Analysis of the involvement of susceptibility genes to to coronary heart disease in implementation signaling and metabolic pathways

全文:

Ишемическая болезнь сердца (ИБС) представляет собой серьезную проблему для современного здравоохранения. По оценке исследования GBD (глобального бремени болезней) на 2020 г. данной патологией страдают более 126 млн человек по всему миру, что составляет примерно 1.72% населения [1].

Данное заболевание является комплексным и проявляется как следствие влияния большого числа генетических факторов, факторов внешней среды и их сочетания. В свое время были идентифицированы факторы риска для ИБС, которые включают курение, пожилой возраст, мужской пол, сахарный диабет, гипертонию, ИБС или инфаркт миокарда в семейном анамнезе, ожирение, повышенный уровень общего холестерина и липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) в плазме крови, повышенный уровень триглицеридов и пониженный уровень липопротеидов высокой плотности (ЛПВП) в плазме крови [2–8].

Многочисленные исследования наследственных факторов ИБС выявили гены, ответственные за разнообразные функции [9], при этом значительный вклад в идентификацию данных факторов вносит полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) между фенотипическими характеристиками и генетическими маркерами. Вместе с тем комплексного анализа совокупного влияния генов предрасположенности к ИБС на механизмы заболевания, в том числе опосредованные через реализацию сигнальных и метаболических путей, на данный момент не проведено. Биоинформационные инструменты позволяют изучить вовлеченность исследуемых генов в механизмы молекулярных взаимодействий сигнальных и метаболических путей. Результаты таких исследований могут послужить отправной точкой для дальнейшего изучения выявленных молекулярных механизмов экспериментальными методами, а в последующем – поиска молекулярных терапевтических мишеней.

В связи с вышеизложенным цель настоящего исследования – биоинформационный анализ вовлеченности генов предрасположенности к ИБС в реализацию сигнальных и метаболических путей.

Материалы и методы

Используемые в настоящем исследовании гены предрасположенности к ИБС были получены из баз данных GWAS [10], DisGeNET [11] и GeneCards [12], которые содержат информацию о связях между однонуклеотидными полиморфизмами и заболеваниями.

Для проведения анализа обогащения путей использовался плагин ClueGO v2.5.9 Cytoscape v3.9.1 [13]. Каждый ген аннотировался путями из KEGG – базы данных Киотского университета [14] и REACTOME – открытой базы данных биологических путей [15] с применением гипергеометрического теста с p < 0.05 и значением каппа-статистики, К = 0.4 [16]. Дополнительно обогащенные пути объединялись в группы со сходным биологическим значением и составом генов предрасположенности.

Результаты

Список генов предрасположенности к ИБС, содержащий в себе 390 генов, был сформирован на основании баз данных GWAS, DisGeNET и GeneCards и представлен в табл. 1.

Таблица 1. Список генов предрасположенности к ИБС

Проведенный анализ обогащения путей выявил шесть групп путей AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications, cholesterol metabolism, non-integrin membrane-ECM interactions, RHOC GTPase cycle, synthesis of IP3 and IP4 in the cytosol, vascular smooth muscle contraction и 32 несгруппированных пути, которые содержат гены предрасположенности к ИБС (табл. 2).

Обсуждение

В настоящий момент накопленная информация об исследовании патогенеза ИБС свидетельствует, что в развитие данной патологии серьезный вклад вносят такие факторы как нарушения липидного обмена, атеросклероз, дисфункция эндотелия, наследственность [17]. Настоящее исследование выявило участие генов предрасположенности к ИБС в реализации механизмов воздействия перечисленных факторов.

Известно, что транспорт липопротеидов через барьер в субэндотелиальное пространство сосудов с накоплением там липопротеидов низкой плотности играет важную роль в патогенезе атеросклероза [18–21]. В настоящем исследовании выявлены группы генов, которые вовлечены в реализацию сигнальных путей Regulation of lipid metabolism by PPARalpha, Cholesterol metabolism, Linoleic acid (LA) metabolism. Кроме того, ряд генов предрасположенности к ИБС участвует в регуляции мембранного транспорта липидов, в частности клатрин-опосредованного эндоцитоза (clathrin-mediated endocytosis) липопротеинов низкой плотности, а также связан с транспортерами, обеспечивающими активный транспорт липидов (путь ABC transporters). Выявленный при анализе обогащения путь PPARA activates gene expression также связан с продукцией жирных кислот, липопротеинов низкой плотности, метаболизмом глюкозы.

Помимо изменений липидного обмена установлено, что уровень компонентов комплемента, его ингибитора (С1-ингибитор), а также фагоцитарной активности клеток свидетельствует о значительной активности данных систем у больных ИБС [22]. По полученным нами данным оказалось, что гены С2 и С5 ассоциированы с ИБС и вовлечены в сигнальный путь активации системы комплемента (activation of C3 and C5).

Показано, что под воздействием ряда факторов при развитии ИБС нарушается такая функция эндотелиальных клеток, как предотвращение активации процессов тромбообразования за счет ингибиторов тромбина и рецепторов для активации протеина С [23]. В норме эндотелий регулирует механизм свертывания крови через контроль экспрессии сайтов связывания для анти- и прокоагулянтных факторов на поверхности клетки [24]. В этот процесс вовлечены различные гены и сигнальные пути, в том числе системы, препятствующие наработке активных форм кислорода: Txnrd2, ATG7 [25-28]. Sirt1/FoxO1 pathway играет важную роль в регуляции клеточной аутофагии для энотелиоцитов, что уменьшает явления тромбоза [28]. Показано, что Card10 (caspase recruitment domain family member 10) является регулятором тромбин-индуцированной активации эндотелиоцитов и тромбоза, в то время как miR-181b ингибирует тромбин-индуцированную активацию сигналинга NF-kB связыванием Card10.

По полученным нами данным, гены предрасположенности к ИБС вовлечены в сигнальные пути, связанные с регуляцией тромбообразования (complement and coagulation cascades, platelet activation, platelet homeostasis, hemostasis). Также исследуемые гены вовлечены в реализацию пути nitric oxide stimulates guanylate cyclase, который влияет на способность тромбоцитов к усилению агрегации. Учитывая, что тромбоциты активируются гемом, и макрофаги переключаются на воспалительный тип [29, 30], важное значение имеет выявленное в ходе исследования участие генов предрасположенности к ИБС в реализации сигналинга гема (heme signaling), и процессе коагуляции (путь gamma-carboxylation, transport, and amino-terminal cleavage of proteins).

Другой важный аспект развития ИБС – изменение регуляции тонуса сосудов, связанное с такими факторами вазодилятации как NO, prostacyclin (PGI2) и endothelium-derived hyperpolarization factor (EDHF) [31], изменение концентрации кальция в цитоплазме эндотелия. Последнее, в свою очередь, модулируется несколькими сигнальными путями: активация эндотелиальных каналов TRPV4 включает расширение сосудов через увеличение концентрации Ca²⁺ и активацию рецепторов инозитол 1,4,5-трифосфата, которые освобождают Са²⁺ из эндоплазматического ретикулума [32]. Нами выявлена группа генов, участвующая в процессах сокращения гладкой мускулатуры (smooth muscle contraction, vascular smooth muscle contraction). Также обнаружены гены, участвующие в процессах синтеза инозитол-3-фосфата и инозитол-4-фосфата в цитозоле, что также способствует выходу кальция из эндоплазматического ретикулума (путь synthesis of IP3 and IP4 in the cytosol).

В части изменений сосудистой стенки при ИБС пристально изучается накопление иммунных клеток (как воспалительный ответ) в субэндотелиальном слое коронарных артерий [33–35]. Воспаление сосудистой стенки может индуцироваться такими факторами риска как артериальная гипертензия, гиперлипидемия, гипергликемия, активные формы кислорода. Цитокины TNF-α, IL-6, IL-8 и IL-18 усиливают воспалительный ответ, и, в результате связывания с соответствующими рецепторами и активации NF-kB индуцируют экспрессию молекул адгезии в клетках эндотелия и лейкоцитах (E-селектин и P-селектин, intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) и vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1)), что усугубляет эндотелиальную дисфункцию [36, 37].

Таблица 2. Группы выявленных путей, включающих гены предрасположенности к ИБС

Дисбаланс между выработкой активных форм кислорода и системами антиоксидантной защиты также является важной причиной эндотелиальной дисфункции, приводящей к повреждению сосудов [38]. Окислительный стресс приводит к изменению регуляции сигнальных и метаболических путей, ответственных за наработку цитокинов, клеточный цикл, реализацию апоптоза. Полученные нами результаты свидетельствуют об участии генов предрасположенности к ИБС в данных процессах – AGE-RAGE signaling pathway in diabetic complications, biosynthesis of protectins (регулирует синтез протектинов, обладающих мощным противовоспалительным действием).

Артериальная гипертензия как один из факторов описанных выше нарушений может возникать вследствие альдостерон-опосредованных изменений в системе адсорбции натрия и воды [39]. В настоящем исследовании выявлено, что гены предрасположенности к ИБС (в частности, гены ангиотензиногена и рецептора липопротеинов низкой плотности) вовлечены в сигнальный путь синтеза и секреции альдостерона (aldosterone synthesis and secretion), а также в метаболический путь peptide hormone metabolism. Ген цитохрома P450 1A2 (CYP1A2), в свою очередь, вовлечен в реализацию метаболических путей methylation и caffeine metabolism, поскольку является важнейшим ферментом детоксикации и ответствен за расщепление кофеина, повышающего артериальное давление [40].

По полученным нами данным, гены переносчиков органических катионов SLC22A2, SLC22A3 вовлечены в процессы organic cation transport. Установлено, что дефицит SLC22A3 при ИБС значительно снижает липополисахарид-индуцированную воспалительную реакцию моноцитов путем прерывания сигнальных каскадов NF-κB и MAPK гистаминзависимым образом [41].

Ген алкогольдегидрогеназы, являющийся геном предрасположенности к ИБС, по результатам исследования может оказывать влияние на сигналинг, связанный с клиренсом нейротрансмиттеров (neurotransmitter clearance) (в частности этанола) [42].

Помимо описанных выше факторов, также значительный вклад в развитие ИБС вносит нарушение функции полупроницаемого барьера эндотелия. Известно, что в норме гликокаликс благодаря отрицательному заряду, отталкивает тромбоциты, эритроциты и лейкоциты [43–46], а протеинсвязывающий комплекс поддерживает целостность эндотелия [47–51]. Гликокаликс включает в себя протеогликаны, гликозаминогликаны, гликопротеины. В состав последних входят три семейства молекул адгезии (селектинов, интегринов и суперсемейство иммуноглобулинов), экспрессия которых зависит от микроокружения. По результатам проведенного нами исследования, гены предрасположенности к ИБС участвуют в передаче сигнальной трансдукции Rap1 и Ras, влияющих на процессы и молекулы адгезии. Так, Ras signaling pathway регулирует процессы клеточной пролиферации, выживаемости, апоптоза и роста, миграции и движений цитоскелета, задействуя пути регуляции актина цитоскелета, PI3K-Akt сигнальный путь, MAPK сигнальный путь, сигналинг Ca2+, эндоцитоз. Rap1 signaling pathway (является частью предыдущего пути) контролирует процессы клеточной адгезии, образование межклеточных соединений и клеточную полярность. Rap1 играет доминирующую роль в контроле взаимодействий клетка–клетка и клетка–матрикс, регулируя функцию интегринов и других молекул адгезии в различных типах клеток [52].

Вышеуказанные пути являются частью сигнальной трансдукции signaling by receptor tyrosine kinases, имея общие гены предрасположенности к ИБС FGF5 (фактор роста фибробластов 5, влияет на митогенную активность и выживаемость клеток, вовлечен в процессы эмбрионального развития, клеточного роста, морфогенеза, восстановления тканей), FLT1 (рецептор сосудистого эндотелиального фактора роста 1 – участвует в стимулировании васкулогенеза и ангиогенеза), PGF (плацентарный фактор роста, вырабатывается эндтелиальными клетками), PLCG1 (фосфолипаза C, гамма 1 – участвует в росте, миграции, апоптозе и пролиферации клеток), RHOA (вовлечен в регуляцию цитоскелета, связанную с образованием стресс-волокон актина и сократительной способностью актомиозина). Последний ген, по результатам проведенного анализа обогащения путей, также вовлечен в реализацию сигнального пути SLIT2:ROBO1 increases RHOA activity, повышающего активность RHOA, и пути RHOC GTPase cycle.

Оказалось, что гены, ассоциированные с ИБС, вовлечены также в реализацию сигнального пути non-integrin membrane-ECM interactions, когда мембранные белки (не интегрины) взаимодействуют с белками внеклеточного матрикса. Они могут связываться с интегринами и рецепторами факторов роста, влияя на их функцию, либо непосредственно оказывать влияние на актиновый цитоскелет.

Установлено, что у пациентов с ИБС имеются признаки повреждения ДНК в мононуклеарных клетках периферической крови [53]. По результатам нашего исследования, гены предрасположенности к ИБС вовлечены в пути, регулирующие процессы репарации ДНК – cohesin loading onto chromatin, establishment of sister Cchromatid cohesion.

Эндотелиальные клетки являются основным элементом для воздействия сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF, vascular endothelial growth factor) [54]. VEGF вырабатывается для стимулирования роста сосудов (как в эмбриональном развитии, так и в уже существующей сосудистой системе). Нами обнаружено, что ген предрасположенности к ИБС белка VEGF влияет на реализацию данных процессов через участие в сигнальных путях neurophilin interactions with VEGF and VEGFR, VEGF binds to VEGFR leading to receptor dimerization, VEGF ligand-receptor interactions.

За регуляцию ангиогенеза ответственны и метаболический путь пост трансляционной модификации белков – O-linked glycosylation и его часть – метаболический путь O-glycosylation of TSR domain-containing proteins [55], которые, по полученным данным, включают продукты генов предрасположенности к ИБС и ответственны за регуляцию воспаления, ангиогенеза.

Таким образом, гены предрасположенности к ИБС совместно вовлечены в реализацию различных механизмов развития данного заболевания, включая нарушения липидного метаболизма, изменения активности элементов системы комплемента, функции эндотелия. Наследственные факторы могут оказывать влияние на процессы регуляции тромбообразования, тонус сосудов, баланс про- и антиокислительных факторов, проницаемость эндотелия, адсорбцию воды и натрия, а также процессы ангиогенеза. При этом исследуемые гены могут быть вовлечены в реализацию одного либо нескольких сигнальных/метаболических путей.

Выявление in silico генов, влияющих на процессы сигнальной трансдукции и метаболизма у больных ИБС, поможет сформировать новые знания о патогенезе данного заболевания. Последующие исследования, в том числе экспериментальные, будут использоваться для выявления новых молекулярных механизмов и в дальнейшем мишеней для фармокологической коррекции ИБС.

Финансовая поддержка при подготовке статьи не осуществлялась.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

N. Chasovskikh

编辑信件的主要联系方式.
Email: evgenika06@gmail.com
俄罗斯联邦, Tomsk, 634050

E. Shestakova

Email: evgenika06@gmail.com
俄罗斯联邦, Tomsk, 634050

参考

补充文件