Генетика: подсказки в коде

27.01.2018

Исследование генов обеспечивает неожиданное понимание воспалительного заболевания кишечника и приближает ученых к поиску методов лечения, направленных на биологические механизмы.

Николас Фолькер впервые разработал симптомы воспалительного заболевания кишечника (IBD) незадолго до своего второго дня рождения. Случаи детства этой болезни кишечника часто бывают серьезными, но даже по этому стандарту случай Николаса был экстремальным. В течение следующих трех лет его родители и врачи смотрели беспомощно, когда раны открывались на его животе и просачивались фекалиями. Врачи не могли ничего сделать, поскольку лечение было после неудачного лечения, и Николас перенес сепсис, мучительную боль и более 100 хирургических процедур.

В 2009 году генетик Говард Джейкоб, затем в Медицинском колледже Висконсина в Милуоки, и его команда упорядочили геном Николая в последней попытке найти причину его симптомов и, как они надеялись, спасти его жизнь. Команда обнаружила, что у Николаса была мутация в гене XIAP , которая ранее была связана с иммунодефицитом. Врачи выполнили трансплантацию пуповинной крови, давая Николаю дополнение к стволовым клеткам, которые формируют иммунные клетки с интактным XIAP , и симптомы его кишки вскоре впадают в ремиссию. Его случай часто рекламируется как первый пример человека, излеченного от любого состояния в результате секвенирования ДНК.

Педиатрический IBD, как полагают, преимущественно обусловлен генетическими факторами. Исследователи выявили около 50 генов, которые при мутации могут вызвать симптомы IBD у маленьких детей. Многие из них, такие как XIAP , также связаны с иммунодефицитом. У большого числа самых молодых пациентов IBD можно рассматривать как редкое одноцепочечное расстройство.

У взрослых изображение намного сложнее - чистое исправление не является вариантом. За последние 15 лет исследования генетики IBD выявили около 200 геномных горячих точек, которые влияют на риск болезни Крона или язвенного колита, двух основных форм IBD (см. Стр. S98 ). Но до сих пор эта информация имела мало клинического эффекта.

«Геномные горячие точки - это флаги, размахивающие в разных регионах генома».

«Это флаги, размахивающие в разных регионах генома, - говорит Сара Эннис, которая возглавляет группу Genomics Informatics в Университете Саутгемптона, Великобритания. «Но они не очень полезны для консультанта, сидящего с пациентом перед ним или ей». Эти генетические флаги предоставили ключи к основным механизмам IBD и выявили удивительные подгруппы в спектре IBD, связи с другими условиями и возможные целевые показатели. Теперь проблема, как говорят Эннис, заключается в применении этих знаний для улучшения жизни пациентов.

Такая же разница

Однако эту задачу сложно встретить. У взрослых IBD представляет собой сложную смесь факторов экологического риска, которые сами по себе не полностью поняты, и генетические факторы, которые имеют различный эффект (см. Стр. S100 ). Явная картина, которая возникла, заключается в том, что самые сильные генетические факторы риска, как правило, специфичны для болезни Крона или язвенного колита. Эти различия свидетельствуют о механизмах, лежащих в основе каждого заболевания, и, как мы надеемся, будут информировать о новых подходах к лечению.

Самый большой игрок в болезни Крона - это ген под названием NOD2 , важная часть врожденной иммунной системы - набор неспецифических механизмов, которые обеспечивают первую линию защиты организма от инфекции. Роль NOD2 была раскрыта в 2001 году, когда две независимые группы исследователей проследили наследование проблем кишечника в семьях, затронутых заболеванием 1 , 2 . «Это было первое крупное понимание, появившееся после обнаружения генов, и это действительно способствовало следующему десятилетию иммунологических исследований болезни Крона», - говорит Чарли Лиз, гастроэнтеролог из Университета Эдинбурга, Великобритания. Прогресс также вызвал всплеск исследований в области генетики IBD более широко.

Последующие исследования подтвердили связь между NOD2 и болезнью Крона, но обнаружили лишь слабую связь с язвенным колитом. Autophagy, процесс, с помощью которого клетки обрабатывают и деградируют внутриклеточные бактерии и клеточные компоненты, также замешаны только при болезни Крона. Эти данные свидетельствуют о том, что это состояние может быть вызвано аномальным иммунным ответом на микробиоту, сообщество бактерий, обитающих в наших кишках.

Для язвенного колита эта связь, по-видимому, связана с вариациями генов, связанных с поддержанием целостности и функции подкладки пищеварительного тракта, что указывает на то, что это заболевание может быть вызвано неадекватным барьером или «негерметичной кишкой». Вариации в наборе генов из семейства генов лейкоцитарного гена человека (HLA класс II), которые участвуют в тонкой настройке иммунной системы и помогают распознавать белки, производимые иностранными захватчиками, также вносят важный вклад в риск язвенного колита , но слабо связаны с болезнью Крона. Это говорит о том, что может быть внешний триггер для язвенного колита, аналогичный роли, которую имеет клейковина в целиакии, говорит Андре Франке, директор Института клинической молекулярной биологии в Кильском университете в Германии.

Разделение болезни

Генетические исследования также бросают вызов идее о том, что IBD можно разделить на два основных заболевания - Crohn's, которые могут влиять на любую часть пищеварительного тракта и язвенный колит, который влияет только на толстую кишку. В январе Lees и его коллеги сообщили, что определенные гены определяют, где в кишечнике IBD вызывает воспаление, и что генетическое различие дает другой способ классификации IBD 3 . «Мы обнаружили, что это место болезни выделило IBD гораздо более естественно на три основных типа заболевания, а не только на два», - говорит Лис. «Болезнь Крона с маленькой кишечником была отличной от болезни толстой Крона, как от язвенного колита».

Любопытно, что классификация трех заболеваний - это то, как врачи думали о IBD полвека назад, но вместо того, чтобы эта система была заменена продвижением в биологическом понимании, она, кажется, неуклонно выходила из-под контроля, говорит Лис. По-прежнему существует существенное генетическое перекрытие между тремя группами, поэтому анализ не сразу клинически применим. Но результаты показывают, что просто сортировать людей либо с болезнью Крона, либо с язвенным колитом может быть недостаточно, чтобы определить наилучшее лечение для них.

Поскольку в IBD участвует очень много генов, связанных с иммунной системой, исследователи ищут генетические связи с другими воспалительными и аутоиммунными заболеваниями. Считается, что около 70% генетических локусов, которые вносят вклад в восприимчивость к IBD, делятся с другими сложными заболеваниями, такими как анкилозирующий спондилоартрит.

Возможно, самая удивительная связь, которую вызвали генетические исследования, заключается в том, что между IBD и восприимчивостью к микобактериям - группа, которая включает патогены, вызывающие туберкулез и прозу. NOD2 и примерно дюжина других генетических факторов, связанных с IBD, особенно болезнь Крона, также связаны с восприимчивостью к туберкулезу и проказа. Существуют две основные идеи о биологических механизмах, лежащих в основе этой связи.

Возможно, что некоторые генетические варианты повышают восприимчивость к проказе, а также увеличивают риск заболевания Крона. «Я считаю, что болезнь Крона - это иммунодефицит», - говорит Франке. У людей, восприимчивых к проказе, иммунная система игнорирует бактерии и позволяет заразить инфекцию. Аналогично, Франке объясняет, что этот дефицитный иммунный ответ может позволить нормальным кишечным бактериям проникать в стенку кишечника и вызывать воспаление, наблюдаемое при болезни Крона.

Или связь может работать наоборот: некоторые генетические варианты могут принести устойчивость к проказе, но по совпадению увеличивают риск заболевания Крона. Поддержка этой гипотезы исходит из того факта, что некоторые из вариантов, которые повышают восприимчивость к IBD, настолько распространены - присутствуют у 20-50% людей в некоторых популяциях, - что многие ученые считают, что они, должно быть, принесли какое-то эволюционное преимущество в прошлом.

Прекрасная карта

Многие из этих генетических исследований в IBD были получены из исследований генома (GWAS), которые сканируют геномы большого числа людей с заболеванием и сравнивают определенные генетические маркеры с контрольными группами. GWAS были необычайно успешными в IBD, отчасти из-за необычайно большого и хорошо скоординированного Международного консорциума инфекционных заболеваний кишечника. «Во всем мире у нас есть, вероятно, сотни клиницистов, которые вносят в эти исследования свои собственные наборы данных и образцы и пациентов», - говорит Майлз Паркс, гастроэнтеролог из Университета Кембриджа, Великобритания, и член консорциума. Некоторые из крупнейших анализов охватили более 75 000 пациентов.

GWAS - это мощный подход - практический способ найти маркеры для риска заболевания через обширный человеческий геном, но у них есть свои недостатки. Например, генные чипы (слайды, содержащие известные последовательности, которые используются для быстрого сканирования ДНК для вариаций) основаны на европейской генетике. Но, как полагают, разные этнические группы имеют отдельные комплекты генов, которые ставят их под угрозу. Например, варианты NOD2 мало участвуют в японском и корейском людях с болезнью Крона. И исследование более чем 2300 афроамериканцев с IBD обнаружило 2 генетических маркера, связанных с язвенным колитом, которые не были замечены у людей европейского происхождения 4, Европейские чипы усложняют усилия по выявлению генов, наиболее важных в различных этнических группах. И GWAS для IBD до сих пор занимали непропорциональное число лиц европейской родословной.

Более того, GWAS просто идентифицирует локусы - положения в геноме - не сами гены, не точные мутации. Само по себе, GWAS напрямую не освещают биологические механизмы заболевания, которые могут трансформироваться в клинические применения.

Исследователи добиваются прогресса в выявлении конкретных генов, повышающих риск развития ИББ. Например, провоспалительная молекула интерлейкина-23 (IL-23) и другие белки в сигнальном пути неоднократно выскакивают как игроки как при болезни Крона, так и в язвенном колите. Действительно, несколько фармацевтических компаний имеют кандидатов на лекарства в клинических испытаниях, нацеленных на путь IL-23. Многие из наиболее перспективных процедур IBD в трубопроводе связаны с биохимическими путями, выделенными исследованиями в области генетики, говорит Паркс.

Тем не менее, более полная картина конкретных генов и вариантов, необходимых для продвижения новых методов лечения для IBD вперед. И эта картина может скоро развиться. Международный консенсус по инфекционным болезням кишечника недавно завершил трехлетнюю «тонкую картографию», которая выявила 45 конкретных генетических вариантов, которые способствуют болезни. Данные показывают, что некоторые из этих вариантов лежат вне кодирующих и регуляторных областей генов - в частях генома, которые не имеют известной функции 5 .

Разработка того, как эти изменения способствуют болезни, станет серьезной проблемой, но захватывающей. «Очевидно, существует огромное количество новой биологии, ожидающей обнаружения», - говорит Паркс.