Основы фармакогенетика и экогенетика

   Многочисленные  вариации в ферментных системах, транспортных белках, антигенах и рецепторах клетки обусловливают индивидуальные особенности  метаболизма химических веществ, реакций  на биологические агенты или физические факторы, что и составляет предмет экогенетики человека.

   Концепция экогенетики человека и ее основы начали закладываться в середине 50-х годов, когда впервые были обнаружены генетически детерминированные патологические реакции на лекарства, обусловленные недостаточностью ферментов. Немецкий генетик Ф.Фогель (1959) предложил для описания таких состояний термин фармакогенетика. Накопление экспериментальных данных примеров высокой чувствительности и толерантности к лекарствам отдельных индивидов, а также молекулярная расшифровка механизмов наследственных различий трансформации лекарств и реакций на них поставили вопрос о поисках общих закономерностей наследственных различий в реакциях на внешние факторы.

   Разработка  проблем экогенетики человека ускорилась в связи с тем, что среда  обитания человека наполнилась новыми факторами (лекарства, пестициды, пищевые  добавки и др.). Ранее, в процессе всей эволюции, человек не соприкасался с такими веществами (или факторами), поэтому на действие этих веществ не было никакого отбора. Какой-либо аллель мог распространиться ранее в популяции из-за его селективных преимуществ или дрейфа, но в других условиях окружающей среды этот аллель проявляет патологическое действие. Речь идёт о таких как бы молчащих генах, которые начинают проявлять свою функцию в новых ,условиях среды. Это и называется экогенетическим действием факторов.

   Понятие о «молчащих» (или «нейтральных» генах весьма условно. Биологический или патологический эффект какого-либо аллеля зависит от воздействия специфического фактора среды.

   К настоящему времени не только сформулировано понятие  об экогенетике, но и определены основные направления и исследований в данной области. Оказалось, что наследственные различия могут проявляться в реакциях не только на лекарства, но и на физические факторы, на пищу и особенно на пищевые добавки, на загрязнения атмосферы, профессиональные вредности. Концепция экогенетики требует широкой проверки действия внешних факторов (особенно новых) с целью выявления наследственно обусловленных патологических реакций. Это явится научной основой для обеспечения адаптивной среды для каждого человека (подбор индивидуального рациона и климата, исключение отравления лекарствами, обоснование профессионального отбора и т.д.), чтобы исключить преждевременную смерть, инвалидизацию, дополнительную госпитализацию.

   Генетические  различия в реакциях на действие факторов внешней среды могут быть установлены с помощью генеалогического (семейного) анализа, 6лизнецового или популяционно-статистического метода. Как и для других разделов генетики, каждый из этих методов применительно к экогенетике имеет свои разрешающие возможности и ограничения. В выявлении новых экогенетических вариаций генотипов все методы дополняют друг друга. Кроме того, наряду с применением генетических методов нужно проводить биохимические исследования молекулярных механизмов патологических реакций (варианты ферментов, рецепторов, транспортных белков). Одновременно с генетическим анализом должны применяться токсикологические и фармакологические методы для определения концентрации различных веществ в организме и путей метаболизма этих соединений.

   При применении клинико-генеалогического метода чаще достаточно обследовать родственников 1 степени родства, но в семьях с аномальной экогенетической реакцией желательно анализировать всю родословную в нескольких поколениях. Естественно, что при изучении реакций на лекарства необходимо принимать во внимание возможные различия в действии лекарств в зависимости от пола и возраста. Это, конечно, создает некоторые дополнительные ограничения в использовании генетического метода. Однако для определения типа наследования экогенетического признака (аномальная реакция на действие фактора внешней среды) обязательно нужно использовать генеалогический метод. С помощью других методов этот вопрос решить нельзя.

   Близнецовый метод можно применять в экогенетике в классическом варианте для оценки формирования количественных (реже качественных) признаков. Этот метод хорошо испытан в фармакогенетике. С его помощью можно оценить относительный вклад средовых и наследственных факторов в вариабельность реакций на внешние факторы и подойти к разграничению полигенных и моногенных моделей наследования экогенетических признаков.

   Популяционно-статистический метод позволяет установить, однородна  ли реакция большого числа людей  на воздействие факторов внешней  среды, т.е. определяется она несколькими  генами или одним. В этом случае речь идёт об анализе характера распределения людей по их реакции на внешний фактор.

   Кривые  распределения могут быть с одной  модой или с несколькими, если в популяции имеются индивиды с аномальной реакцией и частота  таких индивидов достаточна. чтобы влиять на тип распределения, определяемого по характеру кривой .

   Естественно, если экогенетические варианты встречаются  редко, то эта аномалия не может быть выявлена с помощью популяционного метода. В этих случаях можно применять  широко распространенныйва медицине труда и эпидемиологии метод «случай—контроль», при применении которого в поле зрения попадает пробанд с патологической реакцией.

   Можно использовать ещё один вариант популяционно-статистического  метода — сравнение разных этнических групп, если последние живут в одинаковых условиях. Разная реакция этих групп на факторы окружающей среды будет свидетельствовать о её генетической обусловленности.

   Кроме описанных выше трёх генетических методов, крайне желательно разрабатывать  методы экспериментальной генетики (животные или культуры клеток) для скрининга действия профессиональных вредностей, лекарств, пищевых добавок. 

    Наследственно обусловленные  патологические реакции  на действие внешних  факторов

   Некоторые специфические мутации являются основой высокой чувствительности их носителей к определенным факторам внешней среды. Потенциально токсические факторы окружающей среды повреждают не все население, а только его часть, генетически предрасположенную к таким мутациям. Доказано, что у человека существует генетический контроль метаболизма поступающих в организм химических соединений (биотрансформации).

   Современные данные позволяют говорить о трёх фазах детоксикации ксенобиотиков, из которых первые две осуществляются с помощью генетически детерминированных ферментов.

   Во  время I фазы ксенобиотики инактивируются с образованием промежуточных электрофильных метаболитов. Если активация не будет  осуществляться по причине потери ферментативной активности мутантного продукта, то ксенобиотики будут давать отрицательный эффект сначала на клеточном, а потом и на организменном уровне.

   Активированные  ксенобиотики в форме промежуточных  электрофильных метаболитов при  контакте с другой группой ферментов (главным образом с различными трансферазами) преобразуются в  водорастворимые нетоксичные компоненты, которые могут выводиться из организма. Однако если II фаза детоксикации не состоится по причине мутантной формыфермент,. то продукты I фазы детоксикации (промежуточные электрофильные метаболиты), как и неактивные ксенобиотики, вызывают окислительный стресс, дают токсические эффекты, обусловливают мутации, рак и другие нежелательные последствия.

   На  основе многочисленных доказательств  природы экогенетических вариаций можно сделать вывод, что они  обусловлены балансированным полиморфизмом в генах ферментов, участвующих в обеих фазах детоксикации.

   III фаза  детоксикации обеспечивается работой  физиологических систем выделения  (кожа, почки,кишечник).

   Экогенетика человека изучает вариации ответов  организма различных людей на воздействие факторов среды. На основе этих фактов генетики пытаются объяснить, почему поражается только некоторая часть подвергающегося вредному воздействию населения и как индивиды различаются по адаптации к среде.

   В патологических экогенетических реакциях в широком плане твердо установлена роль следующих полиморфных локусов, участвующих (прямо или опосредованно) в биотрансформации чужеродных веществ: цитохром Р450, N-ацетилтрансфераза, пароксоназа сыворотки, холинэстераза сыворотки, глюкозо-6-фосфат, лактаза, ингибиторы протеаз. Конкретные примеры проявления их мутантных аллелей приведены ниже.

   Экогенетические реакции могут быть обусловлены  редкими мутантными аллелями, которые  вызывают патологический ответ или  идиосинкразию Однако существуют и  полиморфные системы. обусловливающие количественные вариации ответа. В этих случаях значительная часть популяции (2—50%) может реагировать различно. Экогенетические ответы могут контролироваться одним геном или несколькими. Характер сегрегации признака в потомстве в этих случаях будет соответствовать моно- или полигенным системам. Анализ сегрегации усложняется ещё и тем, что для проявления признака у носителя аллеля (или аллелей) требуется воздействие соответствующего фактора. 

    Загрязнение атмосферы

   Хорошо  известно, что загрязнение атмосферы выхлопными газами, газообразными продуктами многочисленных фабрик и заводов представляет серьёзную гигиеническую проблему глобального масштаба. Химические соединения и пылевые частицы попадают в организм через лёгкие, кожу и слизистые оболочки, вызывая определенные реакции организма. Для людей, занятых на некоторых производствах, доза (или концентрация) этих веществ намного больше. Всё это в широком понимании входит в среду обитания человека. С некоторыми из этих факторов человек соприкасается всегда, с другими — изредка. Наследственные вариации возможны в ответ на воздействие любых факторов. Часть из них уже известна генетикам.

   Наиболее  изученная мутация, обусловливающая реакцию на загрязнение атмосферы, — недостаточность α₁-антитрипсина. Этот белок сыворотки крови называют также ингибитором протеиназ. В норме его концентрация повышается при различных физиологических и патологических состояниях (беременность, воспаление, введение эстрогенов). Генетические варианты белка обнаружены во многих популяциях. Различные его формы различаются по антитрипсиновой активности и электрофоретической подвижности (аллели М, S, Z). Неактивность белка обусловлена аллелем Z (репрессивный признак). Частота гомозигот ZZ у европейцев составляет 0,05%, гетерозигот – 4,5%. Лица с наследственной недостаточностью ингибитора протеиназ, если они гомозиготны по данному признаку (генотип ZZ), чрезвычайно склонны к развитию хронических воспалительных заболеваний и эмфиземы лёгких. Последняя у таких лиц развивается в 30 раз чаще, чем в популяции после З0-40 лет, и протекает очень тяжело. Основа этой предрасположенности к эмфиземе ещё не ясна, но полагают, что антитрипсиновая система играет важную роль в ограничении воспалительного процесса. При любых, даже незначительных, повреждениях лёгочной ткани (воспаление, нарушение микроциркуляции) протеолитические ферменты вскоре начинают разрушать измененные участки. В норме включается синтез ингибитора протеиназ, который нейтрализует действие протеолитических ферментов и приостанавливает разрушение. При недостаточной продукции ингибитора протеиназ (мутантный генотип) протеолитические ферменты разрушают поврежденные участки, что и приводит к эмфиземе лёгких. Курение и запылённость воздуха существенно ускоряют развитие эмфиземы. Некоторые авторы описывают и более тяжёлые случаи проявления недостаточности ингибитора протеиназ у детей — поражение печени. Даже у лиц, гетерозиготных по гену недостаточности ингибитора протеиназ (генотип MZ), частота которых в некоторых популяциях превышает 10%, выражены патологические реакции на повышенную запылённость и курение, т.е. повышен риск эмфиземы лёгких. Следовательно, для этой группы лиц необходимо исключить влияние производственных пылевых факторов, чтобы предотвратить развитие эмфиземы лёгких. Методы определения недостаточности α₁-антитрипсина разработаны и могут применяться при профессиональных осмотрах и отборах на работу на соответствующих производствах.

   В среде  обитания человека встречается много  углеводородов, в том числе полициклических, которые в организме после гидроксилирования арилгидрокарбонгидроксилазой образуют активные эпоксиды. Эта ферментная система у человека хорошо изучена. Для человека характерна широкая вариабельность индукции синтеза того фермента. Три категории людей (с высоким, средним и низким уровнем фермента) рассматриваются как гомозиготы с высоким количеством фермента, гетерозиготы и гомозиготы — с низким. Необходимость этих сведений для понимания химического канцерогенеза очевидна, потому что эпоксиды являются активным и канцерогенными формами полициклических углеводородов. Их канцерогенная активность в сигаретном дыме зависит от относительной активности эпоксидобразующих ферментов, с одной стороны, и систем, разлагающих эпоксиды — с другой. Таким образом, эти соединения являются потенциальными мутагенами и канцерогенами. Например, до З0% больны раком легких относятся к группе с высоким уровнем фермента, а в общей популяции этот признак .встречается очень редко. Для лиц, имеющих высокий уровень индукции арилгидрокарбонгидроксилазы, ставится вопрос о прекращении курения и об исключении контакта с углеводородами в профессиональных условиях.

   Обнаружена  генетическая предрасположенность к раку мочевого пузыря. Она связана с мутациями в локусе N-ацетилтрансферазы печени. Под действием этого фермента ксенобиотики ацетилируются и выводятся из организма. По скорости ацетилирования различают три фенотипа: быстрые (гомозиготы по нормальному аллелю), медленные (гомозиготы по мутантному аллелю) и промежуточные (гетерозиготы) ацетиляторы. Рак мочевого пузыря чаще развивается у медленных ацетиляторов. Риск особенно повышается при воздействии факторов среды (курение, производство резиновых изделий, краски). 

   Пищевые вещества и пищевые  добавки

   Определённые пищевые продукты могут вызывать нежелательные реакции у генетически чувствительных индивидов. Один из наглядных примеров – непереносимость лактозы. У лиц с этим дефектом после употребления молока возникают «дискомфорт» в кишечнике и понос. Суть дефекта сводится к отсутствию выработки лактазы в кишечнике, в результате чего лактоза не расщепляется и служит хорошим субстратом для размножения гнилостной микрофлоры. Мутантные формы гена лактазы широко распространены у восточных народов (до 95—100%), среди американских индейцев и афроамериканцев (70—75%). У европейцев частота гомозигот по этим мутациям невелика (5—10%).

   Некоторые дети страдают синдромом нарушенного всасывания в связи с непереносимостью глютена (белок пшеницы и других злаков). Это заболевание называется целиакией. Дети начинают тяжело болеть, как только начинается прикорм манной кашей. Без продуктов из пшеницы (хлеб, манная каша) такие дети развиваются нормально. Близнецовым и генеалогическим методами показано значение наследственности в этих реакциях. Предрасположенность к целиакии определяется взаимодействием двух генов, ещё не расшифрованных. Интересно, что имеются сорта пшеницы, которые не вызывают патологических реакций. Они отличаются от других сортов заменой всего лишь одного или нескольких аминокислотных остатков в молекуле глютена.