Генетические факторы в развитии бронхиальной астмы: значение синтаз оксида азота

Генетические факторы в развитии бронхиальной астмы: значение синтаз оксида азота

О.М. Урясьев, А.В. Шаханов, А.И. Рогачиков

ГБОУ ВПО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова»

В развитии бронхиальной астмы участвует множество генов. Одни гены связаны с предрасположенностью к развитию астмы, а другие определяют ответ на противоастматические препараты. Большое значение в патогенезе астмы имеет оксид азота и ферменты его синтеза. Уровни оксида азота и его влияние на развитие заболевания находятся в зависимости от полиморфизма генов группы NOS.

Ключевые слова: бронхиальная астма, ген, оксид азота, NO-синтаза, NOS.

Введение

Среди значимых проблем мирового здравоохранения заслуженное место занимает бронхиальная астма (БА). Этим тяжёлым инвалидизирующим заболеванием дыхательных путей страдают люди всех этнических групп и возрастов, общее число которых достигает 300 млн человек во всём мире. В разных странах распространенность БА находится в диапазоне от 1 до 18 % [3, 12]. Согласно современному определению Глобальной инициативы по бронхиальной астме ^ША), «бронхиальная астма — это хроническое воспалительное заболевание дыхательных путей, в котором принимают участие многие клетки и клеточные элементы. Хроническое воспаление обусловливает развитие бронхиальной гиперреактивности, которая приводит к повторяющимся эпизодам свистящих хрипов, одышки, чувства заложенности в груди и кашля, особенно по ночам или ранним утром. Эти эпизоды обычно связаны с распространенной, но изменяющейся по своей выраженности обструкцией дыхательных путей в легких, которая часто бывает обратимой либо спонтанно, либо под действием лечения» [3]. Такое сложное определение обусловлено сложностями в понимании механизмов развития бронхиальной астмы и её течения.

Генетические факторы в развитии БА

Общепринятым считается, что в этиологии БА большую роль играет взаимодействие наследственности и факторов окружающей среды, однако на данный момент не установлены механизмы этого взаимодействия.

Среди факторов, влияющих на риск развития БА, выделяют две больших группы: факторы, обуслав-

ливающие развитие заболевания, и факторы, провоцирующие появление симптомов [3]. Часть из них может быть включена в обе группы. К первой группе традиционно относят так называемый внутренние факторы: наследственность, пол и ожирение. Ко второй группе — внешние факторы, такие как аллергены, инфекции и курение.

Ведущую роль среди факторов, увеличивающих риск развития БА, играют генетические. Для поиска этих генетических детерминант БА применяются два основных метода: кандидатное и позиционное картирование. При кандидатном картировании проводят анализ связи заболевания с полиморфизмом генов, функция которых тесно связана с развитием данного заболевания, а при позиционном картировании — анализ сцепления заболевания с хромосомным положением [10]. С помощью последнего показана связь БА с локусами 5q31.1-33, 6р12-21.2, Щ12-13, ^14-24.1, ^12-22, ^11-12, 16р12.1-11.2 и Xq28/Yq12 [2, 4].

В целом установлено, что в патогенезе БА участвует множество генов, среди которых выделяют несколько крупных групп [8, 17]:

1. Гены, кодирующие факторы антигенного распознавания и гуморального иммунного ответа. Среди них связь с бронхиальной астмой показана для генов интерлейкинов (^-4, ^-5, ^-9, ^-13), генов главного комплекса гистосовместимости (HLA-B, HLA-DR), фактора роста тучных клеток (MGF), а-субъединицы антигенного рецептора Т-клеток (ТСИА).

2. Гены медиаторов воспаления, хемокинов и молекул межклеточной адгезии. К данной группе относятся гены лейкотриен С4-синтазы (LTC4S), ацетилгидролаза фактора активации тромбоцитов (РАРАН), синтазы оксида азота (NOS1, NOS2, NOS3), арахидонат 5-липоксигеназа (А1ОХ5), фактора высвобождения гистамина (HRF) и др.

3. Гены рецепторов, осуществляющих фиксацию внешних молекул-лигандов на клетках-мишенях, такие как гены а-цепи рецептора ИЛ-4 (IL4RA), а-цепи рецептора ИЛ-5 (IL5RA), рецептора глюкокортикои-дов (GRL), ßj-адренергического рецептора (ADRB2), ß-цепи высокоаффинного рецептора IgE (FCER1B), рецептора серотонина (HTR2A).

4. Гены внутриклеточных сигнальных молекул и факторов транскрипции: гены тирозинкиназы 1 семейства Jak (JAK1), тирозинкиназы 3 семейства Jak (JAK3) трансмиттера сигнала и активатора транскрипции 6 (STAT6), ß-субъединицы ядерного фактора транскрипции Y (NFYB), субъединицы 1 ядерного фактора транскрипции NF-kB (NFKB1).

5. Прочие гены, например гены биотрансформации ксенобиотиков (NAT2, CYP1A, GSTT1, GSTM1).

Одни из этих генов связаны с предрасположенностью к развитию БА, а другие характеризуют ответ на лечение противоастматическими препаратами. Так, например, показана разная чувствительность пациентов к лечению ß2-агонистами в зависимости от полиморфизма гена ADRB2 и лечению глюкокортикостероидами в зависимости от полиморфизма гена GRL [8, 16].

Роль оксида азота в формировании БА

В последние годы в процессе изучения патогенеза бронхиальной астмы большое внимание уделяется значению оксида азота (NO), который считается сигнальной молекулой межклеточного взаимодействия. Молекула NO является простым радикалом, легко образующим ковалентные связи, так как содержит не-спаренный электрон [5]. В естественных условиях NO живёт всего несколько секунд, после чего превращается в нитриты. Оксид азота способен без труда проникать сквозь клеточные мембраны благодаря отсутствию заряда и крайне малой величине молекулы.

NO участвует во многих физиологических процессах. Так, его синтез в клетках эндотелия регулирует тонус сосудов, кровоток и давление, а также контролирует адгезию тромбоцитов и пролиферацию гладкомышечных клеток [11]. В качестве нейроме-диатора оксид азота имеет значение в формировании памяти, болевого чувства, координации между нейрональной активностью и кровотоком [11]. В отношении бронхиальной астмы NO рассматривается как регулятор тонуса и просвета дыхательных путей, а в малых концентрациях препятствует бронхоспазму [5]. Расслабляющее действие оксида азота на гладкую мускулатуру реализуется через активацию растворимой гуанилатциклазы и синтеза вторичного посредника — циклического гуанозинмонофосфата. Также NO участвует в обеспечении синхронного движения ресничек в верхних дыхательных путях.

Когда стало известно, что при ряде заболеваний бронхолёгочной системы, в особенности при брон-

хиальной астме, в выдыхаемом воздухе повышен уровень оксида азота, его определение стало применяться для оценки активности аллергического воспаления при БА.

Рост уровня N0 в выдыхаемом воздухе связан с воспалительными изменениями в бронхах, которые влияют на активность синтаз оксида азота. Это подтверждается тем, что при других воспалительных заболеваниях, таких как бронхоэктатическая болезнь и острые инфекции дыхательных путей, также отмечается повышение уровня оксида азота в выдыхаемом воздухе. Воспаление сопровождается чрезмерным накоплением N0, что приводит к росту продуктов его метаболизма — пероксинитритного аниона ^N00 - ), пероксинитритной кислоты (О N00^, являющихся сильнейшими оксидантами [5]. Это ведет к окислению липидов клеточных мембран, способствующему расширению и углублению имеющегося воспаления дыхательных путей из-за увеличения сосудистой проницаемости и появления воспалительного отека.

Помимо этого, высокие концентрации N0 способны подавлять активность конститутивной синтазы оксида азота и растворимой гуанилатциклазы, что ведёт к снижению продукции цГМФ, росту содержания внутриклеточного Са2+ и спазму дыхательных путей. Также со временем появляется все больше данных о способности N0 оказывать влияние на иммунную систему и воспалительный ответ. Оксид азота снижает активность ТЫ-клеток и таким образом способствует развитию ТЪ2-ответа, является мощным активатором хемотаксиса эозинофилов и нейтрофилов и угнетает апоптоз этих важнейших эффекторов атопического воспаления [11]. Было показано, что N0 ингибирует продукцию ИЛ-2 и ИНФу ТЫ-клетками [11]. Оксид азота способен влиять на синтез провоспалительных цитокинов альвеолярными макрофагами, в зависимости от степени активации этих клеток, не оказывая влияния на базальный синтез ФНО-а покоящимися моноцитами периферической крови, но ингибируя синтез ФНО-а, ГМКСФ, ИЛ-1Р активированными моноцитами и альвеолярными макрофагами астматиков и здоровых доноров.

Концентрация N0 в выдыхаемом воздухе во многом зависит от получаемого лечения. Достоверно известно, что более низкий уровень N0 в выдыхаемом воздухе имели больные, получавшие глюкокортикостероиды [4]. Однако необходимо учитывать, что на уровень N0 влияют и внелёгочные причины — сепсис, цирроз печени, диета и др. [5].

В настоящее время оксид азота признан достоверным маркером воспаления при бронхиальной астме.

Значение синтаз оксида азота

В организме оксид азота синтезируется из L-аргинина группой цитохром Р-450-подобных гемопротеинов — синтазами оксида азота. Данные ферменты выполняют

свою функцию без участия АТФ и поэтому называются синтазами, а не синтетазами. Группа N0-синтаз состоит из трёх известных изоформ: нейрональной (nN0S), макрофагальной (iN0S) и эндотелиальной (eN0S). Эти изоформы соответственно являются продуктами экспрессии генами N0S1, N0S2 и N0S3.

Нейрональная и эндотелиальная синтазы оксида азота являются Са2+-зависимыми ферментами [11]. Первая преимущественно экспрессируется в центральной и периферической нервной системе, но также обнаруживается и в других тканях, например поперечнополосатой мускулатуре и плаценте [11]. Эндотелиальная N0-синтаза, как видно из названия, определяется в основном в клетках эндотелия сосудов. В физиологических условиях эти две изоформы конститутивны, но при различных патологических состояниях их экспрессия индуцируется, что сопровождается повышенным образованием N0. Физиологическая продукция оксида азота под действием конститутивной N0-синтазы направлена на поддержание определённого тканевого равновесия в метаболизме N0 [15].

Макрофагальная синтаза оксида азота не экс-прессируется непрерывно в тканях, а синтезируется йв поуо под воздействием воспалительных стимулов, т.е. является индуцибельной. Она по своей активации Са2+-независима и является источником больших количеств N0, который оказывает губительное действие на бактерии и вирусы. N0, являющийся продуктом индуцибельной N0-синтазы, усиливает воспалительные изменения в дыхательных путях при астме [15].

В лёгких, по данным иммуногистохимических исследований, присутствуют все три изоформы синтазы оксида азота [11]. Эндотелиальная N0-синтаза присутствует в эндотелии сосудов бронхов и эпителиальных клетках, нейрональная N0-синтаза — в холинэргических и не-холинэргических/неадренэргических нервах бронхов и также в эпителиальных клетках. Макрофагальная N0-синтаза определяется во многих типах клеток в ответ на цитокины, эндотоксин и оксиданты. При астме она локализована преимущественно в эпителиальных клетках, макрофагах и эозинофилах.

И конститутивная, и индуцибельная N0-синтазы играют роль в продукции N0 в ранней фазе воспаления, тем самым проявляя свой провоспалительный эффект [9]. В то же время N0-синтазы контролируют биосинтез интерлейкинов ИЛ-4, ИЛ-11, ИЛ-13, относящихся к ингибиторам воспалительной реакции [9]. Таким образом, N0-синтазы и продуцируемый ими оксид азота оказываются «подлинными» регуляторами воспаления.

Генетический полиморфизм синтаз оксида азота

При поиске ассоциированных с развитием бронхиальной астмы генов было установлено, что одними из генов-кандидатов являются N0S1, N0S2 и N0S3 —

гены, кодирующие изоформы синтаз оксида азота. Предположение о том, что некоторые мутантные варианты данных генов способны влиять на активность N0-синтаз, повлекло за собой множество исследований.

Так, во Франции показана зависимость уровня оксида азота в крови и выдыхаемом воздухе у пациентов с астмой и без неё в зависимости от генетического варианта N0S2 и N0S3 [13]. У не страдающих астмой пациентов с повышенным уровнем оксида азота в выдыхаемом воздухе были ассоциированы СС-генотип N0S2 ге6505510, С- и Т-аллели ^1549758 и ^2853796, а хотя бы одна копия G-аллели N0S2 ге4795067 была связана с повышенным уровнем N0 в крови. У астматиков С-аллель N0S3 гб743507 ассоциировалась с более высоким уровнем выдыхаемого N0.

Также показана связь полиморфизмов 954G/C, (ССТТТ)п гена N0S2 с развитием бронхиальной астмы в сибирской популяции [6]. Показана связь полиморфного генотипа 4а/4Ь гена N0S2 с более высокой частотой дисфункции эндотелия у больных бронхиальной астмой [1].

В Иране у пациентов с ишемической болезнью сердца установлено снижение эндотелиальной продукции оксида азота при наличии мутантной С-аллели полиморфизма 786С/Т гена N0S3 [14]. В метаанализе Wenquan №и показана ассоциация этой же мутантной аллели, и в особенности генотипа СС, с развитием артериальной гипертензии у пациентов белой расы, что предположительно также связано со снижением выработки N0 в эндотелии [19]. Данный полиморфизм также исследовался в Киеве у пациентов с ОКС, где были подтверждены данные о связи наличия С-аллели с сердечно-сосудистыми заболеваниями [7]. Однако есть работы, в которых данная связь опровергается [2].

У пациентов с ХОБЛ исследовались три полиморфизма генов ^-синтаз (N0S1 гз41279104, N0S2 гз8078340, N0S3 гб18679) — ни один из них не оказался связан с развитием заболевания, но присутствие G-аллели полиморфизма N0S3 гб18679 было ассоциировано со снижением экспрессии гена N0S3 [18]. Основываясь на этом, исследователями было высказано предположение о его возможном влиянии на уровень N0.

Заключение

Таким образом, в развитии бронхиальной астмы большое значение имеют генетические факторы, отдельное место среди которых занимают полиморфные варианты генов синтаз оксида азота. Данная связь определяется изменением активности ферментов N0-синтаз в зависимости от наличия той или иной мутации гена с последующим изменением продукции оксида азота. Наибольшее внимание уделяется в этом отношении гену N0S2, кодирующему индуцибельную синтазу оксида азота, так как именно она определяет массивную выработку оксида азота и в результате — выраженное

его провоспалительное действие. Помимо этого, некоторые исследования указывают на важную роль полиморфизма генов, кодирующих конститутивную синтазу оксида азота (NOS1, NOS3), предположительно из-за её функции вырабатывать базовый фон оксида азота, направленный на поддержание определённого тканевого равновесия.

Литература

1. Севостьянова И.В. и др. Влияние полиморфизма гена эндотелиальной синтазы оксида азота на состояние сосудистого эндотелия у больных бронхиальной астмой // Астраханский медицинский журнал. - 2013. - Т. 8, № 3. - С. 83-85.

2. Hasanzad М. й а1. Генетический полиморфизм эндотелиальной синтазы оксида азота при ишеми-ческой болезни сердца // Международный журнал сердца и сосудистых заболеваний. - 2014. - Т. 2, № 2. - С. 32-36.

3. Глобальная стратегия лечения и профилактики бронхиальной астмы (пересмотр 2011 г.) / под ред. А.С. Белевского. - М.: Российское респираторное общество, 2012. - 108 с.

4. Балаболкин И.И. и др. Клиническое значение мониторинга оксида азота в выдыхаемом воздухе у детей с бронхиальной астмой // Иммунопатология, аллергология, инфектология. - 2006. - № 2. -С. 56-61.

5. Лев Н.С. Патогенетическая роль оксида азота при бронхиальной астме // Российский вестник пери-натологии и педиатрии. - 2000. - № 4. - С. 48-51.

6. Огородова Л.М., Петрова И.В., Рукин К.Ю. Роль полиморфизма гена индуцибельной NO-синтазы в формировании бронхиальной астмы // Бюллетень СО РАМН. - 2011. - Т. 31, № 4. - С. 60-63.

7. Пархоменко А.Н. и др. Полиморфизм Т-786С промотора гена эндотелиальной NO-синтазы: связь с эффективностью тромболитической терапии у пациентов с острым инфарктом миокарда // Укр. Мед. Часопис. - 2008. - № 4 (66). - С. 20-23.

8. Смирнова А.Ю., Гноевых В.В., Портнова Ю.А. Генетические аспекты мультифакторных брон-хообструктивных заболеваний // Ульяновский медико-биологический журнал. - 2014. № 1. -С. 8-18.

9. Сомова Л.М., Плехова Н.Г. Оксид азота как медиатор воспаления // Вестник ДВО РАМН. -2006. - № 2. - С. 77-80.

10. Фрейдин М.Б. Генетические основы подверженности к бронхиальной астме // Молекулярно-

биологические технологии в медицинской практике. - 2001. - № 4. - С. 130-141.

11. Петровский Ф.И. и др. Цитокины и оксид азота при бронхиальной астме // Бюллетень сибирской медицины. - 2002. - № 1. - С. 70-74.

12. Бельтюков Е.К. и др. Эпидемиология бронхиальной астмы в свердловской области на рубеже веков // Доктор.Ру. - 2009. - № 2 (45). - С. 13-29.

13. Bouzigon E. et al. Associations between Nitric Oxide Synthase Genes and Exhaled NO-Related Phenotypes according to Asthma Status // PLoS ONE. - 2012. -Vol. 7, № 5. - P. e36672.

14. Khaki-Khatibi F. et al. Association between T-786C polymorphism of endothelial nitric oxide synthase gene and level of the vessel dilation factor in patients with coronary artery disease // Molecular Biology Research Communications. - 2012. - Vol. 1. - P. 1-7.

15. Barnes P.J. NO or no NO in asthma? // Thorax. -1996. - Vol. 51. - P. 218 - 220.

16. Liang S. et al. Beta-2 Adrenergic Receptor (ADRB2) Gene Polymorphisms and the Risk ofAsthma: A Meta-Analysis of Case-Control Studies // PLoS ONE. -2014. - Vol. 9, № 8. - P. e104488.

17. Meyers D., Wiesch D., Bleecker E. Genetic of asthma and bronchial hyperresponsiveness // The genetic basis of common diseases. - 2002. - P. 198-209.

18. Aminuddin F. et al. Nitric oxide synthase polymorphisms, gene expression and lung function in chronic obstructive pulmonary disease // BMC Pulmonary Medicine. -2013. - Vol. 13. - P. 64.

19. Niu W., Qi Y. An Updated Meta-Analysis of Endothelial Nitric Oxide Synthase Gene: Three Well-Characterized Polymorphisms with Hypertension // PLoS ONE. -Vol. 6, № 9. - P. e24266.

Genetic factors in the development of bronchial asthma: the value of nitric oxide synthase

O.M. Uryasev, A.V. Shakhanov, A.I. Rogachikov

Ryazan State Medical University, Ryazan

Many genes involves in the development of asthma. Some genes are associated with a predisposition to the development of asthma and others determine response on antiasthmatic drugs. Great importance in the pathogenesis of asthma has nitric oxide and its synthesis enzymes. Levels of nitric oxide and its influence on the development of the disease are dependent on polymorphism of genes NOS.

Key words: asthma, gene, nitric oxide, NO-synthase, NOS.