GENETIC MARKERS AS AN INDICATOR OF HUMAN RESILIENCE TO VARIOUS ECOLOGICAL AND PROFESSIONAL FACTORS

Abstract

Various ecological and professional factors (hypoxia, a hot or cold climate, noise, vibration, radiation, intense physical activity, etc.) are peculiarities of the military activities. The introduction of molecular and genetic methods in medical practice and occupational selection can greatly improve the efficiency of selection and rational appointment of people into separate specialties, optimize working capacity, maintain human health, reduce the costs for rehabilitation and (or) specialists’ treatment

Full Text

Основной задачей физиологии военного труда является изучение функций и механизмов регуляции организма военнослужащих в условиях профессиональной деятельности, поддержание их высокой работо- и боеспособности. Военнопрофессиональная деятельность специалистов сопровождается воздействием различных экологопрофессиональных факторов. Среди них гипоксия, жаркий или холодный климат, шум, вибрация, напряженная физическая деятельность и др. [1]. Одним из возможных направлений сохранения здоровья и работоспособности в таких условиях может быть рациональное распределение военнослужащих по различным специальностям с учетом индивидуальной устойчивости их организма к экстремальным воздействиям, которая определяется как приобретенными, так и врожденными компонентами [2-4]. Приобретенная устойчивость (резистентность) заключается в расширении гомеостатического диапазона регулирования физиологических функций и резервных возможностей. Расширение гомеостатического диапазона обеспечивается механизмами адаптации: повышение максимального уровня функционирования физиологических систем происходит в процессе тренировки, а снижение базального уровня - за счет оптимизации системы регулирования и уменьшения напряжения в состоянии относительного покоя. Таким образом, происходит расширение нормы реакции, что является функциональной основой для высокой устойчивости человека к действию чрезвычайного раздражителя [5]. Врожденная устойчивость предопределяется геномом человека, который различен у всех людей, за исключением однояйцевых близнецов. Определение врожденной индивидуальной устойчивости стало возможным с появлением стремительно развивающихся современных молекулярно-генетических методов. Высокоэффективные методы анализа генома в начале ХХI в. позволили инициировать расшифровку генома человека и создать концепцию «генетического паспорта» [6]. Особенности геномов имеют популяционный, этнический и индивидуальный характер и обусловлены мутациями, приводящими к количественному и качественному генетическому полиморфизму [6]. Количественный генетический полиморфизм представлен факультативными элементами, на долю которых приходится более 50% всего генома. Это микро- и минисателлитная ДНК, образующая тандемные повторы (Short Tandem Repeats), ретротранспозоны, повторы большей протяженности с вариабельной по нуклеотидному составу внутренней структурой (Variab le Number Tandem Repeats). В последние годы благодаря новым методам ДНКанализа (сравнительная геномная гибридизация, полногеномный скрининг ассоциаций) в геноме человека выявлено наличие полиморфизма по большим фрагментам ДНК (1-50 МгБ) - так называемое варьирующее число копий (Copy Number Variation). Качественный генетический полиморфизм представлен преимущественно однонуклеотидными заменами - single nucleotide polymorphism (SNP). Общее число SNP во всем геноме человека оценивается величиной порядка 10-13 × 106. Предполагается, что около половины всех SNP (5 млн) приходится на смысловую часть генома. Именно эти замены нередко представляют собой аллельные варианты генов, ассоциированных с различными мультифакторными заболеваниями (МФЗ). Установлено, что SNP имеет выраженную этническую и популяционную специфику. Наследуемые полиморфные изменения генов играют решающую роль в определении уникального биохимического профиля каждого человека, в его наследственной устойчивости к воздействию различных факторов, а в конечном счете - предрасположенности к различным заболеваниям. Выявлено, что около 1,5% болезней человека обусловлены мутациями отдельных генов, при этом точность диагностики таких наследственных болезней приближается к 100%. Все остальные заболевания (98,5%), в том числе сердечно-сосудистые, онкологические, психические и инфекционные, - результат сочетанного эффекта неблагоприятных внешних факторов и индивидуальных особенностей генома, делающих человека чувствительным к заболеванию [6]. Наряду с определением генома и SNP стало возможным решение и прикладных вопросов, касающихся выявления генетических основ индивидуальной устойчивости человека к различным неблагоприятным экзогенным (экогенетика), а также к эндогенным (фармакогенетика) факторам. В ходе таких исследований возникло представление о существовании «генов предрасположенности» (мутантные гены (аллели), которые совместимы с рождением и жизнью, но при определенных неблагоприятных условиях могут способствовать развитию того или иного заболевания) [7]. ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТЬ К РАЗЛИЧНЫМ ЗАБОЛЕВАНИЯМ В настоящее время проведено сканирование ассоциаций около 300 различных МФЗ [8, 9], зарегистрировано сцепление 1640 SNP с 89 МФЗ [8, 10]. Однако множество таких ассоциаций в действительности оказывались случайными и могли быть определены только в результате повторного анализа, проведенного на других когортах больных с тем же МФЗ и других группах популяционного контроля. Около трети выявленных локусов ассоциированы с двумя, тремя и более заболеваниями. Многие МФЗ совпадают по большому числу генов, ассоциированных с различными аутоиммунными заболеваниями [11, 12]. В настоящее время уже имеются достаточно обоснованные данные о том, что «гены внешней среды» (гены GSTPi, NAT-2, miEPOX и др.) участвуют в возникновении ряда онкологических (рак легких, рак молочной железы) и неонкологических (хронический обструктивный бронхит, эмфизема легких, эндометриоз, болезнь Паркинсона) заболеваний [6, 13]. Выявлены SNP, определяющие болезнь Альцгеймера (ТОММ40-523, АРОЕ4), диабет 2-го типа (PPARG, TCF7L2, KCNJ11), старческую дегенерацию желтого пятна сетчатки (CFH), системную красную волчанку (JRF5), рак простаты (регион JF1H), сахарный диабет 1-го типа (IL2RA, CD25, PTPN22), аутоиммунный тироидит (CTLA4), болезнь Гиршпрунга (RET), болезнь Крона (NOD2, CARD15), ревматоидный артрит (PTPN22) [14, 15]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К РАЗЛИЧНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ Несмотря на многочисленные исследования в области изучения взаимосвязей генов и SNP с МФЗ, малоизученными остаются взаимозависимости SNP с устойчивостью к факторам внешней среды (гипоксия, гипотермия, гипертермия и др.) и к профессиональным факторам (физические и психические нагрузки, монотония, утомление и др.). Ранее, до появления современных молекулярногенетических методов, устойчивость человека к эколого-профессиональным факторам определялась с помощью таких генетических маркеров как соматотип, хромосомный, гормональный маркер, группа крови, состав мышечных волокон, моторная асимметрия, моторное доминирование и индивидуальный профиль функциональной асимметрии [16-19]. Для практического удобства было предложено различать маркеры абсолютные и условные. Абсолютные маркеры характеризуются наиболее высокой наследуемостью (коэффициент наследуемости приближается к 1,0). К ним относят: группу крови (системы AB0, MN и др.), скорость возникновения некоторых вкусовых ощущений, показатели кожных узоров пальцев (дерматоглифы), форму зубов (одонтоглифы), особенности хромосомных наборов и др. Условные маркеры менее обусловлены наследственно (коэффициент наследуемости 0,80-0,95). К ним относятся: соматотип человека, его темперамент (тип высшей нервной деятельности), доминирование правого или левого полушария, особенности сенсорной и моторной функциональной асимметрии и тип индивидуального профиля асимметрии, соотношение быстрых и медленных мышечных волокон в скелетных мышцах, гормональный статус и др. [20]. Наибольшая наследственная обусловленность выявлена для морфологических показателей, меньшая - для физиологических параметров и наименьшая - для психологических признаков [21]. Среди морфологических признаков наиболее выраженным оказалось влияние наследственности на продольные размеры тела, меньшим - на объемные размеры, еще меньшим - на состав тела [18]. Изучение степени наследуемости различных морфофункциональных показателей организма человека показало, что генетические влияния на них чрезвычайно многообразны. Они отличаются по срокам обнаружения, степени воздействия, стабильности проявления [19]. Генетическая обусловленность обнаружена для многих физиологических параметров, среди которых метаболические характеристики организма; аэробные и анаэробные возможности; показатели сердечно-сосудистой (значение показателей ЭКГ, систолический и минутный объем крови в покое, частота сердечных сокращений (ЧСС) при физических нагрузках, артериальное давление, объем и размеры сердца) и дыхательной (жизненная емкость легких и жизненный показатель, частота и глубина дыхания, минутный объем дыхания, длительность задержки дыхания на вдохе и выдохе, парциальное давление кислорода и оксида углерода в крови и альвеолярном воздухе) систем, показатели системы крови (уровень холестерина в крови, скорость оседания эритроцитов) и группа крови, иммунный статус, гормональный профиль и др. [22-26]. Многие нейродинамические, психофизиологические, психологические показатели, характеристики сенсорных систем также находятся под выраженным генетическим контролем: большая часть амплитудных, частотных и индексовых показателей электроэнцефалографии (ЭЭГ) (особенно α-ритм), статистические параметры взаимопереходов волн ЭЭГ, скорость переработки информации; моторная и сенсорная функциональная асимметрия, доминантность полушарий, темперамент, коэффициент интеллектуальности (IQ); пороги чувствительности сенсорных систем; дифференциация цветового зрения и дефекты цветовосприятия, нормальная и дальнозоркая рефракция, критическая частота слияния световых мельканий и др. Однако для сложных двигательных навыков генетический фактор имеет меньшее значение, чем для простых, т. е. чем сложнее поведенческая деятельность человека, тем менее выражено влияние генотипа и больше - окружающей среды [19]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ В настоящее время генетическая детерминированность в наибольшей степени нашла отражение в прикладных вопросах спортивного отбора для оценки физических качеств человека и прогнозирования его спортивных возможностей. Известно, что успех в любой деятельности человека, в том числе и спортивной, на 75-80% зависит от его генотипа и лишь 15-20% успеха дают воспитание, обучение, тренировки и все другие средовые факторы [27]. Для достижения спортивных результатов мирового уровня необходима спортивная одаренность, а для достижения мировых рекордов - спортивная гениальность [28, 29]. Выявлено, что только 0,13% населения могут быть спортивно талантливыми, 7% популяции имеют очень низкий или очень высокий уровень развития двигательных способностей и 38% - средний [30]. В то же время среди олимпийских чемпионов только около 30% имеют уникальные спортивные возможности, 60% - средние, а 10% становятся олимпийскими чемпионами вопреки всему, не имея необходимых генетических возможностей, обладая волей и прикладывая старание [31]. В современной молекулярной генетике мышечной деятельности установлено 59 генов, полиморфизмы которых ассоциированы с высоким развитием аэробных характеристик, и 20 генов, связанных со скоростно-силовыми возможностями. При анализе генетической предрасположенности к занятиям спортом необходимо учитывать уровень экспрессии генов - предикторов тренируемости физических качеств. Их активность в состоянии покоя может быть информативна для прогнозирования реакции разных систем организма на физические нагрузки [32]. В последнее десятилетие была разработана и апробирована молекулярно-генетическая диагностика развития физических качеств у спортсменов - впервые были изучены полиморфизмы генов HIFIА, NFATC4, PPARA, PPARD, PPARG, PPARGC1A, PPARGC1B, PPP3R1, TFAM, UCP2, UCP3 и VEGFA [33]. Показано, что вариации в этих генах ассоциированы с предрасположенностью к занятиям различными видами спорта, а также с аэробной работоспособностью, силовыми, антропометрическими, композиционными и эхокардиографическими показателями и уровнем двигательной подготовленности. Установлен суммарный вклад полиморфизмов 10 генов (NFATC4, PPARA, PPARD, PPARGC1A, PPARGC1B, PPP3RI, TFAM, UCP2, UCP3 и VEGFA) в развитие и проявление качества выносливости и полиморфизмов 4 генов (HIFIА, PPARA, PPARG, PPARGC1B) - в развитие и проявление скоростно-силовых качеств. Генетически обусловленными показателями потенциала развития аэробной выносливости человека являются максимальное потребление кислорода (МПК) - интегральный показатель работоспособности всех систем, обеспечивающих организм кислородом и состав мышечных волокон. Следует отметить, что между МПК и «медленными» волокнами существует прямая связь: чем выше уровень МПК, тем больше в мышцах человека «медленных» волокон [26]. Состав мышц может являться достоверным признаком при определении спортивной пригодности уже начинающего спортсмена (у высококвалифицированных стайеров количество «медленных» волокон может достигать 85-90%). Повышение МПК в процессе самой совершенной тренировки составляет не более 20-30% от исходного уровня. МПК - один из основных признаков, определяющих выбор вида спорта, требующего проявления максимальной аэробной выносливости. Анаэробный механизм обеспечения мышечной деятельности также испытывает значительное влияние генетических факторов. Основным показателем анаэробной работоспособности является максимальный кислородный долг. Коэффициент наследуемости этого механизма может составлять до 90% и выше. У лиц, расположенных к спринту, количество «быстрых» волокон составляет 80-85%, а «медленных» - лишь 15-20%. Более высокие анаэробные возможности (достоверно большая длительность задержки дыхания на вдохе и на выдохе) коррелировали со спецификой функциональной асимметрии - с достоверным преобладанием правого индивидуального профиля асимметрии (доминирование правой руки, правой ноги, правого глаза) [20]. Наиболее тренируемыми физическими качествами являются ловкость и общая выносливость (наследование в меньшей степени), а наименее тренируемыми - быстрота и гибкость (наследование в большей степени). Среднее положение занимает качество силы [34]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К ГИПОКСИИ Одним из ведущих факторов, лимитирующих спортивные показатели практически во всех видах спорта, является гипоксия [35]. Недостаток кислорода ведет к активации гена HIF1А, который, в свою очередь, запускает экспрессию гипоксия-зависимых генов - АСЕ, eNOS, PAI-1, BDKRB2, EPO, VEGF и ENDT-1. Высокие аэробные возможности определяются полиморфизмом гена HIF1А-582С/Т [21]. Адаптация к гипоксии определяется и состоянием сердечно-сосудистой системы - гуморальными регуляторами артериального давления (АСЕ-фермент ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой систем) [36, 37], и состоянием системы транспорта кислорода (ЕРО - фактор эритропоэза и ангиогенеза, МВ - транспорт кислорода в скелетных и сердечной мышцах) [38, 39]. Для жителей высокогорных регионов, которые живут в условиях пониженного атмосферного давления, сниженного парциального давления кислорода и углекислого газа в атмосферном воздухе, пониженной температуры атмосферного воздуха, генетически детерминированы повышенный основной обмен и скорость кровотока, повышенное количество эритроцитов и количество гемоглобина, расширенная грудная клетка. Выявлено, что адаптационные способности, присущие жителям высокогорных районов (тибетцы), обусловлены рядом генетических изменений, произошедших в гене EPAS1, который кодирует белок, отвечающий за формирование эритроцитов в крови [40]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К ТЕМПЕРАТУРЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В доступных литературных источниках в меньшей степени представлены генетические маркеры устойчивости к температуре окружающей среды, хотя это один из факторов влияния на организм человека, имеющих первостепенное физиологическое значение. Аборигены, живущие как в холодных, так и в жарких регионах, реагируют соответственно на низкую и высокую температуру не так, как жители умеренного климатического пояса. Тепловая адаптация обусловлена совокупностью специфических физиологических изменений. Главными из них при высокой температуре окружающего воздуха являются усиление потоотделения, снижение температуры ядра и оболочки тела и уменьшение ЧСС при нагрузке по мере пребывания в условиях повышенной температуры. Было выявлено, что TRPV1 и TRPV3 ответственны за характер реагирования организма на высокую температуру [41]. Сотрудники лаборатории онтогенетики человека Томского университета и НИИ медицинской генетики, как и их коллеги из Калифорнийского университета, проводят исследования по определению генетических маркеров, связанных с процессом адаптации и с устойчивостью к холодному климату. Изучается генетический материал жителей Крайнего Севера, южных областей России, Казахстана и Киргизии. Уровень основного обмена у северных народов генетически определен - в среднем он в 1,5 раза выше, чем у европейцев. Это сопровождается повышенной концентрацией потовых желез на лицах северян по сравнению с другими частями тела, что позволяет их организму терять меньше тепла. Секвестирование полных геномов представителей разных популяций и народов России предположительно даст возможность прогнозировать процесс адаптации организма человека к условиям среды и предупредить возможные срывы адаптационных процессов [42]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К РАДИОАКТИВНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ Развитие атомной промышленности и методов радиационной медицины приводит к расширению сферы контактов человека с источниками радиации. Реакция тканей и организма в целом на радиационное воздействие обусловлена взаимодействием целого ряда клеточных и молекулярных факторов. При хроническом радиационном воздействии невысокой мощности реакция тканей на одинаковые дозы радиации, а также тяжесть негативных последствий облучения варьируют на индивидуальном уровне [43]. Основные гены, определяющие радиочувствительность, относятся к системам репарации ДНК, апоптоза и окислительного стресса [43, 44]. Проведенные исследования позволили предположить возможное влияние генетического фактора на формирование индивидуальной радиорезистентности. Исследованные SNPмаркеры (rs 1801516 (ген АТМ), rs 664677 (ген АТМ), rs 1052133 (ген OGG1)) могут свидетельствовать об индивидуальной генетически обусловленной радиорезистентности и радиочувствительности [45]. Предварительная идентификация генетических маркеров потенциального персонала объектов использования атомной энергии может быть использована для определения круга тех лиц, привлечение которых к ликвидации последствий возможных радиационных аварий на объекте будет предпочтительным по сравнению со всеми остальными [46]. Однако недостаточно полные на сегодняшний день представления о степени меж- и внутрипопуляционной генетической вариабельности и об особенностях структурно-функциональной организации генома повышают вероятность установления ложных ассоциаций [47, 48]. Возможно наличие и других маркеров чувствительности тканей к радиационному воздействию. Тем не менее наличие достоверных отличий даже на уровне десятков образцов определяет целесообразность дальнейших исследований [45]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И УСТОЙЧИВОСТИ К УТОМЛЕНИЮ Одним из основополагающих физиологических процессов является процесс утомления. В многочисленных исследованиях продемонстрирована связь между процессом утомления и уровнем концентрации нейромедиаторов (преимущественно серотонина и дофамина) [49-51]. Выявлено, что концентрация этих веществ зависит от наличия тех или иных полиморфизмов, ассоциированных с транспортировкой и утилизацией этих нейромедиаторов, а также с плотностью рецепторов для них. Показано, что высокая концентрация серотонина ведет к увеличению скорости развития утомления в связи с тем, что серотонин играет важную роль в процессе сна [52, 53]. Синтез серотонина в мозге происходит в основном в ядрах шва, которые иннервируют обширные области, включающие кору больших полушарий, гиппокамп, бледный шар, миндалину, гипоталамус. В связи с этим значительные изменения концентрации серотонина могут иметь воздействие на многие структуры мозга. Ядра шва также влияют на активность мотонейронов [54], и недостаток серотонина может приводить к ослаблению их активности [55]. Переносчик серотонина (5-HT transporter gene, 5-НТТ) играет важную роль в трансмиссии серотонина в головном мозге, а также во многих периферических тканях. Он удаляет серотонин из синаптической щели и определяет величину и продолжительность сигнала на постсинаптической мембране. Одним из наиболее изученных полиморфизмов является 5HTTLPR. Обычно выделяют две аллели этого гена - короткую S и длинную L. При наличии одной или двух S-аллелей транскрипция 5-HTT снижается на 60-70% в головном мозге и на 30-40% в лимфобластах по сравнению с гомозиготой по L-аллели [55, 56]. Длительная когнитивная нагрузка по-разному отражается на комплексе поведенческих и психофизиологических параметров у носителей различных полиморфизмов гена 5-НТТ. Носители LL-полиморфизма обладают большей резистентностью к развитию утомления по сравнению с носителями полиморфизмов LS и SS. Это утверждение основано на том, что LL-полиморфизм связан с большей транскрипцией 5-НТТ, что, в свою очередь, ведет к большей его концентрации в головном мозге и как следствие - к высокой скорости удаления серотонина из синаптической щели. Меньшая концентрация серотонина ассоциирована с меньшим развитием утомления [57]. ВЗАИМОСВЯЗЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И ДЕПРИВАЦИИ СНА Интересны результаты работ, проведенных по исследованию генетических маркеров депривации сна. Только 1% жителей планеты (60 млн) для ночного отдыха достаточно 5-6 ч сна, и это не приводит к хронической усталости, повышению артериального давления, развитию болезней сердечно-сосудистой системы, ухудшению умственных способностей и пр. Оказалось, что именно у таких людей наблюдается мутация гена DEC2, которая снижает физиологическую потребность во сне [57]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В профессиональной подготовке сотрудников специальных подразделений Министерства обороны, Министерства чрезвычайных ситуаций, Министерства внутренних дел, Федеральной службы безопасности и других ведомств важную роль играют эколого-профессиональные факторы. Представленные материалы о взаимосвязи генетических маркеров и МФЗ, аэробных и анаэробных возможностей, физических качеств, устойчивости к гипоксии, переносимости высоких и низких температур, радиоактивного воздействия, процессов утомления и депривации сна демонстрируют актуальность использования генетических маркеров для оценки устойчивости организма специалистов этих ведомств к воздействию различных экологопрофессиональных факторов. Однако многие специалисты предостерегают о преждевременности глобальных выводов. Объективная оценка предрасположенности к тому или иному виду деятельности должна быть основана на комплексных исследованиях, включающих определение и анализ молекулярно-генетических, морфологических, физиологических, психофизиологических и психологических критериев [32]. При интерпретации результатов генетического анализа следует учитывать, что генетические особенности индивидуума в значительной степени определяются принадлежностью к конкретным географическому региону, этнической группе, популяции. Известно, что на долю межпопуляционных отличий приходится 10-15% генетического разнообразия. Закономерности проявляются и в меньших масштабах (для континентальних и субконтинентальних групп популяций). Сила биологического эффекта генетического маркера (полиморфизма) определяется этно- или популяционно-специфическими факторами как генетической, так и негенетической природы (гаплотип, взаимодействие ген-ген и генсреда) [58]. По мнению ряда исследователей, оценка наследственной склонности на основе анализа полиморфизмов не лишена оснований [32]. Но еще рано говорить о полной диагностике, потому что до сих пор не изучено влияние всех полиморфизмов на организм человека, отсутствуют комплексы полиморфизмов, специфичных для отдельных видов деятельности, не установлена индивидуальная значимость каждого из молекулярно-генетических маркеров в комплексной системе оценки, основанной на учете типа полиморфизма, его локализации в гене. Методически трудно отследить и установить влияние эпигенетических и посттрансляционных факторов, особенностей генного взаимодействия. Внедрение молекулярно-генетических методов в практику медицинского и профессионального отбора может существенно повысить работоспособность и качество работ по назначению отдельных групп специалистов, получивших «генетический паспорт». Наличие такого паспорта позволит повысить эффективность подбора и рационального распределения людей по отдельным специальностям, оптимизировать работоспособность с прогнозированием ее пределов и адаптационных возможностей, что позволит сохранить здоровье, снизить затраты на восстановление, реабилитацию и (или) лечение специалистов.