Влияние генов FADS на содержание ПНЖК в крови - по руководству США
Состав ПНЖК фосфолипидов связан с несколькими распространенными заболеваниями, включая метаболический синдром, сердечно-сосудистые заболевания, психические расстройства и иммуноопосредованные заболевания. Уровни ПНЖК фосфолипидов определяются как усвоением питательных веществ, так и метаболизмом с участием десатуразы и элонгазы, катализирующих их конверсию.
Десатураза человека впервые была клонирована и описана в 1999 г., вследствие ее чрезвычайной пользы для ПНЖК, которые играют важную роль во многих биологических функциях, включая развитие головного мозга, воспаление и гемостаз (свертывании крови). Ген десатуразы жирных кислот 1 (FADS1) кодирует Д-5-десатуразу, тогда как ген десатуразы жирных кислот 2 (FADS2) кодирует Д-6-десатуразу. Гены FADS1 и FADS2 расположены на хромосоме 11q12.2 в конфигурации «голова к голове».
В наибольшей концентрации Δ-5-десатураза синтезируется в печени; в средней — в сердце, головном мозге и легких; в низкой, но определяемой концентрации — в плаценте, скелетных мышцах, почках и поджелудочной железе. Для сравнения: Δ-6-десатураза имела схожий профиль экспрессии в условиях большей общей концентрации.
Как показано на рис. 1, эти ферменты катализируют лимитированные по скорости этапы производства жирных кислот с длинной цепью, включая арахидоновую кислоту [20:4(n-6)] и эйкозапентаеновую кислоту [20:5 (n-3)], которые представляют собой прекурсоры эйкозаноидов, регулирующих воспалительные процессы.
Рисунок 1. Пути биосинтеза полиненасыщенных жирных кислот: изображены пути омега-3 (справа) и омега-6 (слева); выделена реакция, катализированная посредством генов FADS1 и FADS2. Полиненасыщенные жирные кислоты, полученные из источников питания, выделены жирным шрифтом
Хотя этот участок хромосомы связан со множественными распространенными заболеваниями, включая СД 1-го типа, остеоартрит, биполярные расстройства, а также астму, первое исследование, изучающее роль генетического разнообразия активности десатуразы и его влияния на состав жирных кислот, представляло собой исследование гена-кандидата, проведенное Шеффером и соавт..
Используя популяционные образцы из 727 произвольно выбранных участников преимущественно европеоидной расы, исследователи обнаружили варианты в пределах кластера генов FADS, тесно связанные с разновидностью n-6 и n-3 жирных кислот, то есть небольшие аллели были связаны с повышенными концентрациями линолевой кислоты, эйкозадиеновой кислоты, дигомо-γ-линолевой кислоты и α-линолевой кислоты, а также сниженными концентрациями γ-линолевой кислоты, арахидоновой кислоты, адреновой кислоты, эйкозапентаеновой кислоты и докозапентаеновой кислоты.
Полученные результаты были воспроизведены и использованы в исследовании Ржехака и соавт. с доказательством связи в мембранах эритроцитов. Расширение генетических исследований до общегеномных (например, GWAS) подобным образом обнаружило связь варианта в генах FADS1, rsl74548 с несколькими концентрациями глицерофосфолипидов в плазме, объясняющую более чем 10% разницу у некоторых видов (например, концентрации арахидоновой кислоты были значительно снижены у небольшого числа носителей аллеля).
Настоящее наблюдение в дальнейшем было подтверждено в более крупном исследовании, нацеленном на обнаружение генетических факторов, обусловливающих концентрацию ПНЖК в плазме, во время которого также была обнаружена значительная связь около гена FADS1 на аллели rsl74537 с арахидоновой кислотой, которая составила 18,6% аддитивной дисперсии в концентрациях арахидоновой кислоты. Варианты на этом участке строго коррелируют, что позволяет предположить возможную связь любого из этих вариантов с причиной.
Как в большинстве исследований GWAS, проведенных на сегодняшний день в отношении распространенных заболеваний, преимущественно использовались популяции европейского происхождения. Кроме того, меньшинство популяций, в частности население Африки и Америки, страдают от непропорционально более высокой распространенности заболеваний, включающих СД 2-го типа, гипертензию, инсульт, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые разновидности онкологических заболеваний.
Данное наблюдение поднимает вопрос, могут ли генетические варианты с переменной частотой оказывать воздействие на наблюдаемые различия в состоянии здоровья. Для решения этого вопроса, поскольку он связан с метаболизмом ПНЖК, исследовательские работы нацелены на оценку генетических вариантов и измерение уровней циркулирующих ПНЖК в выборках этнического меньшинства, а также сравнение с полученными результатами из исследований европейской популяции.
В числе исследований, нацеленных на различие воздействия генетического разнообразия на уровни ПНЖК, исследования, изучающие разницу между популяциями европейцев и афроамериканцев, обнаружили серьезные различия среди циркулирующих концентраций арахидоновой кислоты и встречаемости вариантов в кластерах гена FADS.
Среди афроамериканцев по сравнению с популяциями европейского происхождения наблюдались более высокие концентрации арахидоновой кислоты и соотношения арахидоновой кислоты с прекурсорами, включая дигомо-γ-линолевую кислоту и линолевую кислоту. Такие повышенные концентрации жирных кислот связаны с генетической изменчивостью в кластерах генов FADS. Главным образом у варианта rs174537, идентифицированного в рамках исследования GWAS как значительно ассоциированного с концентрациями арахидоновой кислоты, частота встречаемости аллелей составила 0,65-0,67 для американцев европейского происхождения. У носителей гомозиготного аллеля G были повышены уровни ПНЖК.
Напротив, тот же аллель был более значительно ассоциирован с повышенными ПНЖК у афроамериканцев, у которых частота встречаемости минорных аллелей находилась в диапазоне от 0,89 до 0,91. Последующее сравнение этих частот среди различных географических популяций подтвердило повышенную частоту встречаемости аллеля среди смешанных популяций африканского происхождения. Однако обнаружено, что аллель G был почти полностью закреплен (приблизительно 99%) среди представителей популяций с африканского континента (рис. 2).
Рисунок 2. Частота встречаемости аллеля rs174537 гена FADS1 среди представителей популяции проекта «1000 геномов»: популяции проекта «1000 геномов» (фаза III) включают африканцев, американцев, азиатов, европейцев и уроженцев Южной Азии. В каждом сегменте более темный цвет отображает частоту встречаемости аллеля Т; более светлый цвет — частоту встречаемости аллеля G
Для выявления причинного механизма, с помощью которого изменение в участке гена FADS1 приводит к повышению концентрации ПНЖК, исследователи оценили влияние статуса метилирования. Метилирование представляет собой эпигенетический механизм, посредством которого метильные группы добавляются к молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, с целью изменения ее активности без влияния на первичную последовательность.
Такие дополнения могут проявляться в пределах многих геномных контекстов (например, стартовые точки транскрипции, области гена, регуляторные элементы или повторные последовательности для подавления экспрессии гена). Согласно гипотезе, вариант rs174537 может выступать в качестве генетического проводника для метилирования дезоксирибонуклеиновой кислоты в пределах кластера гена FADS. Исследователи провели полногеномный анализ метилирования среди 144 образцов печени. Печень является основным органом, участвующим в синтезе ПНЖК.
Исследование аллель-специфического метилирования выявило существенные результаты CpG-островков в геномных участках генов FADS1 и FADS2, которые указывают на роль метилирования в транскрипционной активности этих генов, при этом основной эффект наблюдался в гене FADS1 и (в меньшем масштабе) в гене FADS2. Настоящие результаты были последовательно воспроизведены и экстраполированы посредством использования бисульфитного секвенирования для захвата дополнительных CpG-островков.
Таким образом, кодирование десатуразы генами FADS1 и FADS2 ограничивает частоту встречаемости в конверсии линолевой кислоты в арахидоновую и α-линолевую кислоту в эйкозапентаеновую соответственно. Генетическая изменчивость в пределах этого участка была связана с повышенными концентрациями арахидоновой кислоты, которые приводили к образованию воспалительных эйкозаноидов.
Следовательно, можно предположить, что носители аллеля G варианта rs174537, расположенного в проксимальном отделе гена FADS1 или строго коррелированном варианте на участке, приводят к повышению уровня транскрипции FADS1 или повышенной ферментной эффективности белка FADS1. Таким образом, в сочетании с серьезными изменениями в западной диете, то есть при повышенном потреблении линолевой кислоты, которая не может быть синтезирована de novo и считается «незаменимой», это может способствовать увеличению комплексных заболеваний, наблюдаемых в популяциях этнических меньшинств, особенно воспалительных заболеваний, вследствие повышенных концентраций арахидоновой кислоты.
а) Резюме. Генетические, экологические и бытовые факторы обусловливают восприимчивость к общим заболеваниям. Эти заболевания (СД, ожирение, сердечно-сосудистые и онкологические заболевания) имеют высокие показатели распространенности и являются бременем для системы общественного здравоохранения. Индивидуальный набор генов может определять рацион питания, метаболический ответ и восприимчивость к зависимым от диеты или связанным с ней расстройствами здоровья. Благодаря технологическому прогрессу генетическая основа общих заболеваний систематически оценивалась.
В отличие от менделевских болезней, в которых одиночный ген оказывает весомый эффект, варианты, определяемые посредством исследования GWAS, имеют небольшой или умеренный эффект, позволяя предположить, что была объяснена только малая часть генетического участия. Поскольку эта «утраченная наследуемость» частично обусловлена типами генетического разнообразия, в настоящее время не охватываемыми методами на основе массивов (например, редкие варианты, изменения числа копий, структурные изменения), положительное воздействие факторов окружающей среды и их взаимодействие с генетическими факторами еще предстоит рассмотреть и, возможно, получить представление о новейших механизмах заболевания.
С целью критической оценки роли генетических факторов и питания область пищевой геномики направлена на понимание компонентов как нутригенетических, так и нутригеномных факторов, а также их положительного влияния на здоровье человека. Поскольку они связаны между собой, нутригенетические факторы оценивают, как генетическая изменчивость влияет на взаимодействие алиментарных компонентов и потенциалов здоровья и заболевания индивида.
Нутригеномные факторы оценивают эффекты алиментарных компонентов на геном — генетический материал, протеом — общий набор синтезируемых белков, метаболом — биохимический характерный признак клетки. В 2008 г. было создано Международное общество по изучению нутригенетических и нутригеномных факторов, основной целью которого было повышение понимания посредством изучения роли генетической изменчивости и алиментарного ответа, а также роли питательных веществ в экспрессии генов.
Генетическая картина индивида способствует дифференциальному ответу на интервенционные стратегии. В ответ на алиментарные вмешательства изменчивость может влиять на абсорбцию, метаболизм и усвояемость. Серьезный прогресс произошел в понимании генетического состава генома человека в его полном объеме с проведением исследований, таких как Программа прецизионной медицины Национального института по изучению заболеваний сердца, легких и крови (TOPMed), когортные исследования заболевания сердца и исследования старения в консорциуме геномной эпидемиологии (CHARGE), а также Центры геномики общих заболеваний (CCDG), которые нацелены на геномное секвенирование. Таким образом, сравнительная оценка образа жизни и экологических факторов остается сложна для измерения.
В настоящее время проводят многочисленные исследования в области метаболомики для устранения этого дефицита. Метаболиты представляют собой небольшие молекулы, возникающие в результате множественных клеточных и биологических процессов, которые представляются функциональными промежуточными фенотипами, близкими к исходу интереса (рис. 3). Современные технологии в настоящее время позволяют проводить рутинные измерения метаболитов, характеризующих пути аминокислот, углеводов, витаминов, энергии, липидов, нуклеотидов, пептидов и ксенобиотического метаболизма, которые могут отклоняться в ответ на коррекцию рациона питания, представляя в качестве примера кластер гена FADS.
Рисунок 3. Омикс-технологии для изучения общих заболеваний
В будущем определение взаимодействия генетических и алиментарных факторов смогут объяснить патогенез новейших заболеваний и механизмы, сложно выявляемые в регламентированных условиях. В более широком смысле положительное влияние на общественное здоровье может оказать персонализированное питание, посредством которого подбирается диета, соответствующая генетическим характеристикам индивида, для устранения симптомов присутствующих заболеваний или с целью профилактики возможных заболеваний.
