GENOTYPES AND PHENOTYPES OF ALZHEIMER’S DISEASE

Full Text

■ введение В России и во многих других странах мира наблюдается процесс старения населения. В 2015 году ожидаемая продолжительность жизни в России достигла для женщин 76,71 года, а для мужчин 65,92 года. При этом доля населения старше 60 лет составила 19,87% [1]. Для людей пожилого и старческого возрастов характерны заболевания, ведущие к различным когнитивным нарушениям. Среди этих заболеваний выделяются болезнь Альцгеймера и сенильные дементные состояния. До настоящего времени полного излечения от этих заболеваний не наблюдалось. При этом болезнь Альцгеймера приводит к летальному исходу примерно через 5-8 лет. Болезнь Альцгеймера как отдельная нозологическая форма берет свое начало с 1906 года, когда немецкий психиатр Алоис Альцгеймер представил на конференции пациентку с характерным набором симптомов. Болезнь Альцгеймера обычно возникает после 65 лет, однако наблюдаются случаи этого заболевания и в более раннем возрасте. Возникновение определенных элементов деменции альцгеймеровского типа различной степени тяжести довольно обычный итог позднего периода развития организма. Считается, что после 65 лет это заболевание поражает до 5% людей, а после 80 лет до 20%. По экспертным оценкам, в России проживает не меньше 2,4 млн человек старше 65 лет со старческим слабоумием (сенильной деменцией). Болезнью Альцгеймера страдают 1,8 млн человек. Клиническую картину болезни Альцгеймера характеризует триада симптомов: нарушение памяти, нарушение ориентировки в пространстве, нарушение речи [1]. По мере развития заболевания эти симптомы усугубляются, становятся все более выраженными вплоть до невозможности самостоятельной жизнедеятельности пациента. Установлено, что болезнь Альцгеймера и сенильные дементные состояния являются следствием одной и той же причины - нарушения нейронной структуры головного мозга, чаще всего в заключительный период жизни человека. Различие только в глубине и характере нарушений. По современным представлениям болезнь Альцгеймера может возникать в результате различных нарушений в функционировании головного мозга. 1. Дефицит медиатора ацетилхолина - так называемая холинергическая гипотеза. Ацетилхолин является одним из медиаторов, участвующих в передаче сигналов между нейронами головного мозга. 2. Возникновение амилоидных бляшек. Эти бляшки состоят из бета-амилоидного пептида, который возникает в результате расщепления белка АРР (amyloid precursor protein). Предполагается, что бета-амилоидные бляшки механически разрывают синаптические связи между нейронами. 3. Накопление одной из модификаций тау-белка. В норме этот белок участвует в образовании микротрубочек - важного элемента цитоплазматической структуры нейронов. Однако одна из модификаций этого белка с большим количеством фосфатных групп накапливается в виде фибриллярных клубочков, прикрепляющихся к структурам нейронов и способствующих нарушению работы мозга. К сожалению, до сих пор четкого и последовательного механизма развития болезни Альцгеймера и сенильной деменции альцгеймеровского типа не определено. Однако имеется один твердо установленный факт, что болезнь Альцгеймера частично связана с генной структурой ДНК, в частности с геном АРОЕ. Причем наиболее опасна ситуация, когда в хромосомах имеется гомозигота аллелей е4. Далее рассмотрим только генетическую составляющую риска болезни Альцгеймера. Эта составляющая важна тем, что характеризует элемент наследственной природы болезни Альцгеймера. Гены кодируют информацию о строении белков. В частности ген АРОЕ кодирует информацию о строении одного из белков аполипопротеинов. Аллельный полиморфизм гена APOE определяет индивидуальные и межэтнические вариации липидного спектра крови, в том числе связан с гиперхоле-стеринемией, гиперлипопротеинемией, обусловливает генетическую предрасположенность к различным патологиям: атеросклерозу, ИБС, нарушениям памяти у пожилых, рассеянному склерозу, в том числе и к болезни Альцгеймера. Анализ индивидуального полиморфизма гена АРОЕ учитывают при назначении статинов. ■ цель Определение фенотипической структуры болезни Альцгеймера. ■ строение генома применительно к гену арое Любой ген состоит из комплементарной последовательности пар нуклеотидов. Но лишь определенные последовательности нуклеотидов в гене кодируют информацию о белке. Эти последовательности называются экзонами (expression regions). Между экзонами находятся промежуточные последовательности, которые называются интронами (intervening sequences). Интроны не кодируют информацию о структуре белка. Более 75-95% последовательностей нуклеотидов в ДНК человека представляют собой интроны. Ген APOE ^роЕ) расположен на длинном плече хромосомы (аутосомы) 19 (19q13.32), рисунок 1 [2]. Показана только одна хроматида. Вторая хроматида идентична первой и соединена с ней в центромере. Обозначение в скобках обозначает положение локуса в хромосоме. Буква q указывает на длинное плечо хромосомы, цифра 1 - номер региона (в 19 хромосоме по 1 региону на коротком и длинном плечах), 3 - номер полосы (длинное плечо 19 хромосомы содержит 3 или 4 полосы). Полосы нумеруются последовательно от центромеры к теломе-ре. Полосы подразделяются на субполосы. Субполосы также нумеруются последовательно от центромеры к теломере. Цифра 3 после точки - номер субполосы, 2 - номер суб-субполосы. Ген АРОЕ состоит из 4 экзонов и 3 интронов, 3597 пар нуклеотидов [3]. В соответствии с генетическим кодом [4] три пары нуклеотидов кодируют одну аминокислоту в белке. Эти кодирующие триплеты называются кодонами. Следовательно, в гене АРОЕ находится 3597 / 3 = 1199 кодонов, которые могут кодировать последовательность из 1199 аминокислот. Но за счет интронов аминокислот в белке значительно меньше. Структура 4 экзонов гена АРОЕ показана на рисунке 2. LwwpoMejie Рисунок 1. Структура хроматиды 19-й аутосомы. Ген АРОЕ имеет три разновидности - три аллеля (полиморфизм), которые обозначаются е2, е3, е4. Рисунок 2. Структура аллелей гена АРОЕ. Science & Innovations in Medicine 3(11)/201 Gerontology and geriatrics Геронтология и гериатрия Аллели е2 и е3 доминантные, аллель е4 - рецессивный. На рисунке 2 показано отличие в нуклеотидной последовательности аллелей е2 и е4 от аллеля е3. В соответствии со схемой рисунка 2 в экзоне 4 в 112 кодоне (от начала экзона) аллеля е3 имеется последовательность нуклеотидов TGC, которая кодирует аминокислоту Cys в аминокислотной последовательности белка. Комплементарные нуклеотиды в цепочке ДНК (А^Т, С <-> G)для кодонов не показаны. Замена нуклеотидов в аллелях сопровождается заменой комплементарных нуклеотидов. В экзоне 4 в кодоне 112 аллеля е4 она заменена последовательностью CGC, которая кодирует аминокислоту Arg. В экзоне 4 в кодоне 158 аллеля е3 имеется последовательность нуклеотидов CGC, кодирующая аминокислоту Arg. В экзоне 4 в кодоне 158 аллеля е2 она заменена последовательностью TGC, которая кодирует аминокислоту Cys. Во всех кодонах изменяется первый нуклеотид. Обычно в соответствии с генетическим кодом только первый и второй нуклеотиды в кодонах определяют кодируемую аминокислотную последовательность белка. Эти аллели встречаются в двух парных 19 хромосомах человека в виде трех гомозигот е2/е2, е3/е3, е4/е4 и трех гетерозигот е2/е3, е2/е4, е3/е4. Распространенность генотипов у европейцев показана в таблице 1 [5]. Анализ справедливости результатов в таблице 1 исследуем, следуя закону Харди - Вайнберга [6]. Для удобства преобразований частоты аллелей e2, e3 и e4 обозначим p, q, и r, так что p + q + r = \ . В соответствии с законом Харди - Вайнберга частоты генотипов (гомозигот и гетерозигот) распределяются по закону [6]: р2 (е2/е2) + q2 (еЗ/еЗ) + г2 (е4/е4) + 2 pq(e 2/еЗ) + + 2 pr(e 2/е4) + 2qr (еЗ/е4) = 1. (1) Генотипы АРОЕ Частоты генотипов е2/е2 0,4% е2/е3 13,7% е3/е3 63,9% е2/е4 1,3% е3/е4 19,0% е4/е4 1,7% Таблица 1. Распространенность генотипов у европейцев Используя таблицу 1 и распределение (1) по частотам гомозигот, найдем частоты аллелей: Р(е2/е2)= л10,004 = 0,063 = 6,3% ?(еЗ/еЗ)= л/0,639 = 0,8 = 80% г(е4/е4)= ДоЙ = 0,13 = 13% Проверка закона p + q + r = \приводит к равенству 0,063 + 0,8 + 0,13 = 0,993 «1, что указывает на точность данных по гомозиготам в таблице 1, соответствующую 0,7%. Найдем расчетные значения для частот гетерозигот. В соответствии с распределением (1) имеем частоты гетерозигот: 2 pq(e2/e3) = 2 • 0,063 ■ 0,8 = 0,1 = 10% 2 рг (е2/е4) = 2 ■ 0,063 • 0,13 = 0,0164 = 1,64% 2qr(e3/e4) = 2 ■ 0,88 ■ 0,13 = 0,229 = 22,9% Таким образом, частоты гетерозигот в таблице 1 примерно соответствуют распределению Харди - Вайн-берга. Выделим 3 фенотипа. Фенотип болезни Альцгеймера связываем с заболеваемостью этой болезнью, что проявляется внешним образом. При этом руководствуемся следующими соображениями. Доминирование аллеля е4, который чаще всего ответственен за болезнь Альцгеймера, над аллелями е2 и е3 вряд ли возможно, так как в этом случае чрезмерная распространенность болезни Альцгеймера привела бы к опасности вырождения человеческой популяции. Поэтому предполагаем, что в популяции возникают три фенотипа в результате доминирования аллелей e2 и e3 над аллелем e4. В соответствии с данным предположением в таблице 2 показаны три фенотипа с их частотами, следующими из закона Харди - Вайнберга. Фенотипы Ф1 Ф2 Ф3 Генотипы в фенотипах e4/e4 e2/e2+e3/e3+ +2е2/е3 е2/е4+е3/е4 Частоты фенотипов r2 p2+q2+2pq 2pr + 2qr 1,69% 75,7% 22,6% Таблица 2. Фенотипы с частотами, следующими из закона Харди - Вайнберга Частоты фенотипов в соответствии с таблицей 2 можно вычислить по формулам: Ф2 = (р + qf = (l - г)2 и ФЗ = 2г(р + #)= 2r(l - г) . Таким образом, используя данные частоты аллеля, находим частоты фенотипов: Ф1 = г2 = 0,132 = 0,0169 = 1,69% Ф2 = (1 - г)2 = (1 - 0,13)2 = 0,757 = 75,7% ФЗ = 2r(l - г)= 2 • 0,13 • (1 - 0,13)= 0,226 = 22,6% В соответствии с таблицей 3 имеем сумму частот фенотипов Ф1 + Ф2 + ФЗ = r2+l - 2r + r2+2r - 2г2 = 1 . Аллель е4 определяет предрасположенность к болезни Альцгеймера. Генотипы АРОЕ Мужчины Женщины е2/е2 или е2/е3 4-5% 6-8% е3/е3 7-8% 10-12% е2/е4 18-20% 27-31% е3/е4 22-23% 30-35% е4/е4 51-52% 60-68% Таблица 3. Вероятность заболевания болезнью Альцгеймера для мужчин и женщин В таблице 3 [7] показана вероятность заболевания болезнью Альцгеймера для мужчин и женщин. Определение фенотипа человека относительно генетической составляющей болезни Альцгеймера возможно только путем секвенирования генома, то есть определения конкретной нуклеотидной последовательности гена АРОЕ. По-видимому, это направление будет во многом определять тенденцию развития диагностики болезни Альцгеймера. ■ заключение Анализируя таблицу 3, приходим к следующим выводам. Несмотря на то что для фенотипа Ф1 очень высока вероятность заболеть болезнью Альцгеймера (51-52% у мужчин и 60-68% у женщин), его распро ЛИТЕРАТУРА /REFERENCES 1. Ткачева О.Н., Рунихина Н.К., Котовская Ю.В. Диагностика, профилактика и лечение старческой астении и других гериатрических синдромов. М.: ФГОБУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, 2017. [Tkacheva ON, Runikhina NK, Kotovskaia YuV. Diagnostika, profilaktika i lechenie starcheskoi astenii i drugikh geriatricheskikh simptomov. M.: FGOBU VO RNIMU im. N.I. Pirogova Vinzdrava Rossii, 2017. (In Russ.)]. 2. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. Т.1. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. [Vogel F, Motulsky AG. Human Genetics. V. 1. Springer - Verlag, Berlin, New York, 1979. (In Russ.)]. 3. Железнякова А.В. Генетические факторы развития хронической болезни почек у больных сахарным диабетом 2 типа. Диссертация на соискание ученой степени канд. мед. наук. Москва: ФГБУ «Эндокринологический научный центр» МЗ РФ, 2015. [Zhelezniakova AV. Geneticheskie factory razvitia khronicheskoi bolezni pochek u bolnikh sakharnym diabetom 2 tipa. страненность в популяции очень невелика Ф1=1,69%. Попадание человека в эту группу (фенотип) можно считать личной неудачей. Человек попадает в группу риска. Для фенотипа Ф2 вероятность заболеть болезнью Альцгеймера составляет для мужчин (4-5)%+(7-8)%=(11-13)%, для женщин (6-8)%+(10-12)%=(16-20)%. Распространенность фенотипа Ф2 в популяции очень высокая Ф2=75,7%. Попадание людей в эту группу (фенотип), по-видимому, можно считать наибольшей удачей, хотя это не гарантирует от развития болезни Альцгеймера. Фенотип Ф3 достаточно распространен в популяции. Его частота Ф3=22,6%. Вероятность заболеть болезнью Альцгеймера для этого фенотипа высокая. Для мужчин эта вероятность (18-20)%+(22-23)%=(40-43)% , для женщин (27-31)%+(30-35)%=(57-66)%. По вероятности заболевания фенотип Ф3 приближается к фенотипу Ф1, но его распространенность в популяции более чем в 13 раз выше. Нужно отметить, что в таблице 3 дана общая вероятность заболеть болезнью Альцгеймера для данного генотипа, а не вследствие этого генотипа. Но тенденцию риска заболеваемости за сч

About the authors

AN N Volobuev

Samara State Medical University

Email: volobuev47@yandex.ru
PhD, Professor, Head of the Department of medical physics, mathematics and informatics of SamSMU.

VF F Pyatin

Samara State Medical University

Email: pyatin_vf@list.ru
PhD, Professor, Head of the Department of physiology with the course of life safety of vital activity and medicine of catastrophes of SamSMU.

NP P Romanchuk

Samara State Medical University

Email: romanchuknp@mail.ru
post-graduate of the Department of physiology with the course of life safety of vital activity and medicine of catastrophes of SamSMU.

NN N Aleksandrova

Samara State Medical University

Email: grecova71@mail.ru
senior lecturer of the Department of medical physics, mathematics and informatics of SamSMU.

References

Supplementary files