факторами [26]. Значительное внимание уделяется поиску функционально значимых полиморфных вариантов гена IL10. Показано, что полиморфизм промоторных участков гена IL10 обусловливает межиндивидуальную вариабельность по степени продукции IL-10 при антигенной стимуляции и формировании воспалительных клеточных реакций [31]. Продемонстрировано, что генотип – 627C/C гена IL10 ассоциирован с повышенным, а генотип – 627C/A – с пониженным содержанием IL-10 в крови, с более низким уровнем экспрессии гена IL10 [24, 31], что является стимулом к развитию патологий нервной системы.

Таким образом, исследованиями многих авторов показано, что цитокиновая система относится к центральным регуляторам гомеостаза, обладая широким спектром биологических эффектов. Функционирование цитокиновой сети базируется на механизмах, лежащих в основе регуляции экспрессии генов цитокинов. Ключевую роль в развитии и течении многих патологических процессов в организме человека могут играть генетические факторы: аллельные варианты полиморфных локусов, эпистатическое влияние и экспрессия генов, которые важно учитывать при диагностике и выработке схемы лечения.


Библиографическая ссылка

Бодиенкова Г.М., Титова Ж.В. РОЛЬ ПОЛИМОРФИЗМА И ЭКСПРЕССИИ ОТДЕЛЬНЫХ ГЕНОВ ЦИТОКИНОВ В ФОРМИРОВАНИИ ПАТОЛОГИИ (ОБЗОР) // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-4. – С. 616-620;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34866 (дата обращения: 17.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252