Современная концепция патогенеза ГА основана на гипотезе утраты волосяным фолликулом иммунной привилегии [12; 16]. Предполагается, что в результате воздействия средовых триггерных факторов у генетически предрасположенных лиц возрастает внутрифолликулярный уровень IFN-γ [16]. Это индуцирует эктопическую экспрессию молекул MHC I класса кератиноцитами проксимальной части волосяного фолликула с последующей презентацией меланоцит- или анаген-ассоциированных аутоантигенов цитотоксическим CD8+ Т-лимфоцитам, увеличивает продукцию кератиноцитами IL-6, IL-8 и индуцирует экспрессию эпидермальными кератиноцитами молекул межклеточной адгезии 1 (ICAM-1) и HLA-DR (молекул MHC II класса), которые активируют приток CD4+ Т-лимфоцитов (Т хелперов 1 типа) с последующим выделением ими провоспалительных цитокинов IFN-γ, IL-2, IL-1β [16; 17]. Перифолликулярный инфильтрат при ГА, помимо CD4+ и CD8+ Т-лимфоцитов, содержит IFN-γ-синтезирующие NKG2D+ естественные киллеры (NK-клетки) [23] и клетки Лангерганса [28]. IFN-γ является мощным индуктором катагена [17], TNF-α, IL-1α и IL-1β ингибируют пролиферацию кератиноцитов [14], нарушают рост волосяного фолликула [13; 14]. Кроме того, при ГА имеется дисбаланс уровней провоспалительных Т-хелперов 17 типа и предотвращающих иммунный ответ на аутоантигены регуляторных CD4 + CD25 + Т-клеток со снижением количества и функциональной активности последних [23].
Понимание генетических основ восприимчивости к мультифакториальным заболеваниям предполагает раскрытие биологической роли генов с точки зрения их вовлеченности в механизмы, способные влиять на развитие болезни [19]. Известно, что в основе большинства биологических процессов лежат взаимодействия между белками. Анализ белок-белковых взаимодействий, присущих тому или иному заболеванию, является важным инструментом в установлении механизмов его развития [6]. Принимая во внимание вышеизложенное, целью исследования явился анализ белковых взаимодействий между продуктами генов, ассоциированных по данным полногеномного анализа ассоциаций с ГА.
Материалы и методы исследования
Основанием для выполнения биоинформационного анализа явилось выполненное репликативное ассоциативное исследование, результаты которого изложены в научной литературе [5]. Оно показало, что в российской популяции из восьми полиморфизмов ассоциированными с фенотипом ГА оказались только rs1024161 гена CTLA4, rs694739 гена PRDX5, rs1701704 гена IKZF4 и rs10760706 гена STX17. Учитывая, что вероятной причиной отсутствия ассоциации фенотипа ГА с остальными полиморфизмами может явиться относительно малый объем выборки (105 пациентов с ГА и 100 здоровых лиц), биоинформационный анализ был выполнен с включением всех восьми полиморфных маркеров, ассоциированных по данным GWAS с ГА. Исходными для проведения биоинформационного анализа явились данные международной базы данных Каталога опубликованных геномных ассоциативных исследований Национального института исследований генома человека (США) (The NHGRI-EBI Catalog of published genome-wide association studies) [3], были отобраны восемь однонуклеотидных полиморфизмов генов, ассоциированных по данным всегеномного анализа ассоциаций (GWAS – genom-wide association study) с ГА [23]. Они включали следующие однонуклеотидные полиморфизмы: rs9275572 (ген HLA-DQA2), rs9479482 (ген ULBP3, ULBP6), rs1024161 (ген CTLA4, ICOS), rs3118470 (ген IL2RA), rs1701704 (IKZF4), rs7682241 (IL2 – IL21), rs694739 (PRDX5), rs10760706 (STX17). Для проведения анализа взаимодействия белковых продуктов генов, ассоциированных с ГА, использован ресурс STRING (Search Tool for Retrieval of Interacting Gines/Proteins) [2] и база данных KEGG (Kioto Encyclopedia of Genes and Genomes) [1]. При проведении биоинформационного анализа введена поправка на множественные сравнения с использованием подхода False Discovery Rate (FDR) [7]. Результаты считались статистически значимыми, если скорректированная величина р-значения не превышала уровень значимости 0,01.
Результаты и их обсуждение
Проведенный анализ KEGG-путей показал, что при ГА имеет место активация Jak-STAT (Janus Kinases - Signal Transducer and Activator of Transcription) сигнального пути (hsa04630; скорректированная величина р=0,002). Это согласуется с данными зарубежных исследователей, основанными на функциональном анализе 14 генов, ассоциированных с ГА [22]. Функциональная роль этого пути состоит в передаче информации от внеклеточных сигналов с рецепторов цитокинов и интерферонов через трансмембранные рецепторы непосредственно к промоторам генов-мишеней в ядре клетки и обеспечении ответа на эти стимулы функциональной активацией клеток-мишеней [24]. Из совокупности генов, ассоциированных с ГА, участниками этого сигнального пути стали гены IL2, IL2RA, IL21. Продуктом гена IL2 является цитокин интерлейкин-2 (IL-2), продуцируемый активированными Т-клетками. IL-2 является важнейшим посредником, индуцирующим иммунологическую реакцию против волосяных фолликулов при ГА [23]. Он обладает как провоспалительными эффектами, увеличивая цитотоксическую активность IFN-γ-продуцирующих CD8+ Т-клеток и NK-клеток, так и противовоспалительными эффектами, обеспечивая поддержание популяции регуляторных Т-клеток [24]. Ген IL2RA кодирует часть рецепторного комплекса IL2, тем самым опосредуя Jak-STAT сигнальный путь, активируемый IL-2 [18], в том числе в CD4+CD25+ регуляторных Т-клетках [11]. Эти клетки играют ключевую роль в предотвращении иммунных реакций против аутоантигенов [11]. Дифференцировка регуляторных Т-клеток зависит от ранней экспрессии IL-2RА, а также фактора транскрипции Foxp3, активация экспрессии которого интерлейкином-2 является залогом эффективного подавления иммунных реакций [23]. Нарушение функциональной активности генов IL2 и IL2RA, вероятно, приводит к снижению уровня регуляторных Т-клеток, неконтролируемому накоплению активированных Т-клеток на периферии, способствуя патогенезу ГА [13]. Ген IL21, находящийся в одной хромосомной области с геном IL-2, также участвует в регуляции баланса между иммунной толерантностью и эффекторными иммунными реакциями [10; 23]. Продукт гена IL-21 обладает плейотропным действием на различные клеточные клоны, включая CD8+ Т-клетки, NK-клетки и дендритные клетки. Цитокины IL-21 и IL2, выступая в роли синергистов, стимулируют продукцию IFN-γ Т- и NK-клетками [10], но обладают функциональным антагонизмом по отношению к дифференцировке регуляторных Т-клеток, при этом IL-21 подавляет этот процесс [10; 23].
Нарушение цитокинового баланса и функциональной активности рецепторов цитокинов имеет решающее значение в развитии иммунопатологических реакций. В частности, рассмотренные выше продукты генов IL2, IL2RA, IL21, ассоциированных с ГА, вероятно, оказывают влияние на динамическое взаимодействие между иммунными клетками, способствуя поддержанию коллапса иммунной привилегии волосяного фолликула и преобладанию иммунных реакций, направленных на аутоантигены. Это объясняет то, что гены IL2, IL2RA, IL21 при анализе KEGG-путей оказались объединены еще одним сигнальным путем «Цитокин-цитокиновое рецепторное взаимодействие» (hsa04060; скорректированная величина р=0,006), активация которого свидетельствует о значимости цитокиновой регуляции в патогенезе ГА. Важно отметить, что IFN-γ реализует свои эффекты на клетки-мишени с использованием двух описанных выше сигнальных путей [1]. С влиянием IFN-γ, считающегося основным провоспалительным цитокином, связывают ряд ключевых моментов патогенеза ГА: коллапс иммунной привилегии волосяного фолликула путем усиления экспрессии молекул МНС I и II класса и молекул межклеточной адгезии 1 типа (ICAM-1, intercellular adhesion molecule-1), что делает возможным распознавание аутоантигенов волосяного фолликула с последующей атакой CD4 + и CD8 + аутореактивными цитотоксическими Т-клетками [20].
Проведенный анализ свидетельствует об активации KEGG-пути «Молекулы клеточной адгезии» (hsa04514; скорректированная величина р=0,002), участниками которого явились продукты генов HLA-DQA2, CTLA4, ICOS, вовлеченные в антиген-специфический иммунный ответ. Известно, что в здоровой коже экспрессия молекул МНС II класса на кератиноцитах волосяного фолликула отсутствует [13; 15], кроме того, немногочисленные клетки Лангерганса (антигенпрезентирующие клетки) в проксимальной части волосяного фолликула функционально неполноценны [20]. Возрастание внутрифолликулярного уровня IFN-γ приводит к увеличению количества клеток Лангерганса [9; 29] и аберрантной экспрессии молекул ICAM-1, МНС I и II класса на кератиноцитах волосяного фолликула [13]. С одной стороны, увеличение экспрессии MHC II класса может в целом предрасполагать к развитию аутоиммунных реакций с помощью различных механизмов: путем изменения репертуара Т-клеточных рецепторов в процессе их дифференцировки в тимусе, влияя на выживаемость Т-клеток, изменяя секрецию цитокинов [8]. С другой стороны, экспрессия молекул MHC II класса на кератиноцитах волосяных фолликулов и клетках Лангерганса может приводить к активации Т-клеток в перифолликулярной области. Известно, что CD4+ Т-клетки – клеточный клон, способный распознавать МНС II класса. Возможно, при ГА молекулы МНС II класса HLA-DQA2, экспрессирующиеся на поверхности кератиноцитов волосяного фолликула и антигенпрезентирующих клетках (клетках Лангерганса), активируют CD4+ Т-клетки [21]. Процесс активации CD4+ Т-клеток обусловлен связыванием Т-клеточного рецептора (ТКР) с антигеном, презентированным в комплексе с молекулами MHC II класса и взаимодействием костимулирующих рецепторов – Т-клеточного рецептора (CD28) и индуцируемого Т-клеточного костимулятора (ICOS), и коингибирующего рецептора CTLA4 (cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, белок 4, ассоциированный с цитотоксическими Т-лимфоцитами) с их лигандами на поверхности антигенпрезентирующих клеток [25]. Взаимодействие костимулирующих Т-клеточных рецепторов с лигандами антигенпрезентирующих клеток увеличивает антиген-специфическую пролиферацию CD4+ Т-клеток, усиливает выработку цитокинов, индуцирующих созревание эффекторных CD8+ Т-клеток [27], способствует выживанию Т-клеток, и, напротив, взаимодействие их с белком CTLA4 ингибирует пролиферацию Т-клеток [25]. Вероятно, полиморфизм генов CTLA4 и ICOS, ассоциированных с ГА, приводит к дерегуляции функциональной активности Т-клеток и поддержанию аутоагрессии против волосяных фолликулов. В процессе антиген-специфического иммунного ответа механическое взаимодействие между клетками обеспечивают молекулы клеточной адгезии [1]. Это объединяет белки, кодируемые генами HLA-DQA2, CTLA4 и ICOS, участвующими в аутоиммунном процессе при ГА, одним сигнальным путем «Молекулы клеточной адгезии» (hsa04514).
В результате проведенного анализа KEGG-путей выявлен сигнальный путь Т-клеточного рецептора (hsa04660; скорректированная величина р=0,0009). В него вовлечены гены CTLA4, ICOS и IL2. Аберрантная Т-клеточная сигнализация является основой развития аутоиммунных заболеваний [26]. Как показано выше, исходным для активации Т-клеток является антиген-специфический сигнал, возникающий при связывании Т-клеточного рецептора (ТКР) с комплексом, состоящим из молекулы МНС и пептидного антигена, модулируемый в дальнейшем сигнализацией с корецепторов [26], в том числе кодируемых генами CTLA4 и ICOS. Указанные рецепторные взаимодействия инициируют ряд сигнальных каскадов, которые регулируют общие и специализированные функции Т-клеток (пролиферацию, продукцию цитокинов, дифференцировку в эффекторные клетки) [1]. Продукт гена IL2 является фактором роста Т-клеток [24], участвует в регуляции пролиферации CD4+ и CD8+ Т-лимфоцитов [4], кроме того, антиген-индуцированный иммунный ответ Т-клеток критически регулируется взаимодействием IL2 с высокоаффинным рецепторным комплексом IL-2R [18]. Функциональная роль IL2, вероятно, обусловила участие этого гена в сигнальном пути Т-клеточного рецептора.
Вовлеченность генов ULBP3/ULBP6, IKZF4, STX17 и PRDX5 в какие-либо метаболические пути в настоящем исследовании не установлена.
В физиологических условиях кератиноциты волосяного фолликула человека не экспрессируют кластер генов ULBP (белок, связывающий антиген UL-16 цитомегаловируса). Однако при ГА экспрессия этих белков, в частности ULBP3, значительно возрастает [23]. ULBP3 является лигандом для рецептора натуральных киллеров группы 2, представителя D (NKG2D, natural killer group 2 member D). Установлено, что аутоиммунная деструкция волосяных фолликулов при ГА обусловлена CD8+ Т-клетками и естественными киллерами (NK-клетками) [12], которые привлекаются в волосяной фолликул с помощью NKG2D-активирующего лиганда.
Белковый продукт гена IKZF4 является членом семейства цинк-пальцевых транскрипционных факторов Ikaros [23]. IKZF4 экспрессируется в лимфоцитах и участвует в регуляции развития лимфоидных клеток. Он играет ключевую роль в качестве репрессора экспрессии генов [28]. Регуляторные Т-клетки, как известно, поддерживают иммунологическую аутотолерантность и иммунный гомеостаз путем подавления аберрантных иммунных реакций. Возможно, что изменение функциональной активности гена IKZF4 может играть роль в аутоиммунных реакциях.
Ген STX17 кодирует белок, принадлежащий к надсемейству SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor accessory-protein receptor, растворимые белковые рецепторы прикрепления N-этилмалеимид-чувствительного фактора). Это группа белков, участвующих в слиянии внутриклеточных мембран, везикулярном транспорте и осуществляющих процесс аутофагии путем слияния мембран аутофагосом с мембраной лизосом. Ассоциации с какими-либо заболеваниями человека, помимо ГА, установлены не были [23]. Его роль в патогенезе ГА еще предстоит определить.
Продуктом гена PRDX5 является внутриклеточный антиоксидантный фермент PRDX5 [23], относящийся к семейству ферментов пероксиредоксинов, ответственных за преобразование активных форм кислорода в безвредные побочные продукты и, кроме того, модуляцию Н2О2-зависимых сигнальных путей, активирующих рецепторы цитокинов и факторов роста. PRDX5 экспрессируется во многих тканях, в том числе волосяных фолликулах, и индуцируется в условиях клеточного стресса [23]. Активация экспрессии PRDX5 может способствовать выживанию аберрантных клеток, способных презентировать аутоантигены иммунной системе и способствовать возникновению аутоиммунного процесса.
Таким образом, проведенный биоинформационный анализ, основанный на данных полногеномного анализа ассоциаций, показал, что в патогенезе ГА принимают участие «Сигнальный путь Т-клеточного рецептора» (hsa04660), в который вовлечены белковые продукты генов CTLA4, ICOS и IL2; сигнальный путь «Молекулы клеточной адгезии» (hsa04514) с вовлечением белковых продуктов генов HLA-DQA2, CTLA4 и ICOS; «Jak-STAT сигнальный путь» (hsa04630) и сигнальный путь «Цитокин-цитокиновое рецепторное взаимодействие» (hsa04060), в каждом из которых принимают участие белковые продукты генов IL2RA, IL2 и IL21. Дальнейшие исследования, направленные на поиск молекулярных путей, участвующих в патогенезе ГА, будут способствовать разработке эффективных фармакотерапевтических подходов.
Библиографическая ссылка
Николаева Т.В. ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ГНЕЗДНОЙ АЛОПЕЦИИ ПО ДАННЫМ БИОИНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=26060 (дата обращения: 07.10.2024).