|
|
Скачать 263.2 Kb.
|
|
На правах рукописи Брускин Сергей Александрович ПоисК, идентификация и изучение экспрессии генов-кандидатов псориатического процесса 03.00.03 – молекулярная биология АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК Москва – 2008 Работа выполнена в лаборатории функциональной геномики Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН
^ Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Защита состоится « » __________2008 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 217.013.01 при ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов» по адресу: 117545, г. Москва, 1-й Дорожный проезд, д. 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов». Автореферат разослан «___» ___________ 2008 г. Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Заиграева ^ � Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Псориаз – заболевание кожи, является сложной генетически обусловленной патологией, в проявлении которой задействованы большие группы (сети) взаимодействующих генов/белков. При этой патологии запуск патологического процесса происходит внешними триггерами окружающей среды (психо - эмоциональные стрессы, инфекции и пр.). Патология на данный момент неизлечима, а лечение направлено на увеличение периодов ремиссии и на снижение тяжести болезни. В среднем псориазом страдает 3% населения мира, причем имеется четкая регионально-этническая дифференциация распространенности заболевания. Псориаз редко приводит к летальному исходу, однако существенно влияет на качество жизни пациентов и часто приводит к инвалидности. В последнее время псориазом болеет все больше молодежи, что впоследствии скажется на потере трудоспособности части взрослого населения, поэтому необходимо уже сейчас начинать разработку эффективных терапий и ранней диагностики псориаза. Развитие любого многофакторного заболевания обусловлено двумя основными детерминантами - генетической предрасположенностью и запускающими заболевание триггерами. Локусы, связанные с псориазом, локализованы, по крайней мере, на 8 различных хромосомах и обозначаются как PSORS (Psoriasis Susceptibility) PSORS1 – PSORS9. В патогенезе многофакторных заболеваний важным является вопрос, касающийся роли триггеров внешней среды. Некоторые из данных триггеров (например, инфекции) могут приводить к различному уровню экспрессии цитокинов у различных индивидуумов. Другие могут влиять на эпигенетические модификации (например, возможно опосредованные RUNX). Псориаз может быть спровоцирован стимулами внешней среды, такими как инфицирование стрептококком, повреждение (феномен Кебнера), стресс (нейропептиды), курение и алкоголь. Характер питания и лекарственные препараты также могут провоцировать многофакторные заболевания. Среди токсинов N-нитросоединения являются основными кандидатами на роль триггеров многофакторных заболеваний. Поэтому является важным изучение полиморфизма генов системы биотрансформации ксенобиотиков. Так как псориаз обусловлен разрегулированной работой генетического аппарата, то эффективным методом в разработке подходов для диагностики, лечения и создания лекарственных препаратов является поиск критических звеньев патологического процесса, а именно, генов-кандидатов и соответствующих белковых продуктов. Если генетические исследования многофакторных заболеваний продвинулись в достаточной степени как в России, так и за рубежом, то применение постгеномных технологий с целью выявления биомаркеров и исследования патогенеза данной патологии остаются задачей ближайшего будущего. К настоящему моменту, по существу, не опубликовано работ по комплексному использованию транскриптомики и протеомики для изучения псориаза. Благодаря стремительному развитию геномных и постгеномных технологий, пользуясь литературными источниками и базами данных, можно выделить известные ассоциированные с данными патологиями гены, на основании компьютерных исследований составить карты и сети, содержащие гены-кандидаты, и выделить подпроцессы, которые могут являться критическими в развитии патологий. Далее необходимо полученные результаты экспериментально проверить с помощью стандартных молекулярно-биологических методов. ^ Основной целью исследования являлось проведение поиска, выявления и изучения экспрессии генов-кандидатов псориатического процесса. В рамках работы были поставлены следующие задачи:
^ Впервые на основе анализа информационного материала при помощи программы «MetaCore®» компании GENEGO Inc. (США) определены гены-маркеры патологического процесса при псориазе, белки которых могут рассматриваться как потенциальные мишени для подбора индивидуализированной лекарственной терапии. Впервые изучена возможная ассоциация полиморфизма гена системы биотрансформации ксенобиотиков (NAT2) и псориаза. Впервые методом двумерного электрофореза проведено сравнение белковых профилей в пораженной и непораженной псориазом коже. ^ Данные, полученные при анализе экспрессии генов-кандидатов патогенеза при псориазе, могут способствовать разработке новых диагностикумов и идентификации новых мишеней лекарственных препаратов для лечения данного заболевания. ^ Основные положения и результаты работы были представлены на научно-практических конференциях «Молекулярная генетика, геномика и биотехнология» (Минск, 2004); «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Гурзуф, 2005); «Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); на 4-ом съезде Европейской ассоциации дерматовенерологов в 2006г. в Финляндии; на межлабораторном семинаре Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (Москва, 2007); на межлабораторном семинаре Государственного научно-исследовательского института генетики и селекции промышленных микроорганизмов (Москва, 2007); ^ Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов и обсуждения, заключения, а также выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на _153 страницах машинописного текста, включая _16_ таблиц, _41_ рисунок и __3_ фотографии. Список цитируемых литературных источников включает _137 наименований. ^ Глава 1. Псориаз: характеристика заболевания и генетика патологии В данной главе приведена клиническая характеристика заболевания и эпидемиология псориаза, обсуждается характер наследования заболевания. Особое внимание уделяется вопросу о роли триггеров внешней среды в патогенезе данного заболевания. В главе рассматриваются локусы, связанные с псориазом, локализованные, по крайней мере, на восьми хромосомах человека. Глава завершается обсуждением рабочей модели иммунопатогенеза псориаза. Особое внимание уделено процессам, происходящим в коже человека при развитии псориаза - в бессимптомной коже (предпсориатическая или визуально непораженная кожа больного), в которой уже возник ряд молекулярных изменений, и при появлении хронических поражений (псориатических бляшек). ^ В главе обсуждается фенотип ацетилирования у человека и полиморфизм гена NAT2. Приведен список аллелей NAT2 у человека. Обсуждается ассоциация фенотипа ацетилирования с рядом многофакторных заболеваний, в числе которых ряд онкологических заболеваний, астма, диабет 1 типа, системная красная волчанка. ^ В главе обсуждаются компоненты транскрипционного фактора AP-1, участие их в ответе клеток на действие ряда сигнальных молекул, их участие в процессах развития кожи, а также механизмы регуляции экспрессии генов, кодирующих компоненты транскрипционного фактора AP-1. ^ В главе приведен перечень бактериальных штаммов и сред для выращивания E.coli, составы использованных буферов. Приведены методы выделения ДНК и РНК, определения фенотипа ацетилирования, генотипа ацетилирования на микрочипах, мультиплексной полимеразной цепной реакции, обратной транскрипции, полуколичественной полимеразной цепной реакции и полимеразной цепной реакции в реальном времени. Приведены методы определения активности каспазы–3 в образцах кожи колориметрическим методом, определения содержания белка р53 в образцах кожи методом Вестерн-блот гибридизации. Приведен метод двумерного электрофореза. Статистическая обработка данных проводилась с использованием программы STATISTICA 6.0. Глава 5. Результаты и обсуждение ^ Для того чтобы провести сравнительный анализ результатов по полиморфизму N-ацетилирования, получаемых с использованием метода определения ацетилирующей способности индивидуума (фенотип ацетилирования) и метода аллель-специфичной гибридизации на микрочипе (генотип ацетилирования), были проведены следующие исследования. Фенотип ацетилирования был определен в группе волонтеров методом тестирования скорости ацетилирования сульфадимезина. Генотип NAT2 в популяционной выборке волонтеров определяли методом гибридизации ДНК на биочипе и на основании полученных результатов рассчитывали предполагаемые фенотипы ацетилирования. Как видно из представленных данных, частота медленных ацетиляторов в популяционной выборке составляет 45% (рисунок 1) и достоверно не отличается (p>0.01) от результатов, полученных при определении фенотипа ацетилирования методом тестирования скорости ацетилирования (47%). ![]() Рисунок 1. Частота фенотипов быстрых и медленных ацетиляторов по локусу NAT2 в московской выборке волонтеров, рассчитаная согласно данным фенотипирования и генотипирования Сравнительные характеристики и предполагаемые области применения двух подходов (количественное определение скорости ацетилирования и качественное определение генотипа ацетилирования) для определения статуса ацетилирования у индивидуумов представлены в таблице 1. ^
На основании полученных данных и сравнительного анализа можно сделать следующие заключения. Метод определения ацетилирующей способности индивидуума для выявления фенотипа ацетилирования за одно измерение позволяет суммировать все известные полиморфизмы и количественно определить уровень ацетилирования у индивидуума. На основании этого можно предложить этот метод для количественной оценки скорости ацетилирования у индивидуума и более точного предсказания риска токсичности или, наоборот, положительного эффекта от применения лекарственных препаратов. Метод гибридизации ДНК на олигонуклеотидной матрице (биочипе) позволяет достаточно точно определить генотипы и аллели, а также распределение частот аллелей и генотипов в популяционных выборках индивидуумов. На основании этого можно предположить, что созданный гелевый микрочип даст возможность проводить популяционные исследования по генетическому полиморфизму ацетилирования индивидуумов без фенотипирования, в том числе и с целью установления корреляции между генотипом ацетилирования и предрасположенностью данного индивидуума к заболеваниям. ^ На основании литературных данных, свидетельствующих о том, что полиморфизм гена NAT2 строго ассоциируется с рядом онкологических заболеваний, а также в связи с имеющимися литературными данными о взаимосвязи фенотипа ацетилирования с другим системным воспалительным аутоиммунным барьерным заболеванием – системной красной волчанкой (SLE), нами было высказано предположение о возможной взаимосвязи фенотипа ацетилирования и псориаза. Основываясь на результатах по взаимосвязи между фенотипом и генотипом ацетилирования и на возможности использования биологических микрочипов для определения генотипа NAT2, нами было проведено исследование группы больных псориазом (180 человек) и здоровых волонтеров (99 человек). В таблице 2 показано распределение частоты встречаемости шести однонуклеотидных замен в позициях 282, 341, 481, 590, 803 и 857 гена NAT2 у больных псориазом и здоровых индивидуумов. Это основные, наиболее часто встречающиеся замены в московской выборке, вносящие вклад в изменение фенотипа ацетилирования. Частота встречаемости ни одной из замен достоверно не различаются (p>0.01) в выборке здоровых волонтеров и больных псориазом. Это указывает на отсутствие роли ряда ксенобиотиков, а также продуктов их биотрансформации за счет ацетилирования N-ацетилтрансферазой, в запуске или развитии патогенеза псориаза. Также не выявлено достоверного отличия (p>0.01) между скоростью ацетилирования у больных псориазом и здоровых индивидуумов. Таблица 2. Сравнение распределения частот встречаемости однонуклеотидных замен в позициях 282, 341, 481, 590, 803 и 857 гена NAT2 у больных псориазом (слева) и здоровых индивидуумов (справа) в г. Москве
Следует, однако, подчеркнуть, что у больных псориазом выявлена достоверная ассоциация (p<0.01) с полиморфным сочетанием 282C/T 341C/C 481C/T 590G/A 803A/G 857A/A в гене NAT2. ^ В нормальном эпидермисе кератиноциты поддерживают точное и тонко сбалансированное соотношение между клеточной пролиферацией и клеточной дифференцировкой. При созревании кератиноцитов в псориатических бляшках нарушены клеточная дифференциация и клеточная пролиферация. Если нормальный цикл созревания кератиноцитов составляет 28-30 дней, то при псориазе наблюдается его ускорение в восемь раз и сокращение цикла созревания кератиноцитов до 3-4 дней [Bowcock, Cookson, 2004]. Кроме того, в псориатической коже отмечаются изменения в процессе апоптоза, что приводит к утолщению рогового слоя кожи. Нами было изучено изменение соотношения продуктов генов BAX и BCL-2 в пораженной и непораженной коже больных псориазом и его изменение после лечения методом полуколичественной ПЦР, сопряженной с обратной транскрипцией. Лечение пациентов проводилось препаратом Глутоксим®. Эффективность лечения оценивалась по изменению индекса PASI. На рисунке 2 показано влияние успешного лечения препаратом «Глутоксим®» на соотношение мРНК генов Bax/Bcl-2. Соотношение Bax/Bcl-2 изменилось достоверно (p<0.01). ![]() Рисунок 2. Изменение соотношения мРНК генов в коже больных псориазом до и после лечения препаратом «Глутоксим®». Независимо от пути развития сигнала на апоптоз ключевая роль в процессе отводится каспазам, ферментам, осуществляющим деградацию белков и нуклеиновых кислот в клетке. Вследствие того, что каспаза-3 является, если не ключевой, то одной из самых важных эффекторных каспаз, мы определяли изменение ее активности в пораженной коже больных псориазом, а также изучили влияние лечения пациентов на изменение активности каспазы в коже больного. Однако здесь мы не получили достоверного отличия активности фермента (рисунок 3) в группе больных до и после лечения (p>0.01). ![]() Рисунок 3. Изменение активности белка каспазы-3 в коже больных псориазом до и после лечения препаратом «Глутоксим®». ^ Нашей задачей было произвести поиск генов-кандидатов на развитие псориатического процесса. Классический генетический подход в поиске генов-кандидатов заключается в семейном анализе и установлении генетических ассоциаций между проявлением болезни и сцепленными с этим проявлением локусами. На данный момент высокоинформативным инструментом изучения экспрессии больших групп генов являются результаты экспериментов, в которых экспрессия генов оценивается количественно с помощью биологических микрочипов. В своих биоинформационных исследованиях мы использовали базу данных GEO DataSets (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/), в которой в виде электронных таблиц собраны результаты экспериментов оценки уровня экспрессии генов на микрочипах. Для дальнейшего анализа нами была отобрана запись GDS1391, в которой представлена информация об уровне экспрессии генов в коже трех здоровых волонтеров, а также в пораженной и непораженной коже четырех больных псориазом. На данный момент в рамках стремительного развития постгеномных технологий появляются программные продукты, позволяющие концентрировать и систематизировать большие объемы генетической информации, выстраивать гипотезы генных сетевых взаимодействий. Одной из таких программ является программный продукт MetaCore® компании GENEGO Inc (США). В результате информационного анализа экспрессии около 12000 генов на биологических микрочипах с помощью программы MetaCore нами было установлено, что число генов, изменивших свою экспрессию более чем в 1,5 раза при псориазе, составляет 7563. На первом этапе мы сравнили уровни экспрессии генов (транскриптом) в пораженной коже больных псориазом и в коже здоровых волонтеров. Для всех генов был установлен порог изменения уровней экспрессии равный 2, то есть программа будет работать только с теми генами, уровень экспрессии которых изменен (увеличен или уменьшен) более чем в 2 раза в пораженной коже, по сравнению с уровнем экспрессии тех же генов в коже здоровых волонтеров. Анализ транскриптомных данных показал, что при псориазе преимущественно наблюдается увеличение транскрипции множества генов. Обилие генов, существенно увеличивших свою экспрессию при псориазе в ключевых процессах клеточного метаболизма, свидетельствует в пользу того, что патологический процесс в пораженной коже в целом обусловлен именно увеличением транскрипционной активности генов в клетках кожи, что совпадает с литературными данными о гиперактивности пролиферативной способности кератиноцитов кожи и ускоренных процессах дифференцировки клеток кожи [Liu Y et al., 2007]. Если представить распределение генов, изменивших свою транскрипцию в пораженной коже больных псориазом по сравнению с кожей здоровых волонтеров, по их участию в различных молекулярно-генетических процессах, то основными измененными процессами в коже при псориазе являются иммунный ответ, клеточный цикл, воспаление, пролиферация и др. (рисунок 4). ![]() ^ Большой интерес для нас представляло сравнение уровней экспрессии генов в пораженной части кожи больных псориазом по отношению к визуально непораженной части кожи, находящейся на расстоянии не более 3 см от пораженной псориазом кожи одного и того же больного. Такое сравнение позволяет максимально исключить влияние побочных факторов на чистоту эксперимента. Для всех генов был установлен порог изменения уровней экспрессии равный 2. Мы сравнивали данные от 4-х пациентов. На рисунке 5 показаны первые 20 наиболее измененных процессов в пораженной коже больных в сравнении с непораженной кожей. Как видно, этими процессами являются развитие эпидермиса, кератинизация, дифференциация кератиноцитов, метаболизм липидов и другие. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
![]() |
^ |
Рисунок 11. 2D-электрофорез белков непораженной псориазом кожи. |
^ |
Название белка |
%Vol |
|
Пораженная кожа |
Непораженная кожа |
||
1 |
Кератин 17 |
1,97±0,92 |
0,18±0,06 |
Кератин 14 |
|||
Кератин 16 |
|||
2 |
SCCA2/SCCA1 |
0,28±0,09 |
0,066±0,02 |
3 |
Антиген чешуйчатой клеточной карциномы; SCC antigen |
0,35±0,18 |
0,03±0,01 |
4 |
Енолаза 1 |
0,87±0,22 |
0,40±0,14 |
5 |
Супероксиддисмутаза [Mn] |
0,22±0,03 |
0,11±0,02 |
6 |
Галлектин 7; Gal-7 |
1,14±0,41 |
0,19±0,01 |
7 |
Белок S100-A9 |
0,54±0,03 |
0 |
8 |
Белок S100-A9 |
0,15±0,07 |
0 |
9 |
Белок S100-A7 (Псориазин, Psoriasin) |
0,51±0,16 |
0 |
10 |
Белок S100-A7 (Псориазин, Psoriasin) |
1,36±0,37 |
0,02±0,03 |