ГЕНЕТИКА, 2011, том 47, № 6, с. 725-734
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 577.218
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ VNTR-ПОЛИМОРФИЗМА ГЕНОВ У ЧЕЛОВЕКА
© 2011 г. Н. П. Бабушкина, А. Н. Кучер
Учреждение Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт медицинской генетики
Сибирского отделения РАМН, Томск 634050 e-mail: valery.puzyrev@medgenetics.ru Поступила в редакцию 25.05.2010 г.
В статье дается краткий обзор современных представлений о функциональной значимости генетического полиморфизма по VNTR у человека. Приводятся данные о вовлеченности VNTR в регуляцию экспрессии генов и формирование сложных фенотипов, согласно которым эффекты VNTR определяются числом повторов, структурой их мономеров и фланкирующих гаплотипов, эпигенетическими механизмами (в случае локализации в импринтированных регионах) и могут быть модифицированы средовыми факторами. Рассматриваются некоторые возможные механизмы влияния VNTR на уровень экспрессии.
Повторяющиеся элементы занимают порядка 50% от общего количества ДНК. Относящиеся к ним мини- и микросателлиты достаточно плотно и равномерно расположены в каждой из хромосом и представляют собой мультиаллельные системы с уровнем гетерозиготности, достигающим 70—90% [1]. Таким образом, они удобны для анализа и часто привлекаются в качестве маркеров в молекулярно-генетических исследованиях. В отношении VNTR (variable number tandem repeats) в настоящее время существуют разночтения в их определении, зачастую к данным локусам относят и мини-, и микросателлиты [2, 3]. Однако классически VNTR определяют как минисател-литы, коровые последовательности которых составляют не менее 10—20 нуклеотидов, а их количество достигает от нескольких повторов до нескольких десятков, в то время как к микросателлитам (STR — shot tandem repeats) относят также полиморфные последовательности, но образующиеся многочисленными повторами от двух до восьми нуклеотидов [4—7]. В контексте данного обзора представляется более уместной и используется классическая трактовка термина VNTR.
VNTR локализованы как в кодирующих, так и в некодирующих участках генов: интронах, 5'UTR и 3'UTR, промоторных последовательностях, а также в межгенных регионах. На более ранних этапах исследований VNTR привлекали для анализа сцепления моногенной патологии с какими-либо хромосомными регионами, несколько позже стали использовать и при изучении многофакторных заболеваний при проведении ассоциативных исследований. В последние годы активно происходило накопление сведений о вовлеченности VNTR в формирование предрасположенности к широкому спектру па-
тологических состояний. Повторы, локализованные в кодирующих участках генов, приводят к изменению структуры и, соответственно, конфигурации и функции белковых молекул; VNTR, находящиеся в промоторном регионе, могут обусловливать различия в уровне транскрипции. Что касается минисателлитных повторов, находящихся в других некодирующих участках, то их функциональное значение до недавнего времени оставалось непонятным; предполагалась лишь вероятность того, что данный полиморфный вариант сцеплен с другим — функционально значимым и локализованным в кодирующем участке гена [7—10].
Причины ассоциаций VNTR-полиморфизма с патологическими состояниями стали проясняться после выявления для ряда генов его функционального значения. Так, для некоторых генов было установлено, что VNTR, расположенные внутри последовательности гена или рядом с ним, влияют на их уровень экспрессии. К числу таких генов относятся, например, гены инсулина — INS [8, 11, 12], дофаминового рецептора — DAT1 (SLC6A3) [9, 13—16], простациклинсинтазы — PGIS [17], муцина 1 - MUC1 [18], HRAS1 [19], натрий-зависимого переносчика серотонина — SLC6A4 [20—22], эндотелиальной синтазы оксида азота — NOS3 [23, 24], рецепторного антагониста интерлейкина 1 — IL1RN [25, 26], брадикинино-вого рецепта 2 типа — B2 [27]. Было установлено, что VNTR в некоторых генах (DAT1 (SLC6A3) [14], PGIS [28], ALOX5 [29], SLC6A4 [10, 30] и др.) взаимодействуют с транскрипционными факторами. Эти открытия позволили значительно продвинуться в понимании механизмов вовлеченности VNTR в определение уровня экспрессии и, как следствие, влияния на формирование фенотипи-
ческих признаков, в том числе — и на развитие патологических состояний.
VNTR И ГЕН INS
Одним из наиболее изученных с точки зрения и структуры, и функции может считаться VNTR, локализованный рядом с геном инсулина (INS) [31]. Фактически он расположен между геном INS и тесно сцепленным с ним геном инсулиноподоб-ного ростового фактора 2 (IGF2). Весь этот локус, получивший название IDDM2, показывает тесное сцепление с инсулинозависимым сахарным диабетом. VNTR, состоящий из 14— 15-нуклеотид-ных коровых последовательностей [31], локализован на расстоянии 596 пн от сайта инициации трансляции гена INS в регионе 11р15.1. Число повторов VNTR INS варьирует от 26 до более чем 200. В зависимости от длины повтора выделяют три класса аллелей: к I классу отнесены аллели, содержащие от 28 до 44 повторяющихся единиц; к III — с длиной аллелей 138 и более повторов; II — промежуточный класс, содержит около 70 тан-демных повторов [31]. У европеоидов наиболее распространены аллели I и III классов (около 70 и 30% соответственно), тогда как аллели класса II регистрируются с низкой частотой.
Полиморфизм VNTR INS является функционально значимым, так как влияет на уровень экспрессии инсулина [32, 33]. Установлено, что VNTR INS связывает транскрипционный фактор Pur1, регулирующий уровень транскрипции как гена инсулина, так и гена IGF2 [34, 35]. У индивидов, гомозиготных по аллелям класса III/III VNTR, в клетках поджелудочной железы уровень экспрессии инсулина примерно на 20% ниже, чем у обладателей гомозиготных генотипов I/I [32, 36, 37]. При приеме глюкозы у детей с ожирением уровень инсулина в плазме и индекс инсулиновой секреции у гомозигот I/I на 20—30% выше, чем у лиц с генотипом III/III [38, 39]. С другой стороны, более выраженный, но противоположный, эффект выявлен в клетках тимуса, где инсулин экспрессируется на низком уровне: уровень экспрессии в 2—3 раза выше у обладателей аллеля класса III [37]. Эти факты свидетельствуют о тканевой специфичности зависимости уровня экспрессии INS от аллелей данного минисателлита. Возможно, функциональная роль генотипов VNTR также может различаться на разных этапах онтогенеза, поскольку не было показано влияния VNTR INS на индекс массы тела и ожирение у взрослых [40] и, напротив, показано у детей [33]. Данные различных исследовательских коллективов о вовлечении генотипов по VNTR INS в формирование других патологий зачастую противоречивы, например это касается метаболического синдрома у подростков [40—42], синдрома поликистоза
яичников [43—45], антропометрических показателей новорожденных [46—53].
Интересные результаты были получены в отношении формирования предрасположенности к сахарному диабету 1-го и 2-го типов у лиц с различными генотипами VNTR INS: I класс аллелей VNTR INS ассоциирован с диабетом 1-го типа (СД1) [11, 36, 54—57], тогда как к диабету 2-го типа (СД2) у взрослых предрасполагали аллели класса III [54, 58—60]. Мета-анализ, проведенный на основании шести исследований "случай—контроль", показал, что генотип III/III VNTR INS ассоциирован с 40%-ным увеличением риска развития СД2 [59]. Тем не менее в объемном исследовании "случай—контроль" в датской популяции аллели этого класса не были ассоциированы с данной патологией [61].
Причины противоречия получаемых данных о вовлеченности VNTR INS в формирование предрасположенности к сахарному диабету в определенной степени были объяснены после выявления модифицирующего действия SNP (Hph1 A/T) в тесно сцепленной с VNTR фланкирующей последовательности. С учетом данных о структуре фланкирующих гаплотипов аллели I класса были подразделены на подклассы IC и ID [8]. Оказалось, что обладатели гаплотипов IC более подвержены развитию сахарного диабета 1 типа, чем индивиды, имеющие ID гаплотип [62]. Гетерогенность по структуре фланкирующих гаплоти-пов характерна и для аллелей класса III, которые также подразделяются на два подкласса, различающиеся по протективному эффекту; они были обозначены как "протективный гаплотип" и "высоко протективный гаплотип" [36]. Позже было показано также, что аллели III VNTR INS более существенно различаются по гаплотипической структуре [62]. Представляется важным тот факт, что уровень глюкозы в крови (натощак и при глю-козотолерантном тесте) был одного уровня у носителей аллелей и класса III VNTR INS, и подкласса IC [8].
Помимо длины аллелей VNTR INS и структуры фланкирующих гаплотипов, риск развития сахарного диабета определяется тем, от кого был унаследован тот или иной аллель — от матери или от отца. В настоящее время известно, что локус IDDM2 находится в регионе, подверженном им-принтингу, и характеризуется моноаллельной экспрессией с хромосомы отцовского происхождения [11]. Но еще ранее было замечено, что если аллели класса I (например, аллель 814 пн — 42 повтора) передавались от отца с генотипом I/III, то они обладали протективным эффектом [55]. Это нашло подтверждение в другом исследовании, где было показано, что аллели класса I VNTR гена INS являются равнопредрасполагающими к сахарному диабету первого типа (СД1), за исключе-
нием случая, когда аллель данного класса передается от ID—/III гетерозиготного отца; в последнем случае аллель ID ведет себя как протективный [57]. В случае унаследования аллеля класса III от отца у детей также повышен риск развития ожирения [33].
Имеющаяся противоречивость в оценке значимости аллельных вариантов VNTR INS для риска развития сахарного диабета может быть обусловлена популяционной специфичностью в распространении фланкирующих гаплотипов [57] и наследованием аллельного варианта от отца или матери. Возможно также влияние генотипи-ческой среды: показаны модифицирующие эффекты на функционирование гена INS полиморфизма гена Kir6.2 (KCNJ11), кодирующего субъединицу кальциевого канала, структура которого определяет трансмембранный потенциал ß-кле-ток поджелудочной желез
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.