Репликативное исследование ассоциаций полиморфных локусов генов LOXL1 и CDKN2B-AS1 с развитием первичной открытоугольной глаукомы у мужчин Центрального Черноземья РФ
Aннотация
Актуальность: Изучение генетических основ первичной открытоугольной глаукомы (ПОУГ) является актуальной задачей в связи с тем, что глаукома является главной причиной слабовидения и слепоты среди лиц трудоспособного возраста. Проведенные в последнее десятилетие полногеномные исследования (GWAS) первичной открытоугольной глаукомы выявили более 150 генов-кандидатов, ассоциированных с развитием глаукомы. При этом большое значение имеют репликативные исследования GWAS-значимых локусов для ПОУГ в различных этнотерриториальных группах. Цель исследования:Провести репликативное исследование ассоциации GWAS-значимых полиморфных локусов генов LOXL1 и CDKN2B-AS1 с развитием первичной открытоугольной глаукомы у мужчин Центрального Черноземья РФ. Материалы и методы:Работавыполнена в дизайне «больные-контроль». В исследование включены 246 мужчин больные ПОУГ и 176 человек контрольной группы. Материалом для молекулярно-генетического исследования послужила ДНК, выделенная из венозной крови исследуемых индивидуумов стандартным методом фенольно-хлороформной экстракции. Для исследования были отобраны GWAS значимые для ПОУГ полиморфные локусы генов CDKN2B-AS1 (rs7865618, rs2157719, rs1063192, rs944800, rs4977756) и LOXL1 (rs893818, rs4886776). Генотипирование проведено с помощью полимеразной цепной реакции синтеза ДНК методом дискриминации аллелей. Результаты:Установлено, что полиморфные локусы rs893818 LOXL1 и rs4886776 LOXL1 ассоциированы с развитием первичной открытоугольной глаукомы у мужчин: факторами риска развития ПОУГ являются генотипы GG rs893818 LOXL1 (OR=1,62, p=0,025) и GG rs4886776 LOXL1 (OR=1,59, p=0,030). Аллели А этих полиморфных локусов имеют протективное значение при формировании заболевания (OR=0,59, p=0,003 для rs893818 и OR=0,63, p=0,009 для rs4886776). Заключение:Полиморфные локусы гена LOXL1 – rs893818 и rs4886776 ассоциированы с развитием первичной открытоугольной глаукомы у мужчин Центрального Черноземья РФ.
Введение. Первичная открытоугольная глаукома (ПОУГ) представляет собой хроническую невропатию зрительного нерва с необратимой потерей поля зрения и прогрессирующим повреждением зрительного нерва. Глаукома является одной из основных причин слепоты в офтальмологии [1, 2]. В 2015 году ПОУГ затронула 57,5 миллионов человек во всем мире и 7,8 миллионов человек в Европе. Общая распространенность ПОУГ в Европе составляет 2%,в мире – 2,2% [3]. В России страдает глаукомой более 1 миллиона человек. Среди клинических форм болезни наибольшее значение имеет первичная открытоугольная глаукома, которая составляет 70% в структуре всех глаукомных поражений глаз [3].
Первичная открытоугольная глаукома может возникнуть, как у мужчин, так и у женщин [1, 4, 5]. Большинство авторов отмечают больший риск заболеваемости открытоугольной глаукомой у мужчин, чем у женщин. Закрытоугольной глаукомой, чаще заболевают женщины, из-за особенности нарушение оттока жидкости, чаще двустороннее поражение глаз, и чаще бессимптомно, данная патология у мужчин встречается редко. Вероятность заболевания ПОУГ увеличивается у мужского населения с возрастом, и особенно в районах, с активно развивающей промышленностью [2]. Причинами является занятость мужчин в тяжелых производствах, раннее старение организма, большая степень подверженности к стрессу, травмы орбиты, вредные привычки (курение и др.). По данным некоторых авторов также у мужчин чаще, отмечается развитие хронических заболеваний (гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца и атеросклеротическая болезнь) которые являются факторами риска глаукомы [2, 4, 5].
Генетические основы ПОУГ на основе полногеномного поиска ассоциаций, активно изучаются различными научными коллективами. За период с 2007 года по настоящее время выполнено 20 полногеномных исследований ПОУГ, в результате которых установлено более 150 GWAS - значимых полиморфных локусов, ассоциированных с риском развития первичной открытоугольной глаукомы [6-10]. Наибольшее количество полногеномных исследований ПОУГ проведено на жителях Японии. Результаты проведенных GWAS-исследований свидетельствуют о наиболее важной роли в развитии ПОУГ полиморфизма генов CDKN2-AS1, SALRNA1, CAV1/CAV2, TMCO1, COL11A1, PDE7B, PCMTD1, LOC10537677 / LMX1B, PLEKNA7, GAS7 [10, 11]. Полиморфные локусы этих генов показали значимые ассоциации с развитием ПОУГ на полногеномном уровне в 2-х и более исследованиях. Наибольшее количество GWAS-значимых ассоциаций с формированием ПОУГ продемонстрировали полиморфные локусы rs4977756 гена CDKN2-AS1 и rs10483727 гена SALRNA1 (каждый в 5 GWAS исследованиях) [6-10]. Следует отметить разнонаправленный характер ассоциаций полиморфных локусов ряда генов (например, LOXL1,SALRNA1 и др.) с развитием ПОУГ в популяциях различного этнического состава. Так, если в японской популяции полиморфизм гена LOXL1 (rs4886776 и др.) повышает риск развития ПОУГ, то в европеоидных популяциях он имеет протективное значение для формирования ПОУГ [12]. Аналогично, полиморфизм rs10483727 гена SALRNA1 является фактором риска развития ПОУГ в японской, американской, австралийско-новозеландской популяции и служит протективным фактором формирования заболевания среди европейского населения [10]. Так же обращает на себя внимание факт того, что среди более 150 GWAS-значимых полиморфных локусов для ПОУГ лишь небольшая часть из них реплицирована в других популяциях на полногеномном уровне. В Российской Федерации генетические исследования глаукомы немногочисленны [13, 14, 15], а GWAS-значимые полиморфизмы ПОУГ до настоящего времени не реплицированы.
Цель исследования. Провести репликативное исследование ассоциации GWAS-значимых полиморфных локусов генов LOXL1 и GDKN2B-AS1 с развитием первичной открытоугольной глаукомы у мужчин Центрального Черноземья РФ.
Материалы и методы исследования. Объектом исследования послужила выборка из 246 мужчин больных ПОУГ и 176 мужчин контрольной группы. Сроки наблюдения составили от 6 до 12 месяцев. Обследование проводилось в офтальмологическом отделении ОГБУЗ Белгородская областная клиническая больница Святителя Иоасафа. Выборка формировалась в соответствии с критериями включения и исключения. Исследуемые группы были сформированы из индивидуумов русской национальности, являющихся уроженцами Центрального Черноземья РФ и не имеющих родства между собой. Критерием исключения из группы больных было родство с лицами, включенными в исследование, отказ от исследования. В группу больных включались пациенты с ранее установленным или впервые выявленным диагнозом ПОУГ, подтвержденного клиническими, инструментальными и лабораторными методами обследования. Диагноз глаукома устанавливался по основным диагностическим критериям: повышенное ВГД, наличие глаукоматозной экскавации ДЗН, характерные изменения поля зрения (ППЗ) [16]. Обследование проводили в отделении микрохирургии глаза ОГБУЗ Белгородской областной клинической больницы Святителя Иоасафа. Группа контроля была сформирована из индивидуумов проходивших профилактические осмотры в поликлинике областной клинической больницы Святителя Иоасафа г. Белгорода. Индивидуумы контрольной группы не имели острых и хронических заболеваний глаз, у них отсутствовали признаки глаукомы, а также не было тяжелой соматической патологии, в том числе приводящей к поражению глаз. Все пациенты включались в исследование после подписания информированного согласия на использование полученных данных для научно-исследовательских целей. Протокол исследования одобрен этическим комитетом медицинского факультета Белгородского государственного национального исследовательского университета.
Материалом для исследования послужила венозная кровь, взятая из локтевой вены пробанда в объеме 5мл. Геномную ДНК из периферической крови выделяли фенольно-хлороформным методом [17]. Для молекулярно-генетического исследования были отобраны полиморфные локусы, показавшие свою ассоциацию с ПОУГ в раннее проведенных полногеномных исследованиях [7, 18]. В исследование были включены семь полиморфных локусов генов LOXL1 (rs4886776, rs893818), и GDKN2B-AS1(rs7865618, rs2157719, rs1063192, rs944800, rs4977756)
Генотипирование полиморфных локусов проводили методом полимеразной цепной реации (ПЦР) синтеза ДНК на амплификаторе CFX96 Real-Time System (Bio-Rad) методом Tag-Man зондов с использованием наборов для амплификации ДНК с соответствующими олигонуклеотидными праймерами и зондами, синтезированными ООО «Тест-Ген» (Ульяновск). Анализ ассоциации проводился с помощью таблиц сопряженности, силу ассоциации оценивали показателем отношении шансов (OR) с 95% доверительным интервалом (95%CI) [19].
Функциональное значение полиморфных локусов, ассоциированных с ПОУГ, изучалось с использованием программы HaploReg (v4.1) (http://archive.broadinstitute.org/mammals/haploreg/haploreg.php) по методике указанной в работе [20]. Связь ПОУГ-ассоциированных полиморфных локусов с экспрессией генов (cis-eQTL) изучалась на основе материалов проекта Genotype-Tissue Expression (GTEx) (http://www.gtexportal.org/) (p<8*10-5, pFDR≤0,05). Анализ ассоциаций аллельных вариантов рассматриваемых полиморфных локусов с уровнем транскрипции генов проводилось по методике, представленной в работе [20]
Результаты и их обсуждение. Распределение генотипов по исследуемым полиморфным локусам гена LOXL1 - rs4886776, rs893818, и гена GDKN2B-AS1- rs7865618, rs2157719, rs1063192, rs944800, rs4977756 среди мужчин больных первичной открытоугольной глаукомой и в контрольной группе соответствует теоретически ожидаемому при равновесии Харди-Вайнберга (p>0,05). Результаты сравнительного изучения частот аллелей и генотипов полиморфных локусов гена LOXL1 и GDKN2B-AS1у больных и в контроле приведены в таблице 1.
Установлено, что среди больных ПОУГ частота генотипа GG полиморфизма rs893818 достоверно выше (в 1,2 раза) по сравнению с контрольной группой (p=0,025) таким образом, генотип GG rs893818 является фактором риска развития заболевания (OR=1,62). Наряду с этим, генотип АА rs893818 и аллель А rs893818 имеют протективное значение в развитии заболевания (OR=0,29 и OR=0,59 соответственно).
Выявлено, что среди больных ПОУГ частота генотипа GG полиморфизма rs4886776 достоверно выше (в 1,19 раза) по сравнению с контрольной группой (p=0,03). Генотип GG rs4886776 гена LOXL1 является фактором риска развития заболевания (OR=1,59), а аллель A rs4886776 (OR=0,63) оказывает протективное влияние на формирование первичной открытоугольной глаукомы.
При изучении функциональной роли GWAS-значимых полиморфных локусов ПОУГ, ассоциированных с развитием заболевания у мужчин Центрального Черноземья РФ, проведенного с использованием программы HaploReg (v4.1) установлено, что полиморфизм rs893818 гена LOXL1, расположенный в интроне этого гена, находится в эволюционно консервативном регионе ДНК (по данным GERP cons и Siphy cons), локализован в регионе модифицированных гистонов маркирующих энхансеры (H3K4me1, H3K9ac) в более чем 40 тканях, органах и культурах клеток (в том числе H1 и H9 Derived Neuronal Progenitor Cultured Cells, H9.
Derived Neuron Cultured Cells, hESC Derived CD56+ Mesoderm Cultured Cells, hESC Derived CD56+ Ectoderm Cultured Cells, hESC Derived CD184+ Endoderm Cultured Cells, Brain Anterior Caudate, Brain Substantia Nigra и др.), расположен в области гиперчувствительности к ДНКазе1. Полиморфизм rs4886776, который ассоциирован с развитием ПОУГ у мужчин, находится на расстоянии 4,2 kb от полиморфного локуса rs893818 в интроне гена LOXL1, сильно сцеплен с ним (r2=0,99, D´=0,99) и также имеет значимый регуляторный потенциал. Он расположен в регионе гиперчувствительности к ДНКазе1, находится в области модифицированных гистонов, маркирующих промоторы (H3K4me3, H3K27ac) и энхансеры (H3K4me1, H3K9ac) в более чем 20 различных тканях, органах и культурах клеток (H1 и H9 Derived Neuronal Progenitor Cultured Cells, hESC Derived CD56+ Mesoderm Cultured Cells, H1 Derived Mesenchymal Stem Cells и др.). Также полиморфизм rs4886776 локализован в регионе регуляторных мотивов ДНК, определяющих взаимодействие с факторами транскрипции GR и Hand1. При это, аллель А, имеющий протективное значение для формирования ПОУГ в исследуемой нами выборке мужчин, повышает афинность к обоим рассматриваемым факторам транкрипции (различия между LOD коэффициентами альтернативного и референсного аллелей для фактора транскрипции GR составляют 1,6, а для фактора транскрипции Hand1 - 11,9).
Согласно материалов, полученных в проекте Genotype-Tissue Expression (GTEx) (http://www.gtexportal.org/), полиморфные локусы rs893818 и rs4886776 гена LOXL1 имеют важное eQTL значение – они ассоциированы с уровнем экспрессии генов LOXL1, LOXL1-AS1, RP11-24D15.1 в различных органах и тканях организма. На рисунке представлены данные о связи полиморфных локусов rs893818 и rs4886776 гена LOXL1 с транскрипционной активностью гена LOXL1-AS1 в крови. Обращает на себя внимание факт того, что генотипы GG по этим полиморфизмам, являющиеся согласно нашим данным факторами риска развития ПОУГ у мужчин (OR=1,59-1,62), связаны с низкой экспрессией гена LOXL1-AS1 в крови (рисунок 1), тогда как аллели А полиморфизма rs893818 и rs4886776 гена LOXL1 (по нашим данным ассоциированы с низким риском развития ПОУГ у мужчин OR=0,59-0,63) определяют повышенную экспрессию гена LOXL1-AS1 в крови: β=0,21, р=5,6*10-7, pFDR≤0,05 для полиморфизма rs893818 и β=0,21, р=7,4*10-7, pFDR≤0,05 для полиморфизма rs4886776.
Таким образом, согласно нашим данным, полиморфные локусы rs893818 и rs4886776 гена LOXL1, ассоциированные с развитием ПОУГ у мужчин Центрального Черноземья РФ, имеют важное функциональное значение в организме. Полиморфизм rs893818 – находится в эволюционно консервативном регионе ДНК, локализован в регионе модифицированных гистонов, маркирующих энхансеры, в более чем 40 тканях, органах и культурах клеток, связан с экспрессией генов LOXL1, LOXL1-AS1, RP11-24D15.1, а полиморфизм rs4886776 расположен в регионе гиперчувствительности к ДНКазе-1, находится в области модифицированных гистонов, маркирующих промоторы и энхансеры в более чем 20 различных тканях, органах и культурах клеток, локализован в регионе регуляторных мотивов ДНК в двум факторам транскрипции (GR и Hand1). При этом, следует отметить, что генетические варианты этих полиморфных локусов (аллели А), определяющие пониженный риск развития ПОУГ у мужчин (OR=0,59-0,63), связаны с высокой экспрессией гена LOXL1-AS1 в крови и повышают афинность ДНК к факторам транскрипции GR и Hand1 (аллель А rs4886776).
Согласно данным литературы ген LOXL1 (лизолоксидаза пободная 1) кодирует белковый продукт, который необходим для образования и метаболизма эластических волокон и основных компонентов фибриллярных агрегатов. Он является ключевым в метаболизме внеклеточного матрикса и имеет важное значение на начальных стадиях аномального фиброгенеза в тканях. Повышение экспрессии гена LOXL1 и соответственно увеличение продукции компонентов эластических волокон способствует образованию аномально сшитых агрегатов в путях оттока внутриглазной жидкости, что приводит к нарушению оттока жидкости из глаза и повышению внутриглазного давлению [21].
Ассоциации полиморфизма гена LOXL1 с первичной открытоугольной глаукомой были обнаружены в 2007 году Thorleifsson G. et al., при этом с заболеванием был связан полиморфный локус rs3825942 (для аллеля G OR=20,1; 95%CI 10,8-37,41,P=3*10-21) [12].
Связь исследуемого нами полиморфизма rs893818 гена LOXL1 с ПОУГ на полногеномном уровне впервые была установлена Nakato M. et al. в 2014 году на выборке из азиатской популяции (изучалось население Японии) [22]. Выборка включала 201 пациента с ПОУГ и 697 человек контрольной группы. Фактором риска развития ПОУГ у жителей Японии являлся аллель А rs893818 (OR=20,94, p= 3*10-84), тогда как согласно наших данных для населения России (европеоидная популяция) фактором риска развития ПОУГ служит генотип GG rs893818 LOXL1 (OR=1,62), а аллель А этого полиморфизма имеет протективное значение при формировании заболевания (OR=0,59). Вовлеченность другого изученного нами полиморфизма гена LOXL1 (rs4886776) в формирование ПОУГ впервые была показана в работе Aung T. et al. (2015) [23]. При этом следует отметить, что в данной работе был выявлен разнонаправленный характер ассоциации полиморфизма rs4886776 гена LOXL1 с развитием ПОУГ в изученных популяциях разного этнического состава: аллель А полиморфизма rs4886776 гена LOXL1 повышает риск развития заболевания в японской популяции (OR=9,87; 95%CI 7,1-15,3, P=2,35*10-217) и является протективным фактором для ПОУГ в других популяциях (в том числе и европеоидных) (OR=0,49, P=2,35*10-317). Эти данные полностью согласуются с полученными нами результатами – в изученной нами популяции России (европеоидная популяция) фактором риска развития ПОУГ у мужчин является генотип GG rs4886776 гена LOXL1 (OR=1,59), а аллель А данного полиморфизма снижает риск формирования заболевания (OR=0,63).
Заключение. В результате проведенного исследования установлена вовлеченность GWAS-значимых полиморфных локусов гена LOXL1 (rs4886776, rs893818) в формирование первичной открытоугольной глаукомы у мужчин Центрального Черноземья РФ. Генетическими факторами риска развития ПОУГ у мужчин являются генотипы GG rs893818 LOXL1 (OR=1,62) и GG rs4886776 LOXL1 (OR=1,59), а аллели А этих полиморфных локусов имеют протективное значение при формировании заболевания (OR=0,59 для rs893818 и OR=0,63 для rs4886776).
Список литературы