Probable molecular genetic predictors for development of the locomotor system pathology in the extreme physical exertion

Full Text

Введение Современный спорт, особенно спорт высоких достижений, характеризуется жесткой, конкурентной и бескомпромиссной борьбой, предъявляя очень высокие требования к организму спортсмена. В своем стремлении добиться успеха каждый спортсмен так или иначе идет на превышение порога собственных возможностей, что часто закономерно ведет к развитию профессиональных заболеваний. Говоря о наиболее значимых профессиональных заболеваниях в спорте высших достижений, можно выделить нарушения работы опорно-двигательного аппарата (ОДА), посттравматические заболевания головного мозга и сердечно-сосудистые патологии [58]. К наиболее распространенным заболеваниям ОДА среди спортсменов относятся ушибы, травмы связочно-суставного аппарата (растяжения, вывихи, разрывы, остеоартроз), разрывы мышц и переломы костей. Согласно данным Национальной ассоциации студенческого спорта (NCAA), собранным в течение 16 лет по 16 различным видам спорта (более миллиона спортивных отчетов), в период с 1988/1989 по 2003/2004 год было зарегистрировано 182 тысячи спортивных травм. Также было установлено, что более 50 % видов повреждений связано с повреждением нижних конечностей. Травмы верхних конечностей происходили с частотой 18,3 % во время соревнований и 21,4 % в ходе тренировок, повреждения шеи и головы - с частотой 9,8 и 12,8 % соответственно. При этом наиболее распространенной травмой в обоих случаях оказалось растяжение связок голеностопного сустава, на которое пришлось около 15 % всех зарегистрированных травм (от 3 % в женском хоккее до 26 % в мужском баскетболе) [14]. Ушибы и повреждение передней крестообразной связки встречались реже, однако часто приводили к более существенным последствиям для здоровья спортсменов. В целом повреждение передней крестообразной связки составило около 3 % всех травм (от 0,7 % в мужском бейсболе до 5 % в женской гимнастике и женском баскетболе), при этом 88 % случаев приводили к временному прекращению спортивной деятельности на срок более 10 дней [18]. Анализ статистики спортивных травм, собранной NCAA, показал, что на протяжении 16 лет исследования частота растяжений связок голеностопного сустава практически не менялась, а частота ушибов и повреждений передней крестообразной связки у спортсменов возрастала соответственно на 7,0 % (p = 0,02) и 1,3 % (p = 0,01) ежегодно. При этом наибольшее количество ушибов было показано для мужского футбола (около 50 % всех зарегистрированных сотрясений). Наибольшая частота ушибов была выявлена в женском хоккее (18,3 % от всех травм), однако статистика по данному виду спорта велась только начиная с 2000 года. Максимальное число повреждений передней крестообразной связки также наблюдалось в мужском футболе (45 % от всех зарегистрированных случаев) [18]. Тенденция к возрастанию количества спортивных травм может быть обусловлена целым рядом факторов, включая увеличение общего числа спортсменов, изменение условий и правил проведения соревнований (например, изменение количества игр в сезоне, введение обязательных защитных элементов в спортивной форме и т. д.) и дальнейшее усовершенствование профилактических, диагностических и терапевтических методов спортивной медицины. В то время как последствием единичных травм становится вынужденный перерыв в спортивной деятельности в период восстановления, основная опасность хронического травматизма связана с тем, что он способствует развитию хронических заболеваний ОДА. К ним относятся заболевания суставов (деформирующие артрозы, менископатии, хроническая микротравматизация связок), сухожилий, мышц, а также позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилез и спондилоартроз). В последние годы в современном научном мировоззрении среди множества способов предупреждения и, что более важно, эффективного лечения последствий спортивного травматизма особое место занимают методы молекулярно-генетической диагностики, позволяющие выявить немодифицируемые факторы риска развития заболеваний ОДА. Цель настоящего исследования состояла в оценке возможностей использования молекулярно-генетического анализа для определения наследственной предрасположенности к нарушениям работы опорно-двигательного аппарата и последующих регенеративных возможностей организма. Методы исследования В ходе исследования был проведен теоретический анализ, сравнение и обобщение данных отечественных и зарубежных научных исследований, опубликованных в открытых источниках. Результаты и их обсуждение Расшифровка структуры генома человека и широкое использование методов молекулярно-генетической диагностики открыли возможности выявления генетических маркеров, ассоциируемых с предрасположенностью к проявлению различных физических качеств человека. В последнее десятилетие одним из стремительно развивающихся направлений исследований является определение генетической предрасположенности к профессиональной спортивной деятельности. Комплексный анализ результатов молекулярно-генетического тестирования может служить основой для отбора потенциальных спортсменов, подбора вида спорта, в котором существует возможность достижения наивысших результатов, оптимизации и коррекции тренировочного процесса, профилактике профессиональных заболеваний спортсменов. Молекулярно-генетические методы можно использовать на разных этапах спортивного отбора, при этом для исследования выбираются различные маркеры в зависимости от поставленных задач. Помимо генетических маркеров, связанных с проявлением таких необходимых качеств, как скорость, сила, выносливость, идентифицированы также аллели, ассоциированные с развитием профессиональных заболеваний спортсменов. Наличие таких аллелей напрямую связано с прекращением роста спортивных результатов и развитием различных патологических состояний, вплоть до внезапной сердечной смерти в результате нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы. Таким образом, наиболее важное значение анализ полиморфизмов генов, способствующих развитию профессиональных заболеваний, имеет на первичном этапе спортивного отбора, когда происходит определение склонности к занятиям спортом и осуществляется выбор вида спорта, а также на заключительном этапе, при определении уровня экспрессии генов, кодирующих неблагоприятные факторы, что является одним из критических условий поддержания высокой спортивной работоспособности [57]. В связи с этим к числу наиболее важных возможностей, которые может предоставить спортивная генетика практическому спорту, относятся: 1) рекомендации (врачу, спортсмену, тренеру) по персонифицированной профилактике риска развития заболеваний и травм на фоне высокой физической нагрузки; 2) коррекция тренировочного процесса (тип нагрузок, длительность, интенсивность тренировок) и планирование восстановительного периода с учетом индивидуальных особенностей спортсмена. Исходя из обнаруженных эффектов, можно выделить генетические маркеры, ассоциированные с заболеваниями ОДА, маркеры посттравматических заболеваний головного мозга и маркеры сердечно-сосудистых патологий [58]. На основании данных многочисленных исследований можно отметить некоторые из наиболее важных маркеров, ассоциированных с заболеваниями ОДА. К ним относятся следующие гены (табл. 1). Таким образом, нарушения работы ОДА у спортсменов, как правило, ассоциированы с генами, кодирующими белки структурных компонентов ОДА (кости, связки, сухожилия), факторы роста и белки внеклеточного матрикса (коллаген, матриксные металлопротеиназы, тенасцин С и др.) [58]. Мутации в этих генах могут оказывать влияние и на частоту возникновения нарушений, и на скорость восстановления после травмы. Отдельно стоит отметить один из наиболее важных факторов, определяющих предрасположенность к переломам и последующие регенеративные возможности организма, а именно генетическую склонность к остеопорозу. Данное заболевание характеризуется снижением минеральной плотности костной ткани и нарушением микроархитектуры кости, что приводит к увеличению хрупкости костного аппарата и предрасположенности к переломам. Необходимость генетического анализа также обусловлена высокой наследуемостью остеопороза (до 70 %) [54]. За последние 5 лет был проведен ряд масштабных исследований (в том числе полигеномных поисков ассоциаций), направленных на выявление генетических вариаций, ассоциированных именно с предрасположенностью к остеопорозу. Эти исследования позволили идентифицировать более 50 генов-кандидатов и участков генов, некоторые из которых входят в хорошо изученные метаболические пути, имеющие важное значение для костного метаболизма [51]. Ни в коем случае не ставя задачу охватить все важные для исследования генетические маркеры, мы тем не менее остановимся на некоторых из них. Ниже представлена краткая характеристика некоторых из упомянутых генов, ассоциированных с предрасположенностью к заболеваниям ОДА. ADAMTS18 (KNO2; ADAMTS21). Ген локализован на 16-й хромосоме (16q23.1) и кодирует один из белков семейства ADAMTS (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs). К одной из наиболее важных мутаций данного гена относится С/T-полиморфизм (rs11864477), ассоциированный с минеральной плотностью костной ткани. Показано, что наличие аллеля С является фактором риска развития остеопороза и переломов костей [53]. Также выявлена мутация гена, приводящая к развитию синдрома Ноблоха (Knobloch syndrome) [2], который характеризуется дефектом затылочной части черепа, близорукостью, и дегенерацией сетчатки (Ser179Leu). ALDH7A1. Ген локализован на 5-й хромосоме (5q31) и кодирует один из белков семейства альдегид дегидрогеназ, подсемейства 7. Эти ферменты играют важную роль в детоксикации альдегидов, образующихся в ходе метаболизма алкоголя и перекисного окисления липидов. Мутации в гене ALDH7A1 (rs13182402 GG) ассоциированы с риском снижения минеральной плотности костной ткани, переломов и развития остеопороза [17]. Механизм развития остеопороза в данном случае может быть обусловлен тем, что ALDH7A1 деградирует и обезвреживает ацетальдегиды, которые подавляют пролиферацию остеобластов и нарушают формирование костей. Кроме того, предыдущие исследования выявили, что полиморфизм гена ALDH2 (Glu504Lys), еще одного члена семейства ацетальдегид дегидрогеназ, также в значительной степени связан с остеопорозом [55]. Таким образом, более детальное изучение полиморфизмов генов данного семейства может позволить по-новому взглянуть на патогенез развития остеопороза. Помимо этого установлено, что нокдаун по ALDH7A1 приводит к снижению внутрикостного роста опухолей и замедляет формирование костных метастазов [45]. BMP. Гены семейства BMP кодируют белки, которые являются членами семейства костных морфогенетических протеинов (принадлежащих к надсемейству трансформирующих факторов роста β). Одной из важнейших функций белков BMP является стимуляция эндохондрального остеогенеза в естественных условиях. Среди них выделяют два наиболее значимых для анализа: BMP2 (локализован на хромосоме 20; 20p12) и BMP5 (локализован на 6-й хромосоме; 6p12.1). Белок BMP2 играет жизненно важную роль в развитии костной ткани при физиологических и патологических состояниях, индуцирует хрящеобразование и участвует в формировании длинных костей скелета [25]. Исследования показали, что генотипы BMP2 +/- и BMP6 +/- приводят к заметному снижению объема губчатой кости у мышей по сравнению с BMP +/+ [25]. Кроме того, мутации в гене BMP2 могут приводить к развитию брахидактилии типа A2 (2.1-KB DUP, +110 KB) [10, 42], а миссенс-полиморфизм (Ser37Ala) и определенные SNP-гаплотипы связаны с остеопорозом [40]. BMP2 может также играть роль в формировании синдрома волчьей пасти [25]. Установлено, что полиморфизм гена BMP5 (rs921126 AA) вносит существенный вклад в восприимчивость организма к остеоартриту [50]. Также мутации BMP5 ассоциированы с высоким риском переломов костей, медленным заживлением костной ткани и развитием повреждений внутренних скелетных структур. COL1A1. Ген локализован на 17-й хромосоме (17q21.33) и кодирует α1-цепь коллагена типа I, который представляет собой фибрилл, формирующий коллаген большинства соединительных тканей. Кроме того, он распространен в костной ткани, роговице глаз, дерме и тканях сухожилий, что и обусловливает механизм развития патологии данных структур. Коллаген I типа является основным компонентом белка связок и составляет 70-80 % от его сухой массы. Молекула коллагена представляет собой гетеродимер, состоящий из двух α1(I)- и одной α2(I)-цепи, которые кодируются генами COL1A1 и COL1A2 соответственно. Мутации в этом гене ассоциированы с остеопеническим синдромом (rs72667037) [39]; снижением минеральной плотности костной ткани и идиопатическим остеопорозом (-1997G/T, -1663IndelT, +1245G/T) [22]. Некоторые полиморфизмы могут вызывать синдром Элерса-Данлоса (IVS6DS G-A-1, IVS5AS G-A -1, ARG134CYS, IVS5AS A-T-2), связанный с повышенной подверженностью различным травмам, таким как вывихи, подвывихи, растяжения связок, деформация и иногда разрыв мягких тканей [5, 31]. Три исследования показали, что полиморфизм G1023T (rs1800012) функционального сайта связывания Sp1 в интроне-1 ассоциирован с разрывами крестообразных связок, вывихом плеча и разрывами ахиллова сухожилия [8]. Также было выявлено, что травмы связок в 4 раза чаще встречаются среди кровных родственников обследованных пациентов с разрывами, чем в группе сравнения. При этом генотип TT был практически не представлен в основной группе, что говорит о возможной защитной роли данного аллеля [32]. В ходе одного из исследований было выявлено также 5 полиморфизмов (rs1800012, rs9898186, rs2269336, rs11327935, rs1107946), ассоциированных с отосклерозом [6]. COL5A1. Ген локализован на хромосоме 9 (9q34.2-q34.3) и кодирует α-цепочку одного из фибриллярных коллагенов. Молекулы фибриллярных коллагенов представляют собой тримеры, которые могут состоять из одного и более типов α-цепей. Коллаген V типа обнаруживается в тканях, содержащих коллаген I, и играет основополагающую роль в регуляции фибриллогенеза. Мутации в данном гене (rs3196378) ассоциированы с возникновением разрывов и тендовагинопатии ахиллова сухожилия и крестообразных связок [38]. Некоторые полиморфизмы могут вызывать синдром Элерса-Данлоса (GLY1489GLU, ARG792TER, ARG1062TER и др.), связанный с повышенной склонностью к различным травмам, таким как вывихи, подвывихи, растяжения связок, деформация и иногда разрыв мягких тканей [4, 15]. Кроме того, предполагается, что полиморфизм rs12722 (BstUI RFLP) связан с билатеральными разрывами сухожилий четырехглавой мышцы [28]. ESR1. Ген локализован на хромосоме 6 (6q25.1) и кодирует рецептор эстрогена-1, лиганд-активированный транскрипционный фактор, состоящий из нескольких доменов, который играет важную роль в связывании гормонов, ДНК и активации транскрипции. Белок локализуется в ядре, где он может образовывать гомодимеры или гетеродимеры с рецепторами эстрогена-2. Эстроген и его рецепторы играют важную роль в процессе полового развития и реализации репродуктивной функции, но необходимы также и в других тканях, в том числе костной. Наиболее важными являются мутации, ассоциированные с ростом (rs543650 TT) [27], снижением минеральной плотности костной ткани и риском развития остеопороза (rs2504063 AA, rs2941740 GG [34], rs1999805 AA [41]). Также выявлено несколько мутаций (XbaI rs9340799 и PvuII rs2234693), предположительно оказывающих протективное влияние [19]. FONG. Ранее неизвестный ген FONG, обнаруженный в 2011 г. [23], локализован на второй хромосоме (2q33.1) и кодирует белок формиминотрансферазу, которая экспрессируется в организме повсеместно, в том числе в костной ткани. Исследования показали значимую ассоциацию между полиморфизмом в гене FONG (rs7605378 AA) и восприимчивостью к остеопорозу. GDF5 (CDMP1). Ген локализован на хромосоме 20 (20q11.2) и кодирует фактор дифференциации роста 5 (называемый также cartilage derived morphogenetic protein-1) - один из членов семейства костных морфогенетических протеинов (BMP). Члены этого семейства являются регуляторами роста и дифференцировки клеток как эмбриональных, так и взрослых тканей. Мутации в гене GDF5 ассоциированы с остеоартритом (rs143383 TT) [29, 44] и врожденной дисплазией тазобедренного сустава [9]; акромезомелической дисплазией Хантера-Томпсона (22-BP DUP) [46]; брахидактилией (rs74315386 T, 23-BP INS NT811, и др.) [12, 35, 37]; хондродисплазией (1-BP INS 297C, 1-BP DEL 1144G, и др.) [1, 13] и другими нарушениями развития ОДА. Кроме того, обнаружен полиморфизм GDF5, связанный с увеличением роста (наличие аллеля rs6060369 С увеличивает рост носителя на 0,44 см [36]), что позволяет предположить наличие взаимосвязи между генетическими основами роста и остеоартрита, возможно опосредованной через изменения в росте и развитии костей скелета. Таким образом, продукт экспрессии гена играет крайне важную роль в формировании скелетной системы. JAG1. Ген локализован на хромосоме 20 (20p12.1-p11.23) и кодирует мембранный белок, который является лигандом для рецептора Notch1 и играет роль на поздних и ранних этапах гемопоэза. Мутации в JAG1 (rs121918350, rs121918351, 5-BP DEL и др.) вызывают синдром Аллажиля 1-го типа [24], который может приводить к появлению врожденных пороков скелетной и сердечно-сосудистой системы. Кроме того, недавно была выявлена связь между полиморфизмом гена (rs2273061) и повышенной минеральной плотностью костной ткани [26]. LRP5. Ген локализован на 11-й хромосоме (11q13.4) и кодирует трансмембранный рецептор липопротеинов низкой плотности. Белок играет ключевую роль в скелетном гомеостазе; многие нарушения плотности костной ткани вызваны мутациями в этом гене (2220C-T, rs121908668) [30]. Секвенирование LRP5-гена выявило наличие 19 вариантов генетической последовательности (13 полиморфизмов и 6 миссенс-мутаций), способных приводить к развитию остеопороза (rs121908660, rs121908661, rs121908662, rs121908663 и др.) [16], остеопетрозу (rs121908669, rs121908670), остеосклерозу (rs121908672), эндостеальному гиперостозу (rs121908671) и другим патологиям [49]. MMP3 (STMY1). Ген локализован на 11-й хромосоме (11q22.3) и кодирует стромелизин-1 - один из белков семейства металлопротеиназ матрикса, которые принимают участие в разрушении внеклеточного матрикса в нормальных физиологических (эмбриональное развитие, размножение, перестройка тканей) и патологических процессах (артрит, метастазирование опухоли). Показана связь между полиморфизмами гена (rs679620 G, rs591058 C, rs650108 A) и развитием тендовагинопатии ахиллова сухожилия [33]. Кроме того, было установлено, что взаимодействие G-аллеля гена MMP3 (rs679620) и T-аллеля гена COL5A1 (rs12722) значительно усиливает риск патологии. TNC. Ген локализован на хромосоме 9 (9q33) и кодирует тенасцин С - один из белков внеклеточного матрикса, участвующий в процессах клеточной миграции. Предполагается, что тенасцин С нарушает клеточную адгезию, что и позволяет клеткам перемещаться. Наиболее важными являются полиморфизмы, ассоциированные с повреждениями ахиллова сухожилия (12 и 14GT-повторы в 17-м интроне считаются маркерами риска, а 13 и 17 повторов - протективными аллелями) [58]. VDR. Ген локализован на хромосоме 12 (12q13.11) и кодирует рецептор витамина D. Результаты ряда исследований свидетельствуют о том, что ген VDR играет важную роль в развитии костной ткани плода [3]. Показано также, что низкий уровень витамина D напрямую связан со снижением минеральной плотности ткани у взрослых людей [11]. Также было установлено, что совместное влияние генов VDR и COL1A1 связано с повышенным риском развития остеопороза и переломов костей независимо от минеральной плотности костной ткани [48]. При этом для носителей COL1A1 (rs1800012) GG-генотипа отсутствовало влияние гена VDR на риск переломов, в то время как для GT- и TT-генотипов была показана выраженная корреляция. Взаимодействие между генами VDR и COL1A1 представляется особенно интересным в связи с тем, что ген VDR является фактором транскрипции, регулирующим в том числе и экспрессию COL1A1 [52]. Аналогичная зависимость частоты переломов от генотипа была показана для полиморфизмов генов VDR и ESR1 [7]. Установлено, что ApaI (rs7975232 aa) и FokI (rs2228570 ff) полиморфизмы гена VDR связаны с повышенной минеральной плотностью ткани и улучшением костной структуры (протективное влияние) [20]. Также выявлено умеренное снижение риска (9 %) переломов костей, связанное с наличием Cdx A аллеля (rs11568820) [47]. При этом AA/Aa ApaI VDR-генотип был связан с повышенной дегенерацией дисков поясничного отдела позвоночника [56]. Кроме того, показана зависимость роста во взрослом возрасте с однонуклеотидными полиморфизмами -4817A/G в интроне-1, FokI - в экзоне-2 C/T, BsmI A/G - в интроне-8 и TaqI T/C - в экзоне-9 гена VDR [52]. Заключение На основании полученных нами результатов можно констатировать следующее. 1. Использование методов молекулярно-генетической диагностики позволяет определять индивидуальные особенности организма в отношении не только подбора оптимального вида физической активности, но и возможности оценки профессионального долголетия, в частности предрасположенности к нарушениям работы опорно-двигательного аппарата и последующих регенеративных возможностей организма. 2. К основным генетическим маркерам, ассоциированным с устойчивостью спортсменов к травматизму, относятся вариации генов, кодирующих белки структурных компонентов (кости, связки, сухожилия), факторы роста и белки внеклеточного матрикса (коллаген, матриксные металлопротеиназы, тенасцин С и др.). Кроме того, одним из наиболее важных для исследования факторов является генетическая склонность к остеопорозу. Необходимость генетического анализа также обусловлена высокой наследуемостью остеопороза (до 70 %). 3. Выявленные и используемые в современной молекулярной генетике спорта генетические маркеры позволяют объяснить лишь небольшую часть нарушений, приводящих к нарушениям работы опорно-двигательного аппарата, в то время как многие другие еще только предстоит идентифицировать. 4. Использование современных методов молекулярно-генетической диагностики в научных исследованиях и практике спорта высших достижений может иметь большое практическое значение, позволив снизить риск развития острых патологических состояний и хронических профессиональных заболеваний спортсменов, что, в свою очередь, сократит финансовые издержки на подготовку спортсменов и продлит их активное профессиональное долголетие.

About the authors

Anna Sergeevna Kozlova

Republican Scientific and Practical Center of Sports

Email: annete.kozlova@gmail.com
Master of Sci., Head of the Laboratory of Pharmacology and sports nutrition

Alexandre Olegovich Pyatibrat

All-Russian Centre of Extreme and Radiation Med., Emercom of Russia

Email: a5brat@yandex.ru
PhD (Pathophysiology), Head of the Research Department of the organization of scientific activity

Galina Viktorovna Buznik

S. M. Kirov Military Medical Academy

Email: a5brat@yandex.ru
PhD (Therapy), Doctorate Fellow, Department of Pharmacology

Sergei Borisovich Melnov

A. D. Sakharov International State Ecological University

Email: sbmelnov@gmail.com
Dr. Biol. Sci. (Genetics), Professor, Head. Dept. of Environmental and Molecular Medicine

Peter Dmitrievich Shabanov

S. M. Kirov Military Medical Academy

Email: pshabanov@mail.ru
Dr. Med. Sci., Professor and Head, Department of Pharmacology

References