Полиморфизм гена GC, кодирующего витамин D-связывающий белок, у коренного населения Cибири

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Витамин D имеет важнейшее значение в функционировании организма, поскольку участвует в процессах обмена кальция и фосфора, транспорта кальция в костную ткань, иммуномодуляции и регуляции энергетического метаболизма клетки. Поступление витамина D в организм осуществляется двумя путями: холекальциферол D₃ синтезируется в коже под воздействием ультрафиолетового излучения, а эргокальциферол D₂ поступает в организм только с пищей. Поскольку на территории Северной Евразии (севернее 35° с. ш.) уровень ультрафиолетового излучения недостаточен для круглогодичного синтеза холекальциферола D₃ в коже, то большое значение приобретает экзогенное потребление человеком витамина D [1]. Транспортная форма витамина D (25(OH)D, кальцидиол) синтезируется в печени, а затем в почках превращается в активную гормональную форму витамина D (1,25(OH)₂D), кальцитриол). Кальцитриол далее участвует в активации рецепторов витамина D (VDR), которые, в свою очередь, задействованы в процессах регуляции транскрипции различных генов [2].

Основным переносчиком витамина D₃ и его производных является витамин D-связывающий белок (DBP), относящийся к Gc-глобулинам крови (Group-specific component) [3]. Этот полифункциональный гликопротеин состоит из трех структурных доменов, отвечающих за связывание с витамином D и жирными кислотами, актином, а также с клеточной мембраной нейтрофилов [4]. Белок DBP кодируется расположенным на хромосоме 4 геном GC, представленном 13 экзонами [5]. Установлено, что гликопротеин DBP представляет собой смесь модифицированных полипептидов, степень гликозилирования которых определяется генотипом [5]. Описаны три основных изоформы DBP: Gc1F, Gc1S и Gc2. Белковые варианты Gc1F и Gc1S, характеризующиеся аминокислотной заменой D432E, могут быть превращены в активный белок GcMAF — макрофаг-активирующий фактор, который играет большую роль в развитии антиракового ответа, при некоторых вирусных и нейродегенеративных заболеваниях [6, 7]. Между тем, вариант Gc2 не может быть превращен в GcMAF, поскольку в нем отсутствует основной сайт О-связанного гликозилирования сахаридов из-за аминокислотной замены T436K. В связи с этим генотипы Gc2/Gc2 ассоциируются с повышенным риском развития некоторых заболеваний [6, 7].

Исследования показали, что в распределении Gc-вариантов в популяциях человека имеются региональные особенности, которые, по всей видимости, обусловлены различиями Gc-вариантов по способности связывать 25(OH)D. В ряде исследований было показано, что содержание Gc в плазме крови определяется генотипически: самые высокие концентрации Gc наблюдаются у носителей аллеля Gc1F, самые низкие — у носителей аллеля Gc2 [8, 9]. Соответственно, самым высоким сродством к 25(OH)D характеризуются носители вариантов Gc1F и Gc1S, а самым низким — варианты Gc2. Распределение частот вариантов Gc коррелирует с экологическими и климатогеографическими факторами (интенсивность солнечной радиации, высота над уровнем моря, тип питания и др.) [10–12]. Самые высокие частоты варианта Gc1F выявлены в наиболее темнопигментированных группах населения, а самые высокие частоты Gc2 — у населения регионов с относительно низкой солнечной освещенностью [10, 13, 14]. В.А. Спицыным установлена также положительная корреляция частоты аллеля Gc2 с географической широтой, и отрицательная — с уровнем среднегодовой температуры [11].

Следует отметить, что за годы исследований иммунобиохимического полиморфизма (с использованием методов электрофореза и изоэлектрофокусирования белков) накоплены большие массивы данных о частотах вариантов Gc1 и Gc2 в популяциях Северной Евразии, включая популяции бывшего Советского Союза [15]. В последние годы базы данных генетического полиморфизма пополнились результатами полногеномных и полноэкзомных исследований, в связи с чем у исследователей имеется возможность оценить распространенность генетических вариантов локусов rs4588 и rs7041, определяющих основные Gc-варианты, в популяциях человека. Между тем, в международных базах данных сведений об аллельном и гаплотипическом разнообразии гена GC в популяциях России пока очень мало. В настоящей работе представлены результаты анализа полиморфизма гена GC у коренного населения Сибири, основываясь на данных о полноэкзомном полиморфизме [16–18].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Проанализированы опубликованные ранее с участием автора настоящей работы данные о полноэкзомном полиморфизме в популяциях коренного населения Северо-Восточной Сибири (эскимосы, чукчи, коряки; n = 28), Центральной Сибири (эвены, эвенки, якуты; n = 32), Южной Сибири (тувинцы, шорцы, алтайцы, буряты; n = 28) и Западной Сибири (кеты, ханты, манси, селькупы, ненцы, нганасаны; n = 20) [16–18]. Выполнен анализ полиморфизма всех экзонов и прилегающих к ним участков интронов гена GC, расположенного на хромосоме 4 между позициями 72607410 и 72669758. Нумерация нуклеотидов приводится согласно референтной последовательности генома человека GRCh37.p13 (hg19).

Для выявления гаплотипов из генотипов гена GC с неизвестной гаметной фазой применяли алгоритм ELB пакета программ Arlequin 3.01 [19]. Статистическую значимость различий частот аллелей и генотипов анализируемых локусов гена GC в сравниваемых группах определяли с помощью точного критерия Фишера. Степень межпопуляционной дифференциации по частотам вариантов гена GC оценивали с помощью значений F_ST (Arlequin 3.01).

Для сравнительного анализа использовали информацию о частотах вариантов популяционного полиморфизма гена GC, находящуюся в базах данных dbSNP (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/), 1000 Genomes (https://www.internationalgenome.org/), gnomAD и ExAC (https://gnomad.broadinstitute.org), ALFRED (https://alfred.med.yale.edu).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ нуклеотидных последовательностей экзонов и прилегающих к ним некодирующих участков гена GC у 108 представителей различных этнических групп коренного населения Сибири показал наличие полиморфизма в 4 нуклеотидных позициях (табл. 1). В экзонах обнаружено три замены (несинонимичные замены в локусах rs4588 и rs7041 и синонимичная замена в локусе rs4752) и одна замена выявлена в некодирующей области (rs3733359). Как видно из распределения частот аллелей гена GC в региональных выборках Сибири (табл. 2), вариант rs4588-T значимо реже встречается на северо-востоке и в центральной части Сибири, чем на юге и западе Сибири (р < 0,003, точный тест Фишера) и в других восточноазиатских популяциях, и также редок, как и в африканских популяциях. Аллель rs4752-G с самой высокой частотой обнаружен в центрально-сибирской выборке (у эвенов, эвенков и якутов), а на юге и западе Сибири его частота значимо ниже (р < 0,0004). По сведениям базы данных ALFRED, в Восточной Азии наиболее высокие частоты аллеля rs4752-G характерны для якутов (32 и 47,6 % в разных выборках). Аллель rs3733359-A чаще всего наблюдался на северо-востоке Сибири (32,1 %) и реже всего в западносибирской выборке (7,5 %) (табл. 2). По данным базы ALFRED, частота этого варианта у тувинцев и якутов составила 17 и 19,5 % соответственно, что находится в диапазоне частот, зарегистрированных в сибирских выборках по результатам настоящей работы.

Анализ нуклеотидных последовательностей гена GC позволил выявить 7 гаплотипов, характеризующихся различными сочетаниями аллелей в локусах rs4588, rs7041, rs4752 и rs3733359 (табл. 3). Как известно, комбинации вариантов полиморфизма в локусах rs4588 и rs7041 определяют основные варианты изоформ DBP: диплотипу rs4588-G/rs7041-A соответствует вариант Gc1F, rs4588-G/rs7041-C — вариант Gc1S и rs4588-T/rs7041-A — вариант Gc2. Поэтому на основании генотипических данных распределение Gc-аллелей и генотипов в исследованных сибирских выборках реконструируется таким образом, как это показано в табл. 4. Как видно, выборки существенно различаются по частотам Gc2, Gc1S/Gc2 и Gc2/Gc2: самые высокие частоты этих вариантов обнаружены на юге и западе Сибири. И, наоборот, самая высокая распространенность вариантов Gc1F и Gc1F/Gc1F наблюдается на северо-востоке и в центральной части Сибири. Эти результаты, в целом, соответствуют полученным ранее данным, что минимальные частоты Gc2 характерны для населения северо-восточной части Сибири [12].

Анализ генетической дифференциации исследованных выборок населения Сибири по частотам указанных в табл. 3 гаплотипов гена GC показал, что выборки дифференцируются в две группы (табл. 5). Северо-восточная и центральносибирская выборки по значениям F_ST значимо отличаются от выборок из Южной и Западной Сибири (р < 0,05). Вклад в дифференциацию вносят не только локусы rs4588 и rs7041, но и два других локуса (rs4752 и rs3733359), указанных в табл. 3. Так, изоформа Gc1F кодируется четырьмя гаплотипами, но самыми частыми из них являются два гаплотипа, характеризующиеся производными аллелями в локусах rs4752 и rs3733359 (гаплотипы 1 и 4). Примечательно, что комбинация производных аллелей rs4752-G и rs3733359-A наблюдалась лишь однократно в гаплотипе 6. Для изоформы Gc1S в сибирских выборках наблюдаются два гаплотипа, различающиеся заменами в локусе rs3733359 (гаплотипы 2 и 7), а Gc2 кодируется единственным гаплотипом 5 (табл. 3).

Полиморфизм локусов rs4588 и rs7041 имеет функциональное значение, поскольку определяемые ими изоформы Gc характеризуются различным сродством к 25(OH)D. Между тем, в отношении локусов rs4752 и rs3733359 информации довольно мало, но известно, что оба локуса содержат замены, повышающие риск развития артрита периферических суставов и увеита у корейских пациентов с анкилозирующим спондилитом — группы заболеваний суставов и позвоночника [20]. Так, для носителей варианта rs3733359-A показано уменьшение риска периферического артрита, а у носителей варианта rs4752-G выявлен увеличенный риск увеита. Эти данные могут иметь отношение к сибирским популяциям, поскольку среди коренного населения Северо-Востока Сибири (у эскимосов, чукчей и коряков) обнаружена достаточно высокая распространенность спондилоартропатий [21].

Таким образом, проведенное исследование показало, что распределение аллелей и генотипов гена GC у коренного населения Сибири имеет региональный характер, что, по всей видимости, связано с особенностями метаболизма витамина D и его производных в тех или иных группах населения. Размеры исследованных выборок невелики, в связи с чем продолжение исследований полиморфизма гена GC на популяционном уровне имеет большие перспективы в плане изучения ген-средовых взаимодействий с учетом D-витаминного статуса коренного населения, этнической принадлежности, влияния экологических условий (уровня естественного освещения и сезонности), специфики питания [22]. О влиянии такого рода факторов на распределение вариантов полиморфизма гена GC свидетельствуют полученные в настоящей работе данные о высокой распространенности гаплотипов, кодирующих Gc1F-изоформу, на Северо-Востоке Азии в условиях низкой интенсивности солнечной радиации. Кроме этого, важным фактором, способствующим дефициту витамина D, может быть сравнительно высокое содержание меланина в коже представителей арктических народов, который препятствует проникновению в кожу ультрафиолетовых лучей и затрудняет тем самым синтез витамина D₃ [23]. В какой-то мере дефицит витамина D у аборигенов Севера мог быть компенсирован особенностями традиционной диеты, включающей богатые витамином D продукты морского зверобойного промысла, рыбы и оленины, однако вклад пищевого фактора в формирование D-витаминного статуса коренных народов Сибири пока изучен мало. Представляется очень важным также расширить исследования гаплотипического разнообразия гена GC, основываясь на результатах секвенирования как кодирующих, так и некодирующих участков гена. Это обусловлено тем, что отбор наиболее оптимальных вариантов гена GC (не только для основных локусов rs4588 и rs7041, но и для дополнительных локусов, расположенных в интронах и регуляторных участках) в различных региональных группах человека является результатом балансирования между активностью витамин D-связывающего белка и уровнем 25(OH)D в крови [24]. Полученные в настоящей работе данные также свидетельствуют, что особенности распределения гаплотипов по четырем локусам гена GC в сибирских популяциях могут иметь функциональный смысл.

Об авторах

Борис Аркадьевич Малярчук

Автор, ответственный за переписку.
Email: malyarchuk@ibpn.ru
ORCID iD: 0000-0002-0304-0652

д-р биол. наук, заведующий лабораторией генетики

Список литературы

Дополнительные файлы