Endometriosis as systemic genetic problem

Full Text

Введение Расшифровка (прочтение) генома человека знаменовала собой начало новой эры в жизни человечества — эры молекулярной медицины, позволяющей осуществить комплексный анализ заболеваний, начиная от идентификации причинного гена, его экспрессии, характеристики белковых продуктов, выяснения места и до выяснения их роли в метаболических (сигнальных) путях клетки, целого организма в норме и в патологии. Такой комплексный подход положен в основу нового, стремительно развивающегося направления — системной генетики, рассматривающей развития любого количественного признака на уровне транскрипции генов, их экспрессии, синтеза белков, метаболических путей, межклеточных взаимодействий, формирования органа и систем [13]. Согласно современным представлениям, эндометриоз (Э) — дисгормональное, иммунозависимое и генетически обусловленное заболевание, характеризующееся доброкачественным разрастанием ткани, сходной по морфологическому строению и функции с эндометрием, но находящейся за пределами полости матки [2, 3]. В настоящее время Э рассматривают не только как специфическое местное заболевание, но как патологический процесс (эндометриоидную болезнь), в который вовлечены как смежные, так и отдаленные органы и целые системы организма [2]. Современное состояние проблемы Э детально рассмотрено в фундаментальной монографии под редакцией Л. С. Джиндис и Л. Йоханнеса (2012) [4]. В настоящее время существует более десятка гипотез и различных теорий для объяснения происхождения и развития Э [3, 11]: 1. Трансплантационная 2. Метапластическая 3. Экзогенная (токсическая) 4. Денервационная-реинервационная 5. Гормональная 6. Иммунологическая 7. Стрессовая 8. Генетическая 9. Эпигенетическая 10. Инфекционная За каждой из них стоит большое число фактов и клинических наблюдений, обосновывающих ее появление. Вместе с тем их многообразие свидетельствует о том, что реально проблемы этиология и патогенеза Э остаются неизвестными. Соответственно, несмотря на определенные успехи лечения этого очень распространенного, социально значимого заболевания, ранняя (досимптоматическая) диагностика, профилактика и эффективное лечение Э все еще отсутствуют. Между тем все основные патогенетические механизмы Э уже достаточно хорошо известны [3, 4] (рис. 1). Они включают повреждающие (провоцирующие) экзогенные факторы, в качестве которых могут выступать не только внешние воздействия, но и экзогенные по отношению к эндометрию матки эндотоксины. Важная роль отводится гормональным нарушениям, которые проявляются повышенной активностью эстрогенов, простагландинов, фермента ароматазы (CYP19 C2), регулирующего синтез эстрогенов, при одновременном снижении активности прогестерона и уменьшении числа прогестероновых рецепторов. Характерны для Э также и многообразные иммунные нарушения, заключающиеся, прежде всего, в повышении активности цитокинов, особенно TNFα, IL-4, IL-8, которые потенцируют рост эктопических стромальных клеток эндометриоидных гетеротопий [8, 14]. Наконец, подавление генов супрессоров опухолевеого роста (CDKN2B, CDKN2 A и ARF) и активаций генов раннего (эмбрионального) развития женского репродуктивного тракта (HOXA, HOXB, WNT4) [способствует метаплазии (перерождению) клеток эндометрия, которые приобретают способность к пролиферации и, попадая в брюшную полость, имплантируются в брюшину благодаря особенностям клеточной адгезии, обеспечиваемой белками кадхеринами и ферментами металлопротеиназами, и дефекту естественных клеток-киллеров] [8]. Таким образом, на первом этапе Э генетически нормальные клетки эндометрия, подвергаясь метаплазии, трансформируются в клетки доброкачественной опухоли, обладающие способностью к инвазии эпителиальных клеток брюшины. Имеются данные, позволяющие считать, что вся эндометриоидная ткань, как и при других опухолях, берет начало из единичной клетки, прошедшей метаплазию [6]. Следовательно, Э — пример детально изученного МФЗ, являющегося результатом взаимодействия неблагоприятных генетических, средовых и эпигенетических факторов [12]. Важно, однако напомнить, что экзогенная (токсическая) теория возникновения Э в настоящее время вызывает серьезные возражения, поскольку гены системы детоксикации не обнаруживают ассоциации с Э как при мета-анализе данных разных лабораторий, так и по результатам полногеномного скрининга ассоциаций (GWAS) [8]. В то же время эксперименты с диоксином на обезьянах и наши многочисленные исследования по изучению сочетанных ассоциаций функционально неполноценных аллелей генов 2-й фазы детоксикации (GSTМ1, GSTT1, NAT2, mEPXН) убедительно доказывают важную роль полиморфизма генов системы детоксикации в развитии Э [1]. Другой важной составляющей патогенеза Э являются гены-кандидаты гормональной и иммунной систем, часть которых наследственно изменены, тогда как функции других оказываются нарушенными в результате ошибок регуляции эпигенетических процессов, следствием которых могут быть стабильное выключение или усиление их экспрессии. При этом, как видно на диаграмме (рис. 2), заболевают Э отнюдь не все женщины, подвергавшиеся действию неблагоприятных внешних факторов или имеющие только генетическую предрасположенность или даже те, у которых встречались функциональные, эпигенетические изменения генов (эпимутации генов предрасположенности). Больными реально могут оказаться только около 20 % всех женщин, у которых было неудачное совпадение всех этих трех факторов. Генная сеть Э в настоящее время изучена достаточно подробно [8, 14] (см. рис. 3). Помимо ранее упомянутых генов, система детоксикации включает гены половых гормонов и их рецепторов, гены и рецепторы цитокинов, гены-супрессоры опухолевого роста, а также, что кажется достаточно неожиданным, гены эмбрионального развития женской репродуктивной системы и гены клеточной пролиферации. Совершенно новую группу генов, разбалансировке функций которых, наряду с нарушениями процессов метилирования ДНК, отводят генам регуляторных микроРНК [7, 15]. Подробный сравнительный анализ спектра микроРНК в нормальном эндометрии и в клетках эндометриом позволил обнаружить выраженные нарушения синтеза этих важных регуляторных молекул, содержание которых в эндометриоидной гетеротопии сильно возрастает или, наоборот, становится существенно ниже нормы [7]. Безусловно, наряду с рассмотрением генной сети Э особого внимания заслуживают результаты иммунологических исследований, убедительно доказывающих важную роль иммунных факторов и, прежде всего, цитокиновой системы макрофагов, интерлейкинов и их рецепторов [8]. Особую роль в патогенезе Э отводят фактору некроза опухоли альфа и эндотелиальному фактору роста сосудов (VEGF2). Важно отметить, что наблюдаемые изменения отмеченных иммунных факторов в сыворотке крови и перитонеальной жидкости больных Э подробно изучены и, в целом, хорошо согласуются с соответствующими аллелями генов, контролирующих синтез этих белков [3, 8]. Прямая зависимость между содержанием белковых продуктов и аллельными вариантами соответствующих генов показана и в отношении генов половых гормонов и их рецепторов [3, 8]. Признавая наличие повреждающего действия внешних факторов, сложной и до конца не выясненной генной сети Э, включающей, по некоторым данным, гены более 30 метаболических путей [9], последние пять лет все больше внимания обращают на проблемы эпигенетической регуляции генов-кандидатов, ассоциированных с этим заболеванием [6, 8]. Анализ взаимодействия генов и их продуктов (РНК, белков) на молекулярном уровне, в пределах генных сетей того или иного биологического процесса, в пределах клетки, на межклеточном, тканевом и органном уровнях и является основным подходом исследований в рамках системной генетики — нового биоинформационного направления современной науки [13]. В норме в организме функционирует сложная, четко сбалансированная система ген-генных и белок-белковых взаимодействий, которая управляется гормонами, генами-регуляторами, эпигенетическими изменениями ДНК, включающими метилирование ДНК, изменения гистоновых белков, структуру хроматина, спектры регуляторных микроРНК. Нарушения механизмов этой регуляции составляют основу патогенеза Э. В пользу регуляторной (эпигенетической) модели Э свидетельствует ряд важных обстоятельств: изменения экспрессионных профилей многих генов, вследствие нарушений метилирования ДНК и баланса регуляторных микроРНК (1), индукция Э у обезьян с помощью диоксина (2), выраженный лечебный эффект при Э ингибиторов деацетилазы гистонов, активирующих некоторые выключенные гены (3), активация в клетках эндометриом эстрогеновых рецепторов при одновременной репрессии вследствие метилирования гена прогестероновых рецепторов (4), развитие эндометриом из единичных клеток, в которых произошли митотически наследуемые эпигенетические изменения (5). В итоге разбалансировка всех звеньев эпигенетической регуляции в настоящее время все чаще рассматривается в качестве основной причины возникновения и развития Э [6]. Именно это обстоятельство дает основание утверждать, что Э — это, прежде всего, эпигенетическая болезнь (рис. 4). Наличие данных об основных генах-кандидатах Э, особенностях их регуляции и участии в различных метаболических путях клетки позволяет уже сегодня с позиции системной генетики рассмотреть наиболее вероятные молекулярные патогенетические механизмы этого заболевания. Вероятным, первичным толчком к началу патологического процесса, ведущим к Э, может быть локальное воспаление брюшины, связанное с попаданием инфекционных агентов из кишечника или с эндометриоидной тканью, попавшей в брюшную полость при менструации. Локальное воспаление приводит к активации гена TNFα, других цитокинов (IL-12, IL-4\b и их рецепторов), дезрегуляции генов рецептора прогестерона, стероидогенного белка острой фазы, ревертазы CYP2C19, супрессоров опухолевого роста CDKN2B и CDKN2 A, ранних эмбриональных генов HOXA, WNT4 GALT, тогда как гены эстрогенов и их рецепторы остаются гипометилированы и, соответственно, гиперактивны [8, 10]. Дезрегуляция процесса метилирования и нарушение функции многих генов, ассоциированных с Э, объясняется разбалансировкой регуляторной активности многих микроРНК [5, 7]. Предлагаемая общая схема — лишь один из многих возможных вариантов патогенеза Э, рассматриваемых с позиции системной генетики. В действительности патогенетические механизмы этого комплексного эпигенетического заболевания могут быть и другими, значительно более сложными. Для более углубленного объяснения патогенеза Э с позиции системной генетики обратимся к классическому положению генетики развития — «эпигенетическому ландшафту» — понятию, введенному в биологию основателем эпигенетики Конрадом Уоддингтоном [16]. Согласно определению К. Уоддингтона, «эпигенетический ландшафт» — ветвящиеся пути (каналы) возможных направлений, которые проходит клетка в процессе дифференцировки. Направления этих каналов, их конечная стадия и результат дифференцировки зависят от действия многих внешних и внутренних факторов, суживающих на каждой развилке эпигенетического ландшафта потенции клетки (рис. 5). Это положение имеет два важных следствия: Изменения эпигенетического ландшафта могут менять программу развитие клетки. Комбинации различных эпигенетических регуляторов могут приводить к однотипным изменениям нормальной программы дифференцировки, то есть к канализированности процесса развития, следствием которого, в конечном счете, может быть одно и то же заболевание. В случае Э это означает, что патологический процесс может быть индуцирован изменениями программы развития клеток эндометрия как за счет действия внешних факторов, так и вследствие нарушений гормонального или иммунного гомеостаза или активации «ранних» генов, контролирующих деление клеток и приводящих к их метаплазии. При этом конечный результат будет один и тот же — клетки эндометрия приобретают способность к инвазии брюшины, имплантации, индуцируют васкуляризацию и персистируют в виде эндометриоидных гетеротопий. Такой сценарии патогенеза Э представляется особенно реальным, если первичным пусковым механизмом Э является дедифференцировка клеток функционального эндометрия, попавших при менструации в брюшную полость. В этих клетках, как было ранее показано в знаменитых работах по клонированию животных (овечка Долли), отсутствие нормальной трофики («голодание» клеток) может индуцировать включение «ранних» генов [15]. В случае Э таковыми являются гены WNT4, HOXA, HOXB, GALT. Важно обратить внимание, что именно эти гены, равно как ген CDKN2BAS — циклин-зависимый киназный ингибитор генов-супрессоров опухолевого роста (СDKN-2B, CDKN-2B), как показали результаты полногеномного скрининга, обнаружили особенно тесную ассоциацию с Э [8]. При этом процесс метаплазии клеток функционального эндометрия в клетки доброкачественной опухоли эндометриомы также становится канализированным и на определенной стадии — необратимым (рис. 6). Исходя из вышеизложенного, наиболее вероятными представляются два пути патогенеза Э. Согласно первому — инфекционные агенты, эндо- и экзотоксины на фоне наследственно ослабленной системы детоксикации ксенобиотиков вызывают локальные изменения брюшины, которые индуцируют активацию генов воспаления. В места воспаления активно проникают перитонеальные макрофаги, вызывающие апоптоз и стимулирующие процесс метаплазии эктопических клеток эндометрия. Последние приобретают способность к адгезии, имплантации в брюшину и в результате активных процессов агиогенеза формируют эктопический очаг. Во втором варианте — основной упор делается на процессы метаплазии, то есть на перепрограммирование нормальных клеток функционального эндометрия в патологические опухолевые клетки эндометриом. Первичными провоцирующими факторами Э в этом случае являются: дефицит в организме естественных киллеров (1), транзиторное голодание клеток функционального эндометрия, попавших при менструации в брюшную полость (2), эпигенетические нарушения спектра микро-РНК (3). Цепь дальнейших рассуждений и предположений строится на основе уже установленных генов-кандидатов Э [8, 10, 14], участие которых в патологическом процессе при Э доказано различными генетическими и молекулярно-генетическими методами, включая семейный анализ сцепления и полногеномного скрининга ассоциаций [8]. Решающим фактором метаплазии, по всей видимости, является активация ранних генов WNT4, HOXA, HOXB, GALT, ответственных за возникновение и эмбриональное развитие органов женского репродуктивного тракта [10]. При этом клетки, прошедшие метаплазию, то есть с измененной наследственной программой, под влиянием продуктов генов INHBA, SERP4 активно пролиферируют, чему немало способствует происходящая одновременно супрессия генов опухолевого роста CDKN2B, CDKN2A (их супрессор ген CDKN2BAS найден в результате полногеномного скрининга), а также гена Р53. Активное развитие патологического процесса поддерживается усиленной экспрессией генов эстрогенновых и андрогеновых рецепторов, гена ароматазы CYP2C19 и простагландинами. При этом, по принципу обратной связи, заблокированными оказываются рецепторы прогестерона PR8 (PROGINS). Активация в этих клетках металлопротеаз MMP1, MMP9, а также гена NFE213 и генов межклеточного матрикса — кадхеринов способствует имплантации эндометриоидных клеток в брюшину, а повышенная активность гена сосудистого энэндотелиального фактора роста (VEGFA) — васкуляризации эндометриомы. Заключение Конечно, существование таких канализированных патогенетических путей развития эндометриоидных гетеротопий еще требует прямых доказательств. Однако клинические данные и результаты молекулярно-генетических исследований свидетельствуют о патогенетической гетерогенности Э [8, 9] Таким образом, генетические программы, корректируемые и направляемые эпигенетическими факторами, лежат в основе патогенеза Э. Следовательно, досимптоматическое выявление и коррекция функции мутантных (аллельных) вариантов генов-кандидатов может стать эффективным способом профилактики, диагностики и лечения Э. Следует, однако, напомнить, что даже при использовании полногеномного скрининга ассоциаций, нет гарантии, что идентифицированы все гены-кандидаты Э [8]. Возможно, что еще не обнаружены главные гены, мутации которых могут приводить к моногенным вариантам Э. Такие гены найдены при болезни Паркинсона, раке молочной железы, болезни Альцгеймера и других МФЗ [1]. Пока фрагментарно изучена эпигенетическая регуляции генов-кандидатов Э, их экспрессионные профили, паттерны метилирования, регуляторные микроРНК. Дальнейшие исследования с помощью полногеномного секвенирования и изучение функциональной активности генов-кандидатов в условиях стабильных эпигенетических нарушений, связанных с ошибками процесса метилирования и дезрегуляцией микроРНК представляют собой магистральный стратегический путь для расшифровки этиологии и патогенеза Э [8]. В этом плане особенно перспективно провести сопоставление аллельных вариантов генов-кандидатов и их продуктов на разных стадиях патологического процесса; уточнить схемы регуляции этих генов с помощью микроРНК; выяснить их экспрессию и профили метилирования; выявить наличие в периферической крови женщин микроРНК или других метаболитов, сигнализирующих о риске развития заболевания. Безусловно, заслуживает внимания разработка специальных статистических, биоинформационных методов анализа результатов комплексного генетического, иммунологического и эндокринологического обследования с целью разработки и совершенствования прогностических тестов на Э.

About the authors

Vladislav Sergeyevich Baranov

D. O. Ott Research Institute of Obstetrics and Gynecology, RAMS

Email: iagmail@ott.ru
Corresponding Member of RAMS, Chief Lab. for Prenatal Diagnosis of Inherited and Inborn Disorders

References

Supplementary files