Polymorphisms Ser447Ter of lipoprotein-lipase gene, Cys112Arg and Arg158Cys of apolipoprotein E gene in patients with obesity
AbstractThe distribution of allele Ser447Ter of lipoprotein lipase gene (LPL) and polymorphic markers E2 and E4 of the apolipoprotein E gene (ApoE) were examined in 100 obese patients at the age of 18–66 years (28 men and 72 women, 40,6±2,1 years old). The first group included patients with I degree of obesity (n=26, BMI=32,5±0,2), the second group – patients with II degree of obesity (n=33, BMI=37,1±0,2), the third group – patients with grade III obesity (n=41, BMI=46,3±1,1) and control group were 18 healthy individuals aged from 22 to 55 years (7 men and 11 women, 36,5±0,9 years old, BMI=22,4±1,8). Maximal frequency of allelic polymorphism ε2 has been revealed in patients with I degree of obesity, and allele ε4 – in patients with III degree of obesity. The most common genotype of ApoE gene was ε3/ε3 in all three groups of patients with obesity. In a comparative analysis of allelic variants of the Apo E gene occurrence it has been found that the frequency of a polymorphic variant ε2/ε2 tended to decrease with BMI increasing, whereas a higher rate of detection of genotypes ε4/ε3, ε4/ε4 and ε2/ε4 was found in patients with III degree of obesity. The data obtained suggest that the ε4 allele of the Apo E gene is associated with the development of morbid obesity, rather than allele ε2. This phenomenon can be explained by the fact that apoE4 isoform has reduced affinity for LDL in comparison with apolipoprotein E3. The maximum concentration of cholesterol, triglycerides and LDL cholesterol has been observed in patients with ε2/ε4 genotype of ApoE gene, and it was significantly higher than in the control group (p<0,05). The content of blood lipid fractions in patients with ε3/ε4 genotype of ApoE gene, in contrast, was the lowest among obese and did not exceed the values of the control group (p>0,05). These data indicates a small contribution of ε4 polymorphism in heterozygous form to the development of dyslipidemia in obesity. The most positive effect of diet treatment was achieved in patients with genotype ε3/ε3 and ε3/ε4. An integrated approach to the assessment of lipid metabolism in patients with obesity, including the analysis of polymorphic genetic loci, can optimize and personalize the diet therapy.
Keywords:gene, LPL, obesity, AроE, polymorphism
Вопр. питания. - 2013. - № 4. - С. 4-9.
В последние годы внимание исследователей привлечено к выявлению генетических маркеров, обеспечивающих формирование фенотипических признаков организма [5]. Известно, что механизмы генной регуляции включают взаимодействия с положительными и отрицательными обратными связями, которые индуцируются посредством РНК, белков, метаболитов, ферментов и др. [1].
Существует представление о том, что развитие алиментарно-зависимых заболеваний обусловлено суммарным вкладом измененных активностей различных генов [8]. Согласно этой теории, фенотипические проявления генетического компонента в развитии данной группы заболеваний могут возникнуть при наличии провоцирующего фактора внешней среды и прежде всего макро- и микронутриентов пищи, поэтому было введено понятие "гены-кандидаты", структурные изменения которых могут быть причинно связаны с развитием того или иного заболевания. В настоящее время уже известно значительное количество генетических полиморфизмов, обусловливающих предрасположенность к такому широко распространенному в последние годы заболеванию, как ожирение [7].
Однако эти данные были получены в эксперименте и в основном касались изучения моногенных форм ожирения [6].
Анализ клинических работ по изучению генной регуляции липидного метаболизма у больных с ожирением показал чрезвычайную сложность механизмов, которые контролируют белково-метаболические взаимодействия. Так, например, липопротеинлипаза, продукт гена LPL, представляет ключевой фермент метаболизма липидов, осуществляющий гидролиз триглицеридов с образованием свободных жирных кислот, которые депонируются в жировой ткани. Данный ген кодирует полипетид длиной 475 аминокислотных остатков (рис. 1). Первый экзон кодирует 5’-нетранслируемую область, сигнальный пептид и первые 2 аминокислоты зрелого пептида. Следующие 8 экзонов кодируют остальные 446 аминокислот пептида и последний 10-й экзон содержит 3’-нетранслируемую область составом из 1948 нуклеотидов.
)
Установлено, что полиморфный вариант Ser447Ter гена LPL приводит к замене цитозина на гуанин в позиции 1595 в 9-м экзоне, что приводит к возникновению преждевременного стопкодона и удалению 2 аминокислотных остатков С-конца липопротеинлипазы. Усеченный фермент обладает повышенной активностью и определяет снижение концентрации триглицеридов и повышение концентрации липопротеидов высокой плотности (ЛПВП) в крови. По данным популяционных исследований, частота встречаемости мутантного аллеля полиморфного маркера Ser447Ter гена LPL в европейской популяции составляет 5-10% [4, 9].
Аполипопротеин Е, кодируемый геном AроE, ассоциирован с липопротеинами и опосредует их связывание с рецепторами для последующего эндоцитоза [2]. Полиморфизм гена АроЕ представлен 3 аллелями (ε2, ε3 и ε4) и фенотипически реализуется в виде 3 изоформ белка (Ε2, Ε3 и Ε4), которые имеют различное сродство к рецепторам. Изоформа аполипопротеина Е4 имеет самую низкую скорость связывания с рецепторами. Выявлена связь аллельного варианта ε4 (Cys112Arg) с повышением содержания липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) в крови, в то время как присутствие ε2 (Arg158Cys) аллеля ассоциируют со снижением уровня ЛПНП и триглицеридов. По данным масштабных популяционных исследований, частота встречаемости полиморфных маркеров Е2, Е3 и Е4 гена аполипопротеина Е в европейской популяции составляет соответственно 7, 77 и 15% [3, 10].
Однако до настоящего времени остается дискутабельным вопрос о частоте встречаемости аллельных полиморфизмов Ser447Ter гена LPL, а также ε4 и ε2 гена ApoE, определяющих характер липидного метаболизма у больных с ожирением.
Целью работы явилось изучение распределения генотипов Ser447Ter гена липазы липопротеинов LPL и полиморфных маркеров ε4 и ε2 гена аполипопротеина Е ApoE с последующей оценкой особенностей липидного обмена у пациентов с различной степенью ожирения.
Материал и методы
Были обследованы 100 больных в возрасте от 18 до 66 лет (28 мужчин и 72 женщины, средний возраст которых составил 40,6±2,1 года), находящихся на лечении в отделении профилактической и реабилитационной диетологии ФГБУ "НИИ питания" РАМН. Группу контроля составили 18 здоровых лиц в возрасте от 22 до 55 лет (7 мужчин и 11 женщин, средний возраст которых составил 36,5±0,9 года, ИМТ - 22,4±1,8), посещавшие научно-консультативное отделение клиники с целью диспансерного обследования.
Всем больным проводили физикальное и антропометрическое исследование: определяли рост, массу тела с последующим расчетом индекса массы тела (ИМТ). На основании ИМТ все больные были разделены на 3 группы: 1-ю группу составили больные с I степенью ожирения (n=26; средний ИМТ - 32,5±0,24), 2-ю группу - больные со II степенью ожирения (n=33; средний ИМТ - 37,1±0,23), 3-ю группу - больные с III степенью ожирения (n=41; средний ИМТ - 46,3±1,08).
Состояние липидного обмена оценивали по концентрациям общего холестерина (ХС), триглицеридов (ТГ), ЛПНП, ЛПВП, определенным методом турбодиметрии и спектрофотометрии на автоматическом анализаторе "ConeLab60i" (Финляндия).
Анализ полиморфных вариантов Cys112Arg (Е4) и Arg158Cys (Е2) гена ApoE проводили методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) при использовании детектирующего амплификатора "ДТ-96", амплификатора "Терцик" и детектора "Джин" фирмы "ДНКТехнология" (Россия) с наборами для ДНК диагностики, разработанными ФГУП "ГосНИИ генетики".
Обработку полученных результатов проводили с использованием пакета статистических программ SPSS (США). При анализе определяли средние значения признака (M), стандартные ошибки среднего (m), среднеквадратичные отклонения (σ).
Достоверность различий оценивали с помощью критерия Стьюдента (t) для независимых и связанных выборок при значениях вероятности р<0,05.
Различия групп расценивались как статистически значимые при р<0,05 или высокозначимые при р<0,01. Достоверность различий в частоте встречаемости генов в группах больных и здоровых лиц оценивали с помощью критерия Пирсона с достоверностью 95%. Исследование являлось открытым проспективным.
Результаты и обсуждение
При исследовании распределения полиморфного маркера Ser447Ter гена LPL обнаружено, что частота встречаемости его у пациентов с ожирением была выше, нежели в контрольной группе (p<0,05).
Принципиально важен тот факт, что у больных со II и с III степенью ожирения аллельный вариант Ser447Ter определялся с большей частотой по сравнению с общепопуляционными исследованиями. Данные многочисленных исследований свидетельствуют, что полиморфизм Ser447Ter гена LPL фенотипически реализуется в виде изоформы липопротеинлипазы с высокой активностью, обусловливающей усиление скорости гидролиза триглицеридов до глицерина и свободных жирных кислот. В свою очередь увеличение концентрации свободных жирных кислот в крови компенсируется путем активации процессов депонирования их в подкожную жировую клетчатку.
Генотипирование полиморфизма гена ApoE выявило наиболее распространенный генотип ε3/ε3 гена Apo E во всех 3 группах больных с ожирением. Этот же генотип наиболее часто был представлен в популяционной выборке (табл. 1).
При проведении сравнительного анализа аллельных вариантов гена ApoE установлено, что частота встречаемости полиморфного варианта ε2/ε2
имела тенденцию к снижению по мере увеличения ИМТ, в то время как большая частота обнаружения генотипов ε4/ε3, ε4/ε4 и ε2/ε4 была выявлена у больных с III степенью ожирения (р<0,05). Полученные данные свидетельствуют о том, что аллель ε4 гена ApoE в большей степени связан с развитием морбидного ожирения, нежели аллель ε2. Этот факт объясняется тем, что полиморфизм ε4 реализуется в виде изоформы Е4 аполипопротеина Е, обладающего сниженным сродством к рецепторам ЛПНП по сравнению с аполипопротеином Е3.
)
)
В группе больных с I степенью ожирения генотип ε2/ε2 гена ApoE идентифицирован с большей частотой, нежели в контрольной группе (р<0,05).
Проведение молекулярно-генетического анализа позволило выявить связь исследуемых полиморфных маркеров генов LPL и ApoE с уровнями липидов в крови и эффективностью диетотерапии.
Биохимическое исследование крови больных ожирением позволило установить, что концентрации липидных фракций в крови больных ожирением до проведения диетотерапии были значительно выше при наличии аллельного варианта ε2 гена ApoE, чем в контрольной группе (p<0,05).
Максимальные концентрации холестерина, триглицеридов и ЛПНП отмечались у больных, носителей генотипов ε2/ε4 гена ApoE, которые были статистически достоверно выше (табл. 2), нежели в контрольной группе (p<0,05). Содержание липидных фракций в крови у пациентов - носителей генотипа ε3/ε4 гена ApoE, напротив, было самым низким среди больных ожирением и не превышало значений контрольной группы (p>0,05), что указывает на незначительный вклад полиморфного маркера ε4 в гетерозиготной форме на развитие дислипидемии при ожирении. Наличие в генотипе аллеля ε3, вероятно, компенсирует негативное влияние аллеля ε4 на липидный обмен.
У носителей гомозиготного полиморфизма ε2/ε2 отмечены более высокие показатели триглицеридов в крови, нежели у носителей генотипа ε3/ε3 (р<0,05) (табл. 2). Полученные данные позволяют рассматривать носительство аллелей ε2 и ε4 гена ApoE в качестве прогностического фактора выраженности дислипидемии у больных с ожирением.
Вероятно, присутствие в генотипе 2 аллельных вариантов - ε2 и ε4 - обусловливает их дискоординационное влияние на метаболизм липидов, проявляющееся более высокими уровнями липидных фракций, нежели у носителей аллелей ε2 и ε4 по отдельности.
При изучении полиморфного маркера Ser447Ter гена LPL у больных с ожирением состояние липидного метаболизма характеризовалось более высокими значениями уровней холестерина, триглицеридов и ЛПНП, чем в контрольной группе (p<0,05).
Максимально выраженный положительный эффект диетотерапии достигался при генотипе ε3/ε3 и ε3/ε4 гена ApoE за счет снижения концентраций холестерина, триглицеридов, ЛПВП и ЛПНП (p<0,05).
При изучении генотипа Ser447Ter/Wt гена LPL у пациентов с ожирением статистически значимо снижались уровни холестерина и ЛПВП (p<0,01).
В настоящее время не вызывает сомнение положение о том, что взаимодействие генома, особенно его полиморфных вариантов, и метаболома - это взаимосвязанный и взаимообусловливающий процесс. С одной стороны, генетический код генерирует сигналы (транскриптомы), определяющие состав протеома, который в свою очередь инициирует каталитические факторы метаболизма.
С другой стороны, метаболом регулирует геном посредством специальных белково-метаболических взаимодействий. Следовательно, если геном и протеом рассматриваются как возможные факторы при синтезе метаболитов, то нутриенты определяют непосредственную структуру метаболических систем (рис. 2).
)
Таким образом, у больных с ожирением выявлены фенотипические различия генов LPL и ApoE, контролирующих липидный метаболизм. Регуляторный эффект полиморфных сайтов ε2 и ε4 гена ApoE проявлялся повышением общего холестерина, триглицеридов и ЛПНП. Исходя из особенностей распределения частот генотипов у пациентов с разной степенью ожирения исследованные полиморфные генотипы могут рассматриваться в комплексе с индивидуальными особенностями энергетического метаболизма, гормонального и иммунного статуса больного для создания персонифицированного подхода к проведению диетотерапии.
Литература
1. Чураев Р.Н. // Вестн. ВОГиС. - 2005. - № 2 (9). - С. 199-208.
2. Alvim R.O., Freitas S.R.S., Ferreira N.E. et al. // Lipids Health Dis. - 2010. - Vol. 9. - P. 128.
3. Arbones-Mainar J.M., Johnson L.A., Altenburg M.K. et al. // Int. J. Obes. - 2010. - Vol. 32, N 10. - P. 1595-1605.
4. Davies B.S.J., Beigneux A.P., Fong L.G. et al. // Curr. Opin. Lipidol. - 2012. - Vol. 23, N 1. - P. 35-42.
5. El-Sayed M.J.S., Froguel P. // Nat. Rev. Endocrinol. - 2013. http://www.nature.com/nrendo/journal/v9/n7/full/nrendo.2013.57.html
6. Garver W.S., Newman S.B., Gonzales-Pacheco D.M. et al. // Genes Nutr. - 2013. - Vol. 8, N 3. - P. 271-287.
7. Gonzаlez-Jimеnez E., Aguilar Cordero M.J., Padilla Lоpez C.A. et al. // Ansistsanitnavar. - 2012. - Vol. 35, N 2. - P. 285-293.
8. Hashmi S., Wang Y., Parhar R.S. et al. // Nutr. Metab. - 2013. - Vol. 10, N 1. - P. 31.
9. Huang X., Gong R., Lin, J. et al. // Biosci. Trends. - 2011. - Vol. 5, N 5. - P. 198-204.
10. Lee D.J., Kim K.M., Kim B.T. et al. // Yonsei Med. J. - 2011. - Vol. 52, N 3. - P. 429-434.
All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)
© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.