Чувствительная к воздействию средовых факторов miR-638 и многофакторные заболевания

Полный текст

По мере изучения этиологии широко распространенных заболеваний становится очевидно, что их развитию могут способствовать различные экзогенные факторы, эффект которых проявляется в зависимости от генетических особенностей индивидов. Среди генетических факторов риска развития распространенных заболеваний наиболее часто изучают структурную вариабельность генома, но в последние годы проводят также исследования по раскрытию эпигенетической составляющей многофакторных болезней [1–5]. Изменение спектра и уровня микроРНК, эпигенетические модификации (включая метилирование ДНК) рассматривают как важные компоненты патофизиологии болезней, в том числе и в качестве «посредников» эффектов неблагоприятных средовых факторов, способствующих развитию заболеваний [6–9]. С этой точки зрения интерес представляет miR-638, которая чувствительна к воздействию различных биотических и абиотических агентов; при этом направленность изменения уровня этой микроРНК зависит от влияющих агентов, продолжительности воздействия и от типа клеток [10–17]. Так, установлен более низкий уровень miR-638 у лиц с хроническим отравлением бензолом, по сравнению как с не контактирующими (контрольная группа), так и с кратковременно контактирующими с данным веществом индивидами. В то же время у тех, кто кратковременно подвергался воздействию бензолом, уровень miR-638 был выше, чем у лиц контрольной группы [13]. В другом исследовании было зарегистрировано существенное повышение уровня miR-638 у работников, подвергшихся воздействию полициклических ароматических углеводородов [11]. Повышение уровня miR-638 регистрировали при обработке клеток бенз(a)пиреном (в дозозависимой манере) [11], разнонаправленные эффекты — при воздействии неорганическим мышьяком (снижение в эндотелиальных клетках пупочной вены и увеличение в культуре лейкоцитов) [15, 18]. Предполагают, что данную микроРНК можно использовать в качестве биомаркера для оценки воздействия неблагоприятных средовых факторов на рабочем месте [15].

Для ряда вирусов также установлен стимулирующий эффект на экспрессию miR-638: для энтеровируса EV71 [16], для вируса лихорадки Чикунгунья (CHIKV) [12]. Однако в исследовании X. Liu et al. [14] показано, что вирус гепатита С ингибировал экспрессию данной микроРНК в клетках гепатомы человека. С другой стороны, miR-638 может влиять на уровень инфицирования, в частности приводить к снижению уровня транскрипции генов вируса гепатита В [19, 20]. miR-638 также чувствительна к окислительному стрессу [21] и температурным условиям (при высоких температурах уровень снижается) [22]. W. Naraballobh et al. [22] отводят микроРНК (в том числе и miR-638) важную регуляторную роль в острой реакции на модифицированные условия окружающей среды, которые обусловливают ремоделирование клеток и тканей. При этом, в силу специфики функционирования микроРНК, miR-638 на уровне трансляции контролирует экспрессию многих генов. Соответственно, изменение уровня экспрессии данной микроРНК (в том числе и под воздействием биотических и абиотических факторов среды) может оказывать влияние на разные метаболические пути.

miR-638 экспрессируется во многих тканях (в более 500 тканях, в том числе в тканях мозга, почек, кожных покровов, в жировой ткани и др.), клеточных линиях (в более 800 клеточных линиях, в том числе и в разных типах клеток крови), а также в опухолевых тканях различных органов (в более 500 опухолях) [23, 24]. Высокий уровень экспрессии данной микроРНК может быть обусловлен тем, что она вовлечена в регуляцию клеточного цикла [25–27].

Ген MIR638 локализован на хромосоме 19p13. 2, в интроне гена DNM2 (динамин 2); в гене данной микроРНК зарегистрированы полиморфные варианты (преимущественно однонуклеотидные замены), но все они являются низкополиморфными [28, 29].

В настоящем обзоре представлены данные о возможных патогенетических эффектах чувствительной к средовым воздействиям miR-638. Для этого были проведены: 1) анализ функциональной значимости генов, уровень трансляции которых может регулироваться miR-638, и 2) обобщение данных научных публикаций о вовлеченности miR-638 в патогенез различных заболеваний.

ГЕНЫ-МИШЕНИ miR-638, ИХ ВОВЛЕЧЕННОСТЬ В МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ И СВЯЗЬ С ЗАБОЛЕВАНИЯМИ

Поиск генов, экспрессию которых может регулировать miR-638, проведен по базе TargetScanHuman (версия 7. 2; дата обновления — март 2018) [30, 31]. В общей сложности согласно полученным данным miR-638 потенциально имеет сайты связывания на 1877 транскриптах (всего — 2136 сайтов). Иными словами, экспрессия около 2 тыс. генов на трансляционном уровне может контролироваться miR-638.

Чтобы определить, насколько случаен набор генов, которые имеют мишени для miR-638, с использованием аналитического интернет-ресурса Web-Gestalt [32, 33] оценена избыточность их представленности (отклонение от случайного) среди генов, ассоциированных с различными категориями патологий/групп патологий (по базе Disease) и метаболическими путями (по базе KEGG pathway). Данные получены на основании гипергеометрического теста, уровень статистической значимости определен с применением поправки по методу Бенджамини – Хохберга.

В общей сложности в результате анализа всей совокупности генов с потенциальными мишенями для miR-638 установлены болезни/группы патологий (всего — 533) и метаболические пути (всего — 62), среди которых данные гены выявляют статистически значимо чаще (p < 0,05), чем ожидается при случайном событии (то есть представлены избыточно). В табл. 1 приведены примеры таких заболеваний и метаболических путей, число генов, отнесенных к соответствующим категориям, и расчетные параметры, характеризующие избыточность представленности генов-мишеней miR-638.

Статистически значимо избыточно представлены гены, потенциально регулируемые miR-638, для широкого спектра заболеваний центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, онкологических заболеваний, воспалительных и аутоиммунных патологий, регулирующие клеточный цикл и поддерживающие стабильность генома, и т. д. и вовлеченные в метаболические пути, нарушения в работе которых могут быть причиной этих патологий. Ряд метаболических путей, среди которых гены-мишени miR-638 представлены избыточно, напрямую указывает на патологические состояния («онкозаболевания», «амиотрофический боковой склероз», «почечно-клеточный рак», «мелкоклеточный рак легкого» и др.). В качестве причинных факторов для указанных выше заболеваний рассматривают курение, неблагоприятное воздействие внешней среды (поллютанты, мутагены и т. д.), вирусы и др. Как уже отмечалось, miR-638 также чувствительна к воздействиям средовых факторов на уровне метилирования CpG-сайтов и ее экспрессии [10–13].

Таблица 1

Примеры болезней/категорий болезней (по базе данных Disease) и метаболических путей (по KEGG pathway), для которых установлена избыточная представленность генов, потенциально регулируемых miR-638

Среди ассоциированных с болезнями сердечно-сосудистой системы генов, которые потенциально регулирует miR-638, находятся и хорошо изученные гены с точки зрения патогенеза заболеваний данной системы. Так, данная микроРНК регулирует экспрессию генов, продукты которых вовлечены в процессы коагуляции крови (F8, F13A1, F10), метаболизм жиров и углеводов (SLC2A9, LDLR, FADS1), которые кодируют кальциевый (CACNA1C) и калиевые (KCND3, KCNJ5) каналы, кардиотропин 1 (CTF1), метилтетрагидрофолатредуктазу (MTHFR), фактор роста эндотелия сосудов А (VEGFA). miR-638 регулирует экспрессию онкогенов (RAN, FEV, USP6, PIM1, RAB36), генов клеточного цикла (CDKN2B, CCND1 и др.), BRCA1 и др., влияющих на риск развития онкологических заболеваний. Под контролем miR-638 находятся также белки, вовлеченные в репарационные процессы (RFC3, RFC2, MSH3, RPA1). Таким образом, на основании данного аналитического подхода можно предположить, что изменение уровня miR-638 может приводить к нарушению в различных метаболических путях, значимых для патогенеза широкого спектра заболеваний многофакторной природы. Это предположение подтверждают клинические и экспериментальные исследования.

КЛИНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ВОВЛЕЧЕННОСТИ miR-638 В ПАТОГЕНЕЗ МНОГОФАКТОРНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

Получены многочисленные данные об изменении уровня miR-638 при различных многофакторных заболеваниях (табл. 2). Обращает на себя внимание изменение уровня экспрессии miR-638 в опухолевых тканях различных систем органов (кишечника, молочных желез, легкого и др.) по сравнению с нормальными тканями и в сыворотке крови пациентов с онкопатологией по сравнению со здоровыми индивидами. Причем в подавляющем большинстве исследований наблюдали снижение уровня данной микроРНК в опухолях и сыворотке крови пациентов. Противоречивые результаты получены лишь для рака молочной железы: в двух исследованиях в тканях опухоли отмечены более низкие уровни miR-638 [34, 35], в одном — наблюдалась обратная ситуация [36], что может быть связано с клиническими особенностями включенных в исследование пациентов. В частности, уровень экспрессии данной микроРНК был выше в выборке пациентов с тройным негативным раком молочной железы, чем у пациентов с другими формами рака молочной железы [34]. Известно также, что на уровень экспрессии miR-638 может оказывать влияние прием лекарственных препаратов [11, 34].

Таблица 2

Уровень экспрессии miR-638 при различных патологических состояниях

Если у пациентов до начала лечения уровень miR-638 в опухолевой ткани/в сыворотке крови был более низким, то это, как правило, ассоциировано также с более неблагоприятной клинической картиной (больший размер опухоли, более поздняя стадия заболевание, наличие метастазов) [25, 26, 35, 40, 42–44], худшим прогнозом в отношении выживаемости (общей и отдаленной безрецидивной) [27, 35, 38, 40, 42, 43]. Такая ситуация наблюдалась для опухолей разных систем органов (см. табл. 1), за исключением носоглоточной карциномы, для которой было показано снижение выживаемости у лиц с более высоким уровнем miR-638 [38].

Одним из механизмов изменения уровня микроРНК является метилирование промотора его гена. Гиперметилирование гена-хозяина miR-638 (гена DNM2) зарегистрировано в тканях колоректального рака [62]. J. Zhang et al. также продемонстрировали, что в ткани колоректальной карциномы CpG-островок в регионе промотора miR-638 был гиперметилирован, соответственно, наблюдался более низкий уровень экспрессии данной микроРНК, а ослабление уровня метилирования оказалось достаточным для восстановления экспрессии miR-638 в опухолевых клетках [27]. При усилении экспрессии miR-638 отмечалось ингибирование пролиферации, инвазии клеток карциномы и остановка клеточного цикла в фазе G1, тогда как репрессия miR-638 приводила к противоположным эффектам [27]. Аналогичные результаты были получены в экспериментальных исследованиях и другими авторами [25, 35, 42, 45–47]. Это объясняет более благоприятный прогноз у тех пациентов, у кого после лечения зарегистрировано повышение уровня miR-638. Например, у пациентов с немелкоклеточным раком легкого, у которых после химиотерапии (цисплатином) уровень miR-638 в сыворотке повышался, зарегистрирована более продолжительная выживаемость, чем у пациентов, у которых наблюдалось снижение уровня данной микроРНК [37]. Именно высокий уровень экспрессии miR-638 обусловливал повышенную чувствительность опухолевых клеток к цисплатину, что в итоге приводило к снижению жизнеспособности клеток в ответ на химиотерапию [63]. Эти же авторы установили, что высокая экспрессия miR-638 влияла на процессы восстановления повреждений ДНК путем подавления экспрессии γH2AX и, соответственно, образования фокусов, задействованных в восстановлении повреждений [63]. miR-638 также уменьшала способность к восстановлению ДНК в клетках трижды негативного рака молочной железы, на которые воздействовали ультрафиолетовым излучением и цисплатином [34]. Эти на первый взгляд неоднозначные результаты указывают на потенциально отличающийся физиологический эффект микроРНК (miR-638, в частности) при различных условиях функционирования организма (клеток).

То, что в подавляющем большинстве случаев в опухолевых клетках регистрируют более низкие уровни miR-638, чем в нормальных клетках, позволило рассматривать данную микроРНК в качестве супрессора опухоли (для саркомы Юинга, рака шейки матки, молочной железы, желудка и др.) [25, 27, 35, 44–46] и независимого прогностического фактора различных онкологических заболеваний (вне зависимости от стадии заболевания (TNM) и наличия метастазов) [27]. Однако следует упомянуть и единичные исследования, в которых miR-638 отводится роль онкогена, способствующего клеточной пролиферации, миграции и инвазии (для плоскоклеточного рака пищевода и рака молочной железы) (по [36]). Изменение уровня экспрессии при онкологических заболеваниях хорошо согласуется с данными об избыточности представленности генов, регулируемых miR-638, среди генов, ассоциированных с патологиями и метаболическими путями согласно анализу обогащения (см. табл. 1).

Низкий уровень miR-638 в сыворотке крови или пораженных тканях отмечен и при некоторых других заболеваниях, таких как атеросклероз сонной артерии, болезнь Бехчета, гипертония, нефротический синдром и др. (см. табл. 2). Интересно, что у пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы, как и в случае онкологических заболеваний, во-первых, зафиксирован более низкий уровень miR-638, во-вторых, для пациентов с более тяжелой клинической картиной были характерны еще более низкие уровни данной микроРНК [48]. В этом исследовании установлено, что уровень данной микроРНК был ниже у курильщиков по сравнению с некурящими пациентами, что согласуется с данными об увеличении уровня метилирования CpG-сайта данной miR-638 у курильщиков [10]. Известно, что miR-638 экспрессируется на высоком уровне в гладкомышечных клетках аорты человека и вовлечена в регуляцию их пролиферации и миграции [64]. Данная микроРНК также влияет на пролиферацию и миграцию гладкомышечных клеток дыхательных путей (гиперэкспрессия ингибирует пролиферацию и миграцию), что указывает на потенциальную значимость miR-638 и в патогенезе астмы [17].

Для ряда из перечисленных выше заболеваний miR-638 рассматривают не только как диагностический маркер, но и как терапевтическую мишень. Так, уровень miR-638 в сыворотке крови предлагают использовать как неинвазивный биомаркер уязвимости бляшек и вероятности ишемического инсульта, особенно у лиц с риском сердечно-сосудистых осложнений [48]. Существует мнение, что изменение уровня miR-638 в гладкомышечных клетках сосудов можно быть полезным в лечении пролиферативных заболеваний сосудов [64]. miR-638 также может служить новой терапевтической мишенью для предотвращения гиперплазии гладкомышечных клеток дыхательных путей при астме [17].

Снижение уровня miR-638 наблюдалось не при всех патологиях, для ряда заболеваний показано повышение уровня данной микроРНК в сыворотке крови пациентов или пораженных тканях (см. табл. 2). Такая ситуация отмечена для плоскоклеточного рака пищевода, поликистоза яичников, целиакии и др. Например, повышение уровня miR-638 было зарегистрировано в сыворотке крови у пациентов со спорадическим амиотрофическим боковым склерозом [53]. Однако для данного заболевания в различных исследованиях получены противоречивые результаты (см. [53]). Провоцировать развитие этого заболевания может широкий спектр средовых факторов (тяжелые металлы, пестициды, курение, вирусные инфекции и др.) [65], поэтому неоднозначность результатов в разных исследованиях в отношении изменения уровня экспрессии miR-638 при амиотрофическом боковом склерозе может быть обусловлена несколькими причинами. С одной стороны, спорадический амиотрофический боковой склероз может различаться по этиологическим факторам, а с другой — направленность изменения уровня данной микроРНК может отличаться в ответ на экзогенные стимулы разной природы. В частности, было показано, что инфекционные агенты могут приводить к увеличению уровня экспрессии miR-638 [12, 16, 17]. Это предполагает, что один и тот же патологический фенотип может быть достигнут разными патофизиологическими путями, за которыми могут стоять разные генетические составляющие (гены и их структурно-функциональные особенности), даже при наличии общего «посредника» между средовыми факторами и генами (например, микроРНК).

В ряде случаев при сравнении уровня экспрессии miR-638 в образцах пораженных тканей противоречивость результатов в разных исследованиях можно объяснить тканеспецифичным изменением характера экспрессии. Так, в исследовании J. Lu et al. [55] установлены разнонаправленные изменения уровня miR-638 в разных участках почки у пациентов с волчаночным нефритом: в гломерулах наблюдался низкий, а в тубулоинтерстициальных тканях более высокий уровень, чем в контрольных образцах (см. табл. 2). Однако еще в двух исследованиях отмечено повышение уровня данной микроРНК у пациентов с волчаночным нефритом (в биоптатах почек и в мононуклеарах периферической крови) [56, 57].

Изменение уровня miR-638 при патологиях влияло и на изменение уровня экспрессии ряда белков. Например, было показано, что изменение экспрессии miR-638 при саркоме Юинга вызывало изменение уровня белка VEGFA [46], при остеосаркоме — протоонкогена PIM1 [45], при гепатоклеточной карциноме и раке желудка — транскрипционного фактора SOX2 [22, 43], при колоректальной карциноме — белка клеточной поверхности TSPAN1 [27], при раке желудка — связывающегося с метилированной ДНК хромосомного белка MECP2 [26], при раке груди — металлопротеиназы BRCA1 [34], при эмфиземе легких — TOMM40 [50]. Данная микроРНК влияет на уровень экспрессии CCND1 (G1/S-specific cyclin-D1) и транскрипционного активатора NR4A3 (NOR1), которые необходимы для пролиферации и миграции клеток [17], а также значима для активации Wnt/β-catenin-сигнального пути [44], нарушения в работе которого могут приводить к формированию различных патологий, включая онкологические заболевания, метаболические и нейродегенеративные расстройства, заболевания сердечно-сосудистой и эндокринной систем. У лиц с гипертонией в тканях почки наблюдалось снижение уровня miR-638 и, напротив, повышение уровня NR4A3 и RENBP по сравнению с индивидами с нормальным артериальным давлением [60]. Все гены, кодирующие указанные выше белки, согласно TargetScanHuman имеют мишени для miR-638. Однако спектр генов, которые регулирует miR-638, может быть даже шире, чем предсказано биоинформатическими методам (см., например, [50, 60]).

Следует также иметь в виду, что как чувствительность микроРНК к средовым воздействиям, так и «управление» экспрессией белок-кодирующих генов может зависеть от генетических особенностей индивидов. Генетические варианты (SNP) в регионе мишеней микроРНК могут изменять регуляцию экспрессии гена соответствующей микроРНК. Так, распространенность аллельных вариантов по rs799917 гена BRCA1 и rs334348 гена TGFR1, с одной стороны, значительно отличается среди популяций с различными рисками развития рака молочной железы, а с другой — установлена специфичность в регуляторном потенциале miR-638 и miR-628-5p, взаимодействующих с сайтами связывания мРНК генов BRCA1 и TGFR1, в зависимости от генотипических особенностей опухолевых клеток по указанным полиморфным вариантам [66]. Генетические варианты в генах микроРНК (особенно в регионах связывания с мишенями) могут изменять эффективность регулирования экспрессии генов-мишеней. Ген MIR638 содержит большое число полиморфных вариантов (SNP, инсерционно-делеционные варианты, хотя для них и характерен низкий уровень полиморфизма) [29], что также может модифицировать регуляторный потенциал данной микроРНК.

Генетическая компонента задействована и на этапе регулирования уровня метилирования ДНК. Например, у коренных гавайцев, но не у европейцев, японцев и американцев, курение влияло на метилирование некоторых участков ДНК в лейкоцитах крови [67]; метилирование ДНК в жировой ткани зависит от ассоциированных с курением SNP [68] и т. д. Доказано, что на метилирование ДНК влияют как экзогенные и эндогенные (в частности, такие, как курение табака и ожирение), так и аддитивные генетические факторы [69]. Все это указывает на важность при анализе различных эпигенетических аспектов (метилирования ДНК, регуляторный потенциал микроРНК и др.) принимать во внимание генетические особенности обследуемых индивидов.

Таким образом, приведенные в настоящем обзоре данные позволяют рассматривать miR-638 в качестве чувствительного к средовым воздействиям «маркера» широкого спектра заболеваний многофакторной природы. Во-первых, наблюдается хорошее перекрывание между болезнями/группами патологий и метаболическими путями, для которых потенциальные гены-мишени микроРНК избыточно представлены (см. табл. 1), и перечнем заболеваний, для которых установлено изменение уровня микроРНК в пораженных тканях или сыворотке крови пациентов при проведении клинических исследований (см. табл. 2). Во-вторых, накапливаются данные о том, что биотические и абиотические факторы среды (в том числе и выступающие в качестве факторов риска многофакторных заболеваний) могут влиять на уровень экспрессии miR-638. Одним из механизмов, посредством которого может изменяться уровень экспрессии данной микроРНК, является метилирование CpG-сайтов. В-третьих, в ряде случаев доказано, что уровень miR-638 на уровень мРНК (и соответственно, белков), которые имеют сайты для связывания данной микроРНК. Приведенные в обзоре сведения расширяют наши представления о патогенезе различных болезней многофакторной природы и определяют новые стратегии изучения ген-средовых взаимодействий в управлении здоровьем как отдельного человека, так и различных этнотерриториальных групп населения.

Об авторах

Аксана Николаевна Кучер

Автор, ответственный за переписку.
Email: aksana.kucher@medgenetics.ru
ORCID iD: 0000-0003-3824-3641
SPIN-код: 5251-2055
Scopus Author ID: 7004507293
ResearcherId: A-7789-2014
http://www.medgenetics.ru/science/lpg1/personallpg/201590/

доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории популяционной генетики

Список литературы

Дополнительные файлы