Гены эндотелиального апоптоза как кандидаты для исследования их связи с лимфедемой

Лимфедема - хроническое прогрессирующее заболевание, приводящее к значительной потере трудоспособности, которым страдают более 150 млн чел. во всем мире [1]. В основе патогенеза лимфедемы лежит появление хронического высокобелкового отека, характеризующегося патологическим накоплением межклеточной жидкости с крупномолекулярными белками в интерстициальном пространстве вследствие дефекта лимфатического дренажа, вызванного врожденным пороком (первичная лимфедема), лимфатической обструкцией или разрушением лимфатических сосудов (вторичная лимфедема). Длительное существование высокобелкового отека вызывает хроническое воспаление, ведущее к замещению жировой ткани соединительной, увеличению объема соединительнотканного матрикса, что впоследствии приводит не только к увеличению объема частей тела, но и к вторичному нарушению лимфатического транспорта и дренажа [2]. Одной из вероятных причин клинической манифестации первичной лимфедемы в среднем возрасте и развития вторичной лимфедемы после лечения рака молочной железы может являться апоптоз эндотелия, роль которого обсуждается в ряде публикаций о патогенезе лимфедемы [3, 4].

Апоптоз является одной из форм клеточной гибели и характеризуется рядом морфологических и молекулярных особенностей, в том числе: экспозиция на клеточной мембране фосфатидилсерина, блэббинг плазматической мембраны, сжатие клеток, перегруппировка цитоскелета, коллапс ядра, конденсация хроматина, фрагментация ДНК и образование «апоп-тотических телец» [5]. Апоптоз необходим для устранения поврежденных, старых, вредных, раковых или инфицированных клеток. Апоптоз также играет важную роль в поддержании тканевого гомеостаза и в эмбриональном развитии [6]. Апоптоз может вызываться внешними воздействиями (например, лигандами смерти, ультрафиолетом и γ-излучением) и/или внутренними факторами (например, окислительным стрессом, повреждением ДНК, повышенным содержанием Ca2 +). Известны два основных пути апоптоза: внешний, опосредованный рецепторами клеточной смерти, и внутренний митохондриальный путь [7, 8]. Нарушения апоптоза связаны со многими заболеваниями, включая раковые, нейродегенеративные, аутоиммунные, воспалительные и другие [9]. В ряде работ обсуждается роль апоптоза эндотелия в патогенезе лимфедемы [3, 4], однако, анализ связи между генами, во- влеченными в эндотелиальный апоптоз, и генами, ассоциированными с лимфедемой, ранее не проводился.

В данной работе проведена приоритизация генов эндотелиального апоптоза как кандидатов для генотипирования при поиске генов, ассоциированных с лимфедемой.

Результаты и обсуждение. Одним из эффективных и часто используемых методов установления потенциальных ассоциаций генов с заболеваниями является приоритизация [10]. Учитывая важную роль апоптоза клеток эндотелия в патогенезе лимфедемы [3, 4], нами в данной работе была проведена приоритезация генов, вовлеченных в Gene Ontology биологический процесс «endothelial cell apoptotic pro-cess» (GO:0072577) с использованием обучающей выборки, включающей гены, ассоциированные с лимфедемой.

Для приоритизации использовалась программа ToppGene [10]. Программа ToppGene позволяет на основе обучающего набора генов отранжировать тестовый набор генов, согласно определенным критериям, характеризующим близость генов из тестового набора к генам из обучающей выборки. Методы данных ресурсов используют как свойства вершин графа сетей белок-белок взаимодействий, генетическую информацию (ко-локализация в геноме), функциональные свойства генов (участие в одних и тех же GO категориях) и др. В качестве обучающего набора для каждого из этих методов подавался список генов, ассоциированных с лимфедемой. Список генов, ассоциированных с лимфедемой, был составлен на основе анализа информации из баз данных CTD , Malacards , KEGG , HPO , DisGeNET и ANDSystem [11] и включал 69 генов. В качестве тестового набора использовался список генов, вовлеченных в эндотелиальный апоптоз. Список из 64 генов человека, вовлеченных в эндотелиальный апоптоз (Gene Ontology биологический процесс «endothelial cell apoptotic process»), был получен с помо- щью системы AmiGO [12] по запросу «GO:0072577» с фильтром Organism: «Homo sapiens». При использовании ToppGene в разделе «Training parameters» были выбраны все «Feature». Для ранжирования генов использовался показатель «Rank» выдачи программы ToppGene.

Оказалось, что два гена GATA2 и KDR одновременно присутствуют в списке генов «endothelial cell apoptotic process», а также генов, ассоциированных с лимфедемой [13, 14]. При приоритизации эти два гена были исключены из числа генов обучающего набора и считались контрольными генами. Таким образом, приоритизация проводилась для 64 генов из тестового набора и 67 генов из обучающей выборки, ассоциированных с лимфедемой. Десять наиболее приоритетных генов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Десять наиболее приоритетных генов, вовлеченных в эндотелиальный апоптоз, которые являются перспективными кандидатами для изучения их связи с лимфедемой

Наиболее приоритетным геном оказался контрольный ген KDR, кодирующий киназный инертный доменный рецептор (таблица 1). KDR является одним из главных регуляторов роста эндотелиальных клеток [15], который обеспечивает их выживаемость [16], пролиферацию, миграцию [17], рост [18] и морфогенез [19]. Известно, что ряд полиморфизмов в этом гене ассоциирован с повышенным риском развития лимфедемы – отношение шансов составляет больше 2 при p-value<0.05 [14]. В модели на хвостах мышей было показано, что при низкоуровневой лазерной терапии экспрессия гена KDR была повышена по сравнению с контрольной группой [20].

Второе место занял ангиопоэтин-1 рецептор TEK, связанный с развитием эмбриональных сосудов [21]. На третьем месте оказалась митоген-активируемая белковая киназа киназы киназы 5 (MAP3K5). Четвертое место было у про-тонкогена ABL1, кодирующего протеин- тирозинкиназу важную для клеточного деления и дифференцировки, а также адгезии и реакции на окислительный стресс [22]. На пятой строчке в таблице стоит ген фосфолипазы С гамма 1 (PLCG1). Мутации в гене PLCG1 могут приводить к нарушению эндотелиального апоптоза [23], а также ассоциированы с ангиосаркомой, которая может возникнуть вторично, как осложнение хронической лимфедемы [24]. На шестом месте оказался ген CCL2 (моноцитарный хемотаксический белок 1), кодирующий цитокин, обладающий хемотаксической активностью для моноцитов [25] и базофилов [26]. Седьмую строчку занял ген FASLG - член надсемейства фактора некроза опухоли, участвующий в активации апоптоза через связывание с FAS [27]. На восьмой позиции стоит ASK1-взаимодействующий белок 1 (DAB2IP), который является опухолевым супрессором. На девятом месте оказался ген межклеточной молекулы адгезии 1 (ICAM1), который кодирует гликопротеин клеточ- ной поверхности, широко экспрессирующийся в эндотелиальных клетках и клетках иммунной системы. Последнюю строчку в таблице 1 занял SERPINE1 - ингибитор тканевого активатора плазминогена и урокиназы [28], вовлеченный в фибринолиз [29].

Заключение. Таким образом, в данной работе осуществлен поиск новых потенциальных участников молекулярногенетических механизмов лимфедемы на в эндотелиальный апоптоз. Выявленные приоритетные гены (KDR, TEK, MAP3K5, ABL1, PLCG1, CCL2, FASLG, DAB2IP, ICAM1 и SERPINE1) из числа генов, вовлеченных в эндотелиальный апоптоз, могут быть использованы при планировании экспериментов по установлению их ассоциаций с лимфедемой. Кроме того, анализ функции данных генов может помочь в понимании молекулярно-генетической роли эндотелиального апоптоза в лимфеде- основе приоритизации генов, вовлеченных ме.