Генетические аспекты предрасположенности к никотиновой

Более 20% населения Земли
страдают никотиновой зависимостью.
Многие видели лёгкие
курильщика:
Страдали от инфаркта:
Или инсульта:
Однако ежегодно в мире
выкуривается 5.6 триллиона сигарет,
что вызывает примерно 10 миллионов
случаев преждевременной смерти.
Ниже эта проблема будет рассмотрена
с точки зрения генетики.
Часть I
Генетика формирования
психической и физической
зависимостей от никотина
Роль полиморфизмов гена
допаминового рецептора
DRD2 в развитии
никотиновой зависимости
Формирование зависимости
Одной из мишеней никотина является
рецептор допамина DRD2, ответственный за
функционирование расположенного в
головном мозге центра вознаграждения. У
25% людей рецептор DRD2 малоактивен, что
обусловлено генетически и ведёт к низкой
активности центра вознаграждения головного
мозга. Такие люди нуждаются в
дополнительном употреблении
допаминостимуляторов, например никотина.
Рецептор допамина DRD2
Ген, кодирующий
рецептор допамина
DRD2,
располагается в
длинном плече 11й
хромосомы,
сегменты q22-23
(Blum et al., 1990)
Рецептор допамина DRD2
Состоит из семи
трансмембранных
доменов, связанных с
G-белками, отличается
коротким COOH-концом
и длинной
внутриклеточной петлёй
(29 аминокислот, I3 на
рисунке)
Рецептор допамина DRD2
Активация
допаминового
рецептора приводит
к деактивации
аденилатциклазы,
из-за чего
останавливается
синтез цАМФ.
Полиморфизмы DRD2
Полиморфизм TaqI 1A - замена Glu на
Lys в 713-м положении. Был
исследован у курящих людей,
страдающих алкоголизмом (N=100), у
курильщиков, не страдающих
алкоголизмом (N=120) и контрольной
группы некурящих (N=112).
Полиморфизм TaqI 1A
Полиморфизм TaqI 1A ассоциирован
со сниженной функцией допаминовых
рецепторов d2 (Thompson et al. 1997;
Noble et al. 1991)
Он встречается с частотой 27,5% среди
курящих людей и 17,4% среди
некурящих. (Maria Teresa M. V. Freire,
Francine Z. C.Marques, Mara H.Hutz,
Claiton H. D. Bau, 2006)
Полиморфизмы гена DBH и
их роль в формировании
никотиновой зависимости
Допамин бета-гидоксилаза
Это фермент, катализирующий
превращение никотина в норадреналин
в нейронах ЦНС.
Ген DBH картирован на длинном плече
9-й хромосомы (9q34 (Craig et al. 1988))
Допамин бета-гидоксилаза
Повышение активности этого фермента
приведёт к ускоренной трансформации
никотина в норадреналин- что, в свою
очередь, снизит концентрацию никотина
и заставит человека выкурить ещё одну
сигарету.
Полиморфизмы гена DBH
В настоящее время исследовано 2
полиморфизма гена DBH:
1) Замена G на A в 1386-м положении
(полиморфизм DBH-1368 G/A)
2) Замена С на Т в 1021-м положении
(полиморфизм DBH-1021 C/T)
Полиморфизмы DBH
Полиморфизм DBH-1021 С/Т был
исследован в той же выборке:
страдающие алкоголизмом курильщики
(N=100); курильщики, не страдающих
алкоголизмом (N=120) и контрольная
группа некурящих (N=112)
Полиморфизм DBH-1021 С/Т
Частота этого полиморфизма составила
29,5% среди курящих против 25% среди
некурящих людей.
Полиморфизмы DBH
Полиморфизм DBH-1368 G/A –
курящие люди, гомозиготные по G,
употребляют меньше сигарет, чем
гетерозиготы (GA) и гомозиготы (AA)
(McKinney et al. (2000))
Полимрофизмы гена
CYP2A6 и количество
выкуриваемых сигарет
CYP2A6
CYP2A6 =
Cytochrome P450
2A6 = Cytochrome
P450, family 2,
subfamily A,
polypeptide 6
CYP2A6 и метаболизм
никотина
CYP2A6 в печени
переводит от 70 до
80% никотина в
котинин, таким
образом
инактивируя его
(никотин).
CYP2A6 и метаболизм
никотина
Чем активнее функционирует CYP2A6,
тем быстрее снижается концентрация
никотина в крови, и тем раньше
возникает потребность её повысить до
привычного организму уровня.
Полиморфизмы CYP2A6
З варианта полиморфизма:
1) CYP2A6*1- дикий тип (Yamano et
al., 1990;Cholerton et al., 1992; Rautio et
al., 1992; Iscan et al., 1994)
2) CYP2A6*2 и CYP2A6*3 –
дефектные аллели; Yamano et al.,1990;
Fernandez-Salguero et al., 1995)
CYP2A6*2 и CYP2A6*3
CYP2A6*2 – аллель с нулевой
активностью, его продукт не имеет
родства к субстрату. (Yamano et al.,
1990; Fernandez-Salguero et al., 1995)
CYP2A6*3 – множественные мутации
также приводят к отсутствию родства к
субстрату. (Yamano et al., 1990;
Fernandez-Salguero et al., 1995)
CYP2A6*2 и CYP2A6*3
У людей с генотипами CYP2A6*2/*3 и
CYP2A6*3/*3 вообще отсутствует сypзависимый метаболизм.
У людей с генотипами CYP2A6*1/*2 и
CYP2A6*1/*3 метаболизм никотина
находится на уровне 50% от
метаболизма гомозигот CYP2A6*1/*1
(дикий тип).
Гетерозиготы (CYP2A6*1/*2 или
CYP2A6*1/*3) курят меньше, чем
гомозиготы по дикому типу
(CYP2A6*1/*1)- в среднем 129 сигарет
против 159 сигарет в неделю. (Pianezza
et al., 1998)
Часть II
Генетика защитных механизмов
организма от токсикантов,
содержащихся в табачном
дыму.
Табачный дым:
• В табачном дыму обнаружено более 4000 веществ. Многие из
них биологически активны, обладают антигенными,
цитотоксическими, мутагенными и канцерогенными свойствами.
Под действием высоких температур некоторые компоненты
табака подвергаются термическому разложению (пиролизу).
При этом образуются летучие соединения, которые
рассеиваются в дыму. Нестабильные молекулы при пиролизе
перестраиваются и образуют новые соединения.
• Механизмы действия табачного дыма сложны и разнообразны.
Основные известные канцерогены табачного дыма –
полициклические ароматические углеводы, ароматические
амины и нитрозамины. Их канцерогенность резко повышают
присутствующие в табачном дыму коканцерогены (к примеру,
пирокатехин). В табачном дыму также содержатся вещества,
которые сильно раздражают дыхательные пути и повреждают
мерцательный эпителий. Они усиливают образование слизи и
приводят к острому или стойкому снижению функции внешнего
дыхания и восходящего тока слизи.
Полиморфизм генов
GST в патогенезе
злокачественных
опухолей
Механизм действия GST:
• Глютатион-S-трансферазы- большая группа ферментов, которая
подразделяется на две основные группы: цитозольные ферменты и мембрансвязанные балки. В целом было идентифицировано 20 цитозольных и пять
мембран-ассоциированных ферментов человека. Цитозольные ферменты
далее подразделяются на классы: α, μ, ω, π, θ, ξ (описаны у млекопитающих),
π, τ, λ (экспрессируются у растений), Δ- у насекомых и β представлены у
бактерий.
• Люди подвергаются воздействию множества эпоксидных цитотоксинов,
мутагенов и канцерогенов, таких как ,бензопирен, стирен-7,8-оксид,
афлатоксин В1. Многофункциональное семейство глютатион-S-трансферазы
играет существенную роль как в метаболизме канцерогенов, липидов,
продуктов свободнорадикальных реакций. GST выполняет роль
детоксифицирующего агента, обеспечивая конъюгацию генотоксических
метаболитов с глютатионом, что вызывает их инактивацию.
• Полиморфизм в генах GSTT1 и GSTM1, характеризуется делецией по обеим
аллелям, которая приводит к полному отсутствию белкового продукта,
результатом чего является глубокое подавление функций фермента.
Частоты полиморфизмов генов
GST в различных популяциях:
• Различия в составе изоэнзимов приводят к
разной способности метаболизма
чужеродных веществ у разных людей, что
обусловливает неодинаковую степень
предрасположенности к заболеваниям,
развитие которых тесно связано с факторами
внешней среды. У человека существуют
множественные генетические локусы, один из
которых (GSTM1) является полиморфным.
Этнические сравнения показали, что частота
встречаемости 0/0 генотипа меньше у черных
(35%), чем у белых (49%) людей.
Частоты комбинаций генотипов генов
GSTT1 и GSTM1 у европеоидов,
проживающих на территории России (в %)
Полиморфизмы гена
TP53 в патогенезе
злокачественных
опухолей
Строение белка p53
•
•
•
•
•
•
Человеческий белок p53 состоит из
393 аминокислотных остатков и имеет
5 доменов:
N-концевой домен, активирующий
транскрипцию аминокислоты 1-42
Богатый пролином домен, важный для
апоптотической активности p53,
аминокислоты 80-94
ДНК-связывающий домен («цинковый
палец»), остатки 100-300
Домен, отвечающий за образование
полимера белка (олигомеризацию),
остатки 307-355. Тетрамеризация очень
важна для активности p53 in vivo
C-концевой домен, задействованный в
отсоединении ДНК-связывающего
домена от ДНК, аминокислоты 356-393.
Механизм действия TP53
Опухоль-супрессорный ген TP53 кодирует
рост-регуляторный белок p53, который
является мультифункциональным протеином,
играющим роль в модулировании генной
транскрипции, контролировании клеточного
цикла, ДНК репликации и репарации,
активации апоптоза и поддержании геномной
стабильности в ответ на генотоксические
воздействия, в частности, на табачный дым.
Потеря активности р53 в результате
мутации гена делает клетку
восприимчивой к онкогенным стимулам,
что является критическим фактором в
развитии большинства, если не всех,
раковых образований. Для гена р53
установлено 19 полиморфизмов, из
которых три считаются вовлеченными в
канцерогенез: в 3 интроне, 4 экзоне, 6
интроне.
72 кодон 4 экзона гена р53 может
быть представлен тремя генотипами
(Arg/Arg, Arg/Pro, Pro/Pro) в результате
однонуклеотидной замены гуанина (G)
на цитозин (C) (CGC – аргинин, ССС –
пролин).
• Полиморфизм в 72 кодоне 4 экзона
является наиболее функционально
значимым, так как затрагивает ДНКсвязывающий домен. Аргининовый и
пролиновый варианты обладают разной
способностью к взаимодействию и
активации транскрипции геновмишеней, что может иметь значение
при задержке клеточного деления.
Полиморфизм в 3 интроне обусловлен
дупликацией 16 пар нуклеотидов и
представлен тремя генотипами (w/w,
w/dup16, dup16/dup16). Установлено, что
онкоген MDM2 имеет несколько промоторов и
один из них находится в 3 интроне, т.е.
полиморфизм данного интрона может быть
причастен к нарушению процессов активации
транскрипции генов-мишеней, необходимых
для остановки клеточного цикла и запуска
апоптоза, так как MDM2 связывается с Nконцом молекулы р53 и стимулирует
убиквитинизацию и протеосомную
деградацию белка р53.
Barel et al. установили, что
полиморфизм 6го интрона может
изменять экспрессию белка р53. E.
Biros et al. показали значимое
повышение частоты гетерозигот по 6
интрону у больных раком легкого по
сравнению с контролем.
Ранняя диагностика:
1.
2.
3.
4.
Своевременная диагностика
полиморфизмов данных генов позволяет:
скорректировать образ жизни
избежать воздействий профессиональных
вредных факторов
предупредить развитие тяжелых
заболеваний
разработать комплекс профилактических
мероприятий