Распространенность генетических детерминант трегалазной энзимопатии в популяциях Сибири и Дальнего Востока России

Резюме

К настоящему времени установлено, что в формировании трегалазной энзимопатии значительную роль играет генотип пациента: активность фермента снижается при замене аллелей GA в локусе rs2276064 гена TREH. Для оценки распространенности этой мутации необходимы обширные популяционные исследования. Клинические наблюдения показывают, что в арктических популяциях сниженная активность трегалазы тонкой кишки встречается чаще, чем среди населения Европы.

Цель работы - анализ частот аллелей и вариантов гена трегалазы (rs2276064 TREH) в популяциях коренного малочисленного населения Сибири и Дальнего Востока России.

Материал и методы. С использованием биочипа Infinium iSelect HD Custom BeadChip на платформе iScan и методом полимеразной цепной реакции в режиме реального времени на амплификаторе Bio-Rad CFX96 Touch проведено генотипирование 1068 образцов ДНК, из которых 711 представляют 10 этносов коренных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока РФ. 2 референтные группы русских (n=311) и якутов (n=46) представляют "европеоидный" и "монголоидный" полюсы населения России.

Результаты. Детерминируемая гетерозиготным генотипом GA*TREH сниженная активность трегалазы может проявляться у 19,8-53,7% коренных северян. Выраженная мальабсорбция трегалозы у носителей генотипа AA*TREH может вызывать тошноту, боли в животе и другие диспептические явления после потребления грибов еще у 1,0-19,7%. Суммарный риск трегалазной энзимопатии в популяциях коренных северных народов азиатской части РФ очень высок и может достигать 60-70%. Показан градиент частоты аллеля A*TREH среди малочисленных народов севера России с запада (ханты, манси, ненцы) на восток (народы Дальнего Востока).

Заключение. Результаты согласуются с полученными ранее данными о повышенном носительстве мутантного аллеля A*TREH в монголоидных популяциях по сравнению с группами европеоидного происхождения. Выдвинута гипотеза, что на фоне исходной умеренно повышенной в монголоидных группах концентрации A*TREH адаптация к бедной сахарами белково-липидной "высокоширотной" диете привела к снижению контроля за поддержанием носительства предкового аллеля G*. Мальабсорбция трегалозы требует особого внимания специалистов в области нутрициологии, гастроэнтерологии, общественного здоровья, медицинской генетики, работающих в высокоширотных регионах.

Ключевые слова:коренное население Севера; генетическая изменчивость; трегалоза; непереносимость; нарушение всасывания в кишечнике; усвоение дисахаридов; трегалаза

Финансирование. Исследование выполнено в рамках исследовательской темы "Антропология евразийских популяций" (АААА-А19-119013090163-2) НИИ и Музея антропологии МГУ (медико-антропологический анализ) и Государственного задания для ФГБНУ "МГНЦ" (геногеографический анализ). Проведение биоинформатического определения частот аллелей в большинстве популяций поддержано грантом РНФ (проект № 21-14-00363).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Концепция и дизайн исследования - Козлов А.И., Балановская Е.В.; сбор, анализ материала - все авторы; написание текста - Козлов А.И., Вершубская Г.Г., Балановская Е.В.; редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи - все авторы.

Благодарности. Авторы благодарят всех доноров образцов, принявших участие в данном исследовании. Коллекция ДНК предоставлена АНО "Биобанк Северной Евразии".

Для цитирования: Козлов А.И., Вершубская Г.Г., Горин И.О., Пылев В.Ю., Балановская Е.В. Распространенность генетических детерминант трегалазной энзимопатии в популяциях Сибири и Дальнего Востока России // Вопросы питания. 2023. Т. 92, № 2. С. 53-59. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-2-53-59

Рост потребления углеводсодержащих продуктов и особенно входящих в состав сладостей ди- и полисахаридов ярко проявляется при "вестернизационных" изменениях питания коренных народов циркумполярной зоны [1-3]. Резкий сдвиг к высокоуглеводной диете у северян ведет к быстрому распространению метаболических расстройств, избыточной массы тела и ожирения, особенно среди детей [4].

В данной работе рассматривается одно из характерных для коренных популяций метаболических расстройств - трегалазная недостаточность. Как и другие дисахариды, трегалоза (микоза, или "грибной сахар"), содержащаяся в лишайниках, водорослях, лимфе насекомых, дрожжах и высших грибах, способна всасываться через стенку кишки только после расщепления на более короткие моносахариды, в данном случае 2 молекулы глюкозы, с участием специфического фермента - трегалазы, относящейся к семейству β-галактозидаз [5].

Активность трегалазы, как и других ферментов, генетически детерминирована: биохимическая активность фермента определяется носительством в локусе rs2276064 гена TREH аллелей G или A [6]. Это не означает, что чувствительность к трегалозе зависит только от генотипа, поскольку более или менее постоянное потребление содержащих "грибной сахар" продуктов способствует нарастанию штаммов активно расщепляющей этот дисахарид кишечной микрофлоры и снижает выраженность проявлений трегалазной энзимопатии. Однако при прочих равных условиях носители генотипа AA*TREH характеризуются почти в 3 раза сниженной активностью фермента (10,2 ед.) по сравнению с гомозиготами GG (29,3 ед.) при промежуточных показателях у гетерозигот AG (активность трегалазы 20,5 ед.) [7]. Учитывая специфику проявлений генотипа в фенотипе, далее мы только условно определяем генотип AA*TREH как детерминант мальабсорбции, а GA*TREH - как маркер генетически обусловленного снижения способности к усвоению трегалозы.

Предварительные оценки, основанные на очень малочисленных выборках, показали, что частота "рискового" аллеля rs2276064-А*TREH варьирует в различных популяциях [1, 5, 6]. Наши исследования образцов ДНК 1146 неродственных индивидов в 21 выборке населения России и некоторых сопредельных государств показали, что до 1% жителей европейской части РФ имеют генотип AA*TREH, а до 15% - GA*TREH. При этом частота носительства аллеля A*TREH нарастает с запада к востоку. Самые низкие частоты аллеля характерны для русских и финнов Северо-Западной Европы (0,01-0,03), с повышением до 0,07 в популяциях Центральной России и Поволжья и дальнейшим нарастанием к Южному Уралу (башкиры 0,15) и Сибири (0,19 у алтайцев, 0,30 у тувинцев и монголов). В популяциях азиатской части России (Сибирь, Алтай, Забайкалье) риск мальабсорбции (AA*TREH) составляет 12%, а сниженной активности трегалазы (GA*TREH) - 46% [8]. Учитывая генетическую, физиологическую и культурную специфику коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока России, мы вынесли за рамки указанной выше публикации рассмотрение материалов о частотах аллелей и генотипов TREH в этих аборигенных популяциях. Это связано с имеющимися в литературе указаниями на возможное своеобразие коренного населения Севера по распространенности трегалазной недостаточности. Первые сообщения о межэтнических различиях в частотах данной энзимопатии последовали именно после исследований в группе эскимосов (инуитов) Гренландии: сообщалось, что недостаточность трегалазы встречается среди инуитов на порядок чаще, чем среди европейцев: 8-10 против 0,3% [9]. Долгое время оставалось неясным, чем обусловлена такая высокая частота трегалазной энзимопатии у коренного населения Гренландии и не является ли она проявлением эндемического заболевания, обусловленного спецификой традиционного питания. Только в последние годы появились данные о существенно более высоком носительстве аллеля A*TREH в арктических популяциях Дальнего Востока [10]. Это подтвердило предположения о том, что распространенность мальабсорбции трегалозы в популяциях коренного населения Севера может быть обусловлена генетически.

Цель данного исследования - изучить географическое распределение аллелей и частот генотипов трегалазы (rs2276064 TREH) в популяциях коренного малочисленного населения Сибири и Дальнего Востока РФ.

Материал и методы

Общее число включенных в анализ образцов - 1068.

Основной массив данных получен при генотипировании 711 образцов ДНК коренных малочисленных народов Сибири и Дальнего Востока РФ: хантов (n=97) и манси (n=86) Северного Приобья, ямальских ненцев (n=116), эвенов (n=61) и эвенков (n=87) Восточной Сибири, нанайцев (n=86) и нивхов Амура (n=44), а также ительменов (n=31), коряков (n=67) и чукчей (n=36) Северной Камчатки.

Помимо перечисленных фокусных выборок в исследование были включены 2 референтные группы, помогающие оценить изменчивость частот аллелей и генотипов TREH в рамках условных "европеоидного" и "монголоидного" масштабов. В первую вошли 311 представителей русского населения умеренной климатической зоны европейской части РФ и Сибири (согласно результатам предварительного анализа, по частотам А*TREH отдельные территориальные выборки не различаются). Вторая референтная группа представлена выборкой якутов (n=46) - народа, населяющего обширные регионы континентальной и арктической части Восточной Сибири и представляющего монголоидную расовую группу.

Основная часть образцов предоставлена Биобанком Северной Евразии и собрана от неродственных между собой представителей населения, которые в 3 поколениях (включая бабушек и дедов) относили себя к данной этнической группе и происходят из одной популяции. Сбор образцов проведен на основе добровольного участия и письменного информированного согласия под контролем этической комиссии ФГБНУ "МГНЦ" (Москва, Россия).

Генотипирование образцов ДНК проведено с использованием биочипа Infinium iSelect HD Custom BeadChip (Illumina, США) на платформе iScan (Illumina, США). Использовали кастомный (индивидуального дизайна) биочип, включивший маркер активности трегалазы и ряд других генетических маркеров, для которых известны ассоциации с рядом фенотипов.

Доля успешно полученных генотипов (Call Rate), оцененная в программе Genome Studio, составила 0,99, что указывает на высокое качество генотипирования (рекомендуется признавать успешным показатель выше 0,97). Результаты генотипирования были переведены в формат PLINK и на основании данных о дизайне чипа обработаны таким образом, чтобы замены каждого маркера были указаны по положительному направлению (5’->3’) цепи ДНК и аллели совпадали с теми, которые обычно указаны в базах данных (в первую очередь наиболее широко используемой базе данных dbSNP). Затем с помощью того же программного обеспечения PLINK были рассчитаны значения частоты аллеля rs2276064*А в каждой популяции.

Кроме того, образцы ДНК русских Сибири, обских угров (хантов и манси) и ненцев были получены в рамках совместных исследований НИИ и Музея антропологии МГУ и ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России, также с получением информированного согласия на участие в исследовании.

ДНК из биологических материалов выделяли методом фенол-хлороформной экстракции. Концентрацию ДНК определяли с использованием спектрофотометра NanoDrop 2000C. Генотипирование по панели ДНК-маркеров гена TREH (rs2276064) проводили полимеразной цепной реакцией (ПЦР) в режиме реального времени на амплификаторе ПЦР "Bio-Rad CFX96 Touch" (Bio-Rad, США).

Методические отличия между анализом образцов Биобанка Северной Евразии и анализом образцов МГУ и ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России были несущественными, поскольку и ПЦР в реальном времени, и генотипирование на биочипах являются высоконадежными технологиями, что подтверждается и хорошей согласованностью полученных частот аллелей.

Расчет и последующую обработку результатов осуществляли при помощи программы Statistica 8.0 и указанных выше программ для анализа популяционно-генетических данных. При парном сравнении частот аллелей применяли критерий χ2 с поправкой на максимальное правдоподобие. При множественном сравнении вводилась поправка Бонферрони.

Результаты

Частоты аллелей и генотипов гена TREH (rs2276064) в выборках коренных народов северных регионов Сибири и Дальнего Востока и референтных группах (русские, якуты) представлены в табл. 1.

Попарное сравнение по группам показало, что по частотам аллелей A*TREH при принятом уровне статистической достоверности ряд выборок не различается (p>0,05). При наличии такого сходства антропологически близкие группы объединяли, что за счет увеличения объема позволило повысить точность сравнений на следующих этапах исследования. В результате объединенная выборка обских угров включила хантов и манси, эвены и эвенки вошли в группу аборигенов таежной зоны Восточной Сибири, а ительмены, коряки и нивхи - в сахалино-камчатскую группу народов.

Результаты сравнения частот аллеля A*TREH в укрупненных выборках представлены на рисунке. От референтной группы русских (европеоиды) все выборки коренного населения Сибири и Дальнего Востока, включая якутов, отличаются повышенным носительством A*TREH (p<0,0001). Доля носителей A*TREH в монголоидной референтной группе (якуты) равна частоте аллеля в выборке ненцев, выше (p<0,05), чем у западносибирских хантов и манси, но все остальные группы коренных народов Севера превосходят якутов по частоте носительства аллеля A*TREH (p<0,05). Достоверное (p<0,01 при последовательном попарном сравнении) нарастание частот аллеля проявляется в ряду от обских угров до объединенной группы эвенков и эвенов. Выборки народов Приамурья (нанайцы), нижнего течения Амура и Камчатки (нивхи, коряки, ительмены), а также чукчи, от коренного населения восточносибирской тайги (эвенков и эвенов) не отличаются.

Носительство "рискового" генотипа AA*TREH нарастает от 1% у обских угров до 18-20% у эвенов, эвенков и нанайцев и варьирует в пределах 10-19% у народов Нижнего Амура, Камчатки и Чукотки (см. табл. 1). Анализ распределения генотипов TREH в укрупненных группах (табл. 2) подтвердил статистическую значимость отличий обских угров от всех остальных выборок малочисленных народов Сибири (p<0,0001), ненцев - от всех групп (p<0,05), кроме чукчей. Эти результаты в целом близки к полученным при анализе распределения аллеля A*TREH (см. рисунок).

Обсуждение

Полученные данные согласуются с имеющимися материалами, характеризующими географическую и популяционно-антропологическую изменчивость детерминант генетического регулятора усвоения трегалозы - аллелей и генотипов TREH (rs2276064).

Ранее мы показали, что распространенность аллеля A*TREH в ряде этнических групп России нарастает в восточном направлении [8]. Эти предварительные наблюдения подтверждены исследованием более крупных выборок и более широким географическим охватом. Приведенные в табл. 1 и на рисунке результаты демонстрируют выраженное клинальное нарастание частот аллеля A*TREH в популяциях коренного населения северных регионов от Западной Сибири до забайкальской и приамурской тайги. То же относится и к распределению частот носительства генотипа AA*TREH (см. табл. 2).

Существенный факт, что частоты аллелей и генотипов TREH в изучаемых группах распределяются в соответствии с локализацией областей, объединяющих народы с общим происхождением. Характеристики референтных групп, русских и якутов (см. табл. 1), соответствуют показателям, установленным для родственных им европеоидов Восточной Европы (украинцев, белорусов) и центральноазиатских монголоидов (монголов, тувинцев) [8]. Также закономерно с точки зрения физической антропологии группируются частоты A*TREH в выборках, представляющих народы западносибирской (обские угры и ненцы), сибирско-амурской (эвенки, эвены, нанайцы) и чукотско-камчатско-сахалинской (нивхи, коряки, ительмены, чукчи) антропологических общностей [11]. Отметим, что указанный ряд антропологических общностей характеризуется нарастанием (с запада на восток) признаков монголоидной расовой группы. При этом, судя по скудным пока данным о распределении генетических детерминант активности трагалазы в различных регионах мира, именно монголоидные популяции отличаются высоким носительством аллеля A*TREH [7, 8, 10].

Важно также, что рассматриваемые аборигенные популяции представляют население удаленных регионов, сохранявшее традиционный образ жизни и питания вплоть до первой четверти XX в. Присущий коренным северянам комплекс адаптаций к условиям Арктики и северной тайги включал и специфические особенности метаболизма. В условиях низких среднегодовых температур и при ограниченном доступе к углеводным продуктам у северных аборигенов сложился белково-липидный тип питания, основанный на продукции оленеводства, охоты, рыболовства и морского зверобойного промысла. При крайне малом вкладе моно- и дисахаридов в традиционные диеты северян, сахаридазы играли второстепенную роль, что могло ослабить генетический контроль за поддержанием функциональной активности расщепляющих ди- и полисахариды ферментов, включая трегалазу [1, 10].

Можно предположить, что очень высокий процент носителей генотипа трегалазной недостаточности (самый высокий из зафиксированных на сегодня в мире) у коренного населения Севера и Дальнего Востока РФ обусловлен ослаблением отбора на носительство предкового аллеля G*TREH в монголоидных популяциях с изначально повышенной концентрацией мутантного аллеля A*.

Результаты популяционно-генетических исследований согласуются с данными, полученными специалистами в смежных областях. Этнографические материалы свидетельствуют, что содержащие трегалозу грибы, несмотря на их доступность и изобилие в тундровой зоне, у арктических народов от Чукотки до Кольского полуострова считались малопригодным и даже опасным продуктом и не употреблялись в пищу. В этих традиционных обществах грибы как "оленья еда" (действительно, любимый корм северного оленя Rangifer tarandus), противопоставлялись еде "настоящей", "человеческой" [1, 10]. Такое культурное размежевание "сырого и приготовленного" как один из классических этнологических сюжетов [12] в данном случае получает серьезное медико-генетическое подкрепление. Согласно нашим данным (см. табл. 1) в популяциях северян сниженная способность к усвоению трегалозы (при носительстве генотипа GA*TREH) может проявляться в 20-54%, а мальабсорбция "грибного сахара" (генотип AA*TREH), вызывающая тошноту, боли в животе и другие диспептические явления после употребления грибов, - еще у 1-20%. В такой ситуации естественно возведение обществом культурного барьера, снижающего риск неблагоприятных последствий при потреблении такого доступного местного продукта, как грибы.

В медицинском и нутрициологическом аспектах ценно, что наши результаты подтверждают данные немногочисленных пока клинических наблюдений. При гистохимических исследованиях биоптатов тонкой кишки трегалазная энзимопатия диагностировалась у коренного населения высокоширотных регионов (в частности, инуитов Гренландии) почти в 30 раз чаще, чем у европейцев - этнических датчан и шведов [9]. Согласующиеся с этими оценками популяционно-генетические материалы (см. табл. 1) свидетельствуют о необходимости проведения и расширения комплексных исследований, сочетающих клинические, гистохимические и молекулярно-генетические подходы. Это позволит получить данные для изучения эпидемиологии трегалазной энзимопатии как специфической формы заболевания в различающихся по этнической принадлежности, образу жизни и питанию группах населения.

Заключение

Популяционно-генетические исследования показывают, что риск обусловленных трегалазной энзимопатией абдоминальных расстройств у представителей малочисленных народов Севера и Дальнего Востока РФ очень высок.

Выдвинута гипотеза: на фоне исходного умеренно повышенного в монголоидных группах носительства мутантного аллеля A*TREH адаптация к бедной углеводами белково-липидной "высокоширотной" диете привела к снижению контроля за поддержанием носительства предкового аллеля G*.

Сниженная активность фермента, детерминируемая носительством генотипа GA*TREH, проявляется у 19,8-53,7% представителей популяций коренных северян и до 20% членов популяции (генотип AA*TREH) имеют риск выраженной мальабсорбции трегалозы с диспептическими явлениями после потребления трегалозосодержащих продуктов, в частности грибов. Таким образом, суммарный риск трегалазной энзимопатии в популяциях коренных северных народов азиатской части РФ может достигать 60-70%.

Полученные материалы позволяют заключить, что мальабсорбция трегалозы - недооцененная проблема, требующая особого внимания работающих в высокоширотных регионах специалистов в области нутрициологии, гастроэнтерологии, общественного здоровья, медицинской генетики.

Литература

1. Козлов А.И. Связанные с потреблением углеводных продуктов нутрициологические и генетические риски развития ожирения у коренных северян // Вопросы питания. 2019. Т. 88, № 1. С. 5-16. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10001

2. Hill C., Nash S.H., Bersamin A., Hopkins S.E., Boyer B.B., O’Brien D.M. et al. Seasonal variation in added sugar or sugar sweetened beverage intake in Alaska native communities: An exploratory study // Int. J. Circumpolar Health. 2021. Vol. 80, N 1. Article ID 1920779. DOI: https://doi.org/10.1080/22423982.2021.1920779

3. Little M., Hagar H., Zivot C., Dodd W., Skinner K., Kenny T. et al. Drivers and health implications of the dietary transition among Inuit in the Canadian Arctic: A scoping review // Public Health Nutr. 2021. Vol. 24, N 9. P. 2650-2668. DOI: https://doi.org/10.1017/S1368980020002402

4. Козлов А.И., Вершубская Г.Г. Избыточная масса и ожирение у сельских школьников российской Арктики и Севера в 1994-2019 гг. // Экология человека. 2022. Т. 29, № 5. C. 357-366. DOI: https://doi.org/10.17816/humeco105293

5. Richards A.B., Krakowka S., Dexter L.B., Schmid H., Wolterbeek A.P., Waalkens-Berendsen D.H. et al. Trehalose: A review of properties, history of use and human tolerance, and results of multiple safety studies // Food Chem. Toxicol. 2002. Vol. 40, N 7. P. 871-898. DOI: https://doi.org/10.1016/s0278-6915(02)00011-x

6. De Leusse C., Roman C., Roquelaure B., Fabre A. Estimating the prevalence of congenital disaccharidase deficiencies using allele frequencies from gnomAD // Arch. Pediatr. 2022. Vol. 29, N 8. P. 599-603. DOI: https://doi.org/10.1016/j.arcped.2022.08.005

7. Muller Y.L., Hanson R.L., Knowler W.C., Fleming J., Goswami J., Huang K. et al. Identification of genetic variation that determines human trehalase activity and its association with type 2 diabetes // Hum. Genet. 2013. Vol. 132. P. 697-707. DOI: https://doi.org/10.1007/s00439-013-1278-3

8. Козлов А.И., Балановский О.П., Вершубская Г.Г., Горин И.О., Балановская Е.В., Лавряшина М.Б. Генетически детерминированная недостаточность трегалазы в различных группах населения России и сопредельных стран // Вопросы питания. 2021. Т. 90, № 5. С. 96-103. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2021-90-5-96-103

9. Gudmand-Hoyer E., Fenger H.J., Skovbjerg H., Kern-Hansen P., Madsen P.R. Trehalase deficiency in Greenland // Scand. J. Gastroenterol. 1988. Vol. 23. P. 775-778.

10. Малярчук Б.А., Деренко М.В. Полиморфизм гена трегалазы (TREH) у коренного населения Сибири // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21, № 8. С. 964-968. DOI: https://doi.org/10.18699/VJ17.320

11. Алексеев В.П., Гохман И.И. Антропология азиатской части СССР. Москва : Наука, 1984. 208 с.

12. Леви-Строс К. Мифологики. Т. 1. Сырое и приготовленное. Москва; Санкт-Петербург : Уиверситетская книга, 1999. 406 с.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

SCImago Journal & Country Rank
Scopus CiteScore
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»