Allelic variants of folate metabolism genes among students in Arctic Russia

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Фолатный обмен является важным физиологическим процессом поддержания гомеостаза и представляет собой сложный каскадный процесс реметилирования гомоцистеина в метионин с участием ферментов и витаминов группы В (фолиевой кислоты и кобаламина) [1]. К ферментам фолатного цикла относятся тетрагидрофолатредуктаза (MTHFR), метионинсинтаза (MTR) и метионинсинтаза редуктаза (MTRR) [2]. Известно, что нарушение фолатного обмена приводит к накоплению гомоцистеина в плазме крови и, как следствие, — к развитию патологического состояния гипергомоцистеинемии [3, 4]. Гомоцистеин — аминокислота, которая содержит серу, не принимает участия в синтезе белков, обладает выраженной цитотоксичностью и является промежуточным продуктом метаболизма между метионином и цистеином [5, 6]. Известно, что состояние гипергомоцистеинемии, возникшее в результате нарушения фолатного обмена, играет важную роль в формировании эндотелиальной дисфункции, которая в свою очередь является триггером развития неблагоприятных сосудистых событий [7, 8]. Одним из определяющих факторов, приводящих к нарушению обмена фолатов, являются аллельные варианты генов, детерминирующих состояние фолатного цикла [2, 9].

Ранее было показано, что в сочетании с немодифицирующими генетическими факторами риска предикторами развития заболеваний сердечно-сосудистой системы выступают и внешние факторы, один из которых — пребывание человека в северных широтах, характеризующихся крайне дискомфортными природно-климатическими условиями [10–12]. В связи с этим изучение фенотипических и генотипических основ регуляции фолатного обмена у различных этнических групп, временно или постоянно проживающих в условиях арктического региона РФ, актуально как для фундаментальной, так и клинической медицины.

Цель исследования. Анализ распространённости аллельных вариантов генов фолатного обмена у русских и индийских студентов, обучающихся в арктическом регионе России.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Проведено одномоментное исследование на выборке этнических индийцев, обучающихся на международном факультете врача общей практики ФГБОУ ВО «Северный государственный медицинский университет» (СГМУ) и проживающих на территории города Архангельска, и русских — уроженцев Архангельской области, студентов различных факультетов СГМУ. Исследование выполнено на базах кафедры клинической фармакологии и фармакотерапии СГМУ и лаборатории ГБУЗ АО «Первая городская клиническая больница им. Е.Е. Волосевич» (Архангельск).

Критерии включения в исследование: здоровые добровольцы обоих полов в возрасте от 18 до 44 лет; этнические индийцы и этнические русские по самоидентификации субъектов и их родителей (третье поколение включительно как со стороны матери, так и со стороны отца); письменное добровольное информированное согласие на участие в исследовании. Критерием исключения служил отказ от участия на любой стадии исследования.

В эпидемиологическое исследование включено 312 студентов, из них 117 этнических индийцев и 195 русских участников. Проведено анкетирование участников и лабораторное молекулярно-генетическое исследование генов, детерминирующих состояние фолатного обмена, методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) в режиме реального времени. Исследование одобрено локальным этическим комитетом Северного государственного медицинского университета (протокол № 01/02-23 от 15.02.2023).

Генотипирование однонуклеотидных полиморфных аллельных вариантов генов фолатного цикла выполнено методом ПЦР в режиме реального времени с использованием реагентов «РеалБест-Генетика Гемостаз (12)» (АО «Вектор-Бест», Россия) на базе лаборатории Первой городской клинической больницы им. Е.Е. Волосевич» г. Архангельска. Проведено исследование полиморфных вариантов генов фолатного обмена: MTHFR 677 C>T (rs1801133), MTHFR 1298 A>C (rs1801131), MTR 2756 A>G (rs1805087), MTRR 66 A>G (rs1801394).

Статистическую обработку данных, полученных в ходе исследования, проводили методами описательной и аналитической статистики с использованием языка программирования R 4.2.3 в программе Rstudio 1.2.5019. Характер распределения данных оценивали с помощью критерия Шапиро–Уилка. Считали, что распределение данных отличается от нормального (распределения Гаусса) при значении статистического уровня значимости (р) менее 0,05. Для описания полученных данных, распределение которых не отличалось от распределения Гаусса, использовали среднее арифметическое (М) и стандартное отклонение (σ) в формате М±σ. Данные, распределение которых отличалось от распределения Гаусса, представлены в виде медианы (Me), первого (Q1) и третьего (Q3) квартилей.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В исследовании приняло участие 312 студентов, из них 117 индийских и 195 русских участников. По половой принадлежности в выборке индийцев участники распределились следующим образом: доля женщин составила 38,5% (n=45), мужчин — 61,5% (n=72). Возраст индийских участников — Мe=21 [20; 24]. Выборка этнических русских состояла из 152 женщин и 43 мужчин, возраст обследуемых — Me=22 [22; 24]. В ходе исследования участников разделили на две группы: группа русского этноса и группа индийского этноса. Исходя из цели исследования проведён анализ распространения генетических маркёров, детерминирующих фолатный обмен (табл. 1, 2). Расчёт частоты аллельных вариантов генов рассчитывали по формуле Харди–Вайнберга [13].

 

Таблица 1. Распределение аллельных вариантов генов фолатного обмена в группе этнических индийцев (n=117)

Table 1. Distribution of the allelic variants of folate metabolism genes in the group of ethnic Indians (n=117)

Исследуемый ген Gene	Аллельный вариант Allele	Частота генотипа, % (n) Genotype frequency, % (n)	95% ДИ 95% CI	Частота аллеля, % Allele frequency, %	χ2 при расчёте равновесия Харди–Вайнберга χ2 when calculating the Hardy–Weinberg equilibrium
MTHFR 677 C>T rs1801133	СС СТ ТТ	85 (99) 15 (18) 0 (0)	77–90 10–23 0	С=92,3 Т=7,7	0,8125
MTHFR 1298 A>C rs1801131	АА АС СС	39 (46) 49 (57) 12 (14)	31–48 40–58 7–19	А=63,8 С=36,3	0,3304
MTR 2756 A>G rs1805087	АA AG GG	50 (59) 41 (48) 9 (10)	42–59 33–50 5–15	А=70,9 G=29,1	0,0029
MTRR 66 A>G rs1801394	АA AG GG	21 (25) 48 (56) 31 (36)	15–30 39–57 23–40	А=45,3 G=54,7	0,1368

 

Таблица 2. Распределение аллельных вариантов генов фолатного обмена в группе этнических русских, n=195

Table 2. Distribution of the allelic variants of folate metabolism genes in the group of ethnic Russians, n=195

Исследуемый ген Gene	Аллельный вариант Allele	Частота генотипа, % Genotype frequency, % (n)	95% ДИ 95% CI	Частота аллеля, % Allele frequency, %	χ2 при расчёте равновесия Харди–Вайнберга χ2 when calculating the Hardy–Weinberg equilibrium
MTHFR 677 C>T rs1801133	СС СТ ТТ	55 (n=107) 38 (n=74) 7 (n=14)	44,74–64,37 28,79–47,94 3,62–14,44	C=73,7 T=26,3	0,0496
MTHFR 1298 A>C rs1801131	АА АС СС	35 (n=68) 54 (n=105) 12 (n=22)	25,93–44,74 43,71–63,37 6,59–19,56	A=61,6 C=38,4	1,7193
MTR 2756 A>G rs1805087	АA AG GG	61 (n=119) 34 (n=66) 5 (n=10)	51,0–70,25 24,98–43,66 2,27–11,73	A=77,9 G=22,1	0,0455
MTRR 66 A>G rs1801394	АA AG GG	22 (n=43) 48 (n=94) 30 (n=58)	14,94–31,44 38,63–58,33 21,25–39,29	А=46,3 G=53,7	0,0657

 

По результатам проведённого анализа выявлено, что частота встречаемости аллеля Т гена MTHFR (rs1801133) в группе этнических индийцев составляла 7,7% (гетерозиготное носительство полиморфного аллельного варианта зарегистрировано в 15,0%), при этом гомозиготное носительство в исследуемой группе не наблюдалось. Частота встречаемости альтернативного (полиморфного) аллеля гена MTHFR (rs1801131) составила 36,3% (гетерозиготное и гомозиготное носительство минорных аллельных вариантов — 49,0 и 12,0% соответственно). Распространение аллеля G гена метионинсинтазы (rs1805087) в выборке составило 29,1%, удельный вес гетерозиготного варианта — 41,0%, гомозиготного — 9,0%. Альтернативный аллель G гена MTRR (rs1801394) встречался с частотой 54,7%, при этом 48,0% индийских студентов являлись носителями гетерозиготного и 31,0% — гомозиготного генотипа.

В группе русских студентов носительство вариантного аллеля Т гена MTHFR (rs1801133) составило 26,3% (гомозиготный вариант по аллелю Т отмечен у 7,0% лиц, а гетерозиготный — у 38%). Cреди русских, так же, как и в выборке индийцев, самым распространённым явился аллельный вариант гена MTRR 66 (rs1801394): частота аллеля G в группе составила 53,68%, гомозиготные носители вариантного аллеля G — 30%, а гетерозиготные — 48%.

Следующим этапом исследования стал сравнительный анализ частот распространения аллельных вариантов генов фолатного обмена в двух исследуемых группах. Получены статистически значимые различия по частоте распространения аллеля Т гена MTHFR (rs1801133), р=0,001. Так, в группе русских студентов частота встречаемости аллеля Т составила 26,3%, в группе индийцев — 7,7%. По распространению остальных полиморфных вариантов генов фолатного цикла (rs1801131, rs1805087, rs1801394) статистически значимых различий в группах не выявлено.

Сравнительный анализ распространения вариантных аллелей в изучаемых генах MTHFR (rs1801133, rs1801131), MTR (rs1805087), MTRR (rs1801394) в различных этнических группах, по данным нашего и других исследований, представлен в табл. 3–5 [14–17].

 

Таблица 3. Сравнение частот аллеля Т гена MTHFR (rs1801133) в некоторых популяциях мира [14] с исследуемыми этническими группами студентов

Table 3. Comparison of the frequencies of the T allele of the MTHFR gene (rs1801133) in [14] with the studied ethnic groups of students

Популяции мира World populations	Группа этнических индийцев (n=117) аллель Т=7,7% Ethnic Indian group (n=117) allele T=7.7%		Группа этнических русских (n=195) аллель Т=26,3% Ethnic Russian group (n=195) allele T=26.3%
	р	χ2	р	χ2
Популяция Южной Азии (n=5226), аллель Т=16,7% South Asian population (n=5226), T allele=16.7%	0,083	3,456	0,138	2,111
Популяция Восточной Азии (n=3184), аллель Т=38,6% East Asian population (n=3184), T allele=38.6%	<0,001	13,125	0,088	3,51
Европейская популяция (n=322 326), аллель Т=34,9% European population (n=322,326), T allele=34.9%	<0,001	12,324	0,244	1,987
Африканская популяция (n=11 720), аллель Т=12,1% African population (n=11,720), T allele=12.1%	0,42	0,64799	0,017	10,06

 

Таблица 4. Сравнение частот аллеля С гена MTHFR (rs1801131) в некоторых популяциях мира [15] с исследуемыми этническими группами студентов

Table 4. Comparison of frequencies of allele C of the MTHFR gene (rs1801131) in some populations of the world [15] with the studied ethnic groups of students

Популяции мира World populations	Группа этнических индийцев (n=117) аллель Т=36,3% Ethnic Indian group (n=117) allele T=36.3%		Группа этнических русских (n=195) аллель Т=38,4% Group of ethnic Russians (n=195) allele T=38.4%
	р	χ2	р	χ2
Популяция Южной Азии (n=5058), аллель С=41,0% South Asian population (n=5058), C allele=41.0%	0,55	0,495	0,819	0,124
Популяция Восточной Азии (n=676), аллель С=21,4% East Asian population (n=676), C allele=21.4%	0,03	7,851	0,013	10,561
Европейская популяция (n=211 780), аллель С=31,3% European population (n=211,780), C allele=31.3%	0,58	0,511	0,363	0,987
Африканская популяция (n=11 466), аллель С=16,9% African population (n=11,466), C allele=16.9%	<0,001	12,786	0,001	11,675

 

Таблица 5. Сравнение частот аллеля G гена MTR (rs1805087) в некоторых популяциях мира [16] с исследуемыми этническими группами студентов

Table 5. Comparison of the frequencies of the G allele of the MTR gene (rs1805087) in some populations of the world [16] with the studied ethnic groups of students

Популяции мира World populations	Группа этнических индийцев (n=117) аллель Т=29,1% Ethnic Indian group (n=117) allele T=29.1%		Группа этнических русских (n=195) аллель Т=22,1% Ethnic Russian group (n=195) allele T=22.1%
	р	χ2	р	χ2
Популяция Южной Азии (n=5238), аллель G=30,3% South Asian population (n=5238), allele G=30.3%	0,98	0,092	0,25	0,721
Популяция Восточной Азии (n=5012), аллель G=10,8% East Asian population (n=5012), allele G=10.8%	<0,001	13,213	0,05	8,112
Европейская популяция (n=325 792), аллель G=18,9% European population (n=325,792), allele G=18.9%	0,127	2,927	0,70	0,323
Африканская популяция (n=12 396), аллель G=26,6% African population (n=12,396), allele G=26.6%	0,813	0,121	0,57	0,501

 

Сравнение частоты минорного аллеля G гена MTRR (rs1801394) демонстрирует статистические значимые отличия в популяциях Африки и Восточной Азии и в исследуемых нами группах (р <0,001) (табл. 6).

 

Таблица 6. Сравнение частот аллеля G гена MTRR (rs1801394) в некоторых популяциях мира [17] с исследуемыми этническими группами студентов

Table 6. Comparison of the frequencies of the G allele of the MTRR gene (rs1801394) in some populations of the world [17] with the studied ethnic groups of students

Популяции мира World populations	Группа этнических индийцев (n=117) аллель Т=54,7% Ethnic Indian group (n=117) allele T=54.7%		Группа этнических русских (n=195) аллель Т=53,7% Ethnic Russian group (n=195) allele T=53.7%
	р	χ2	р	χ2
Популяция Южной Азии (n=368), аллель G=50,5% South Asian population (n=368), allele G=50.5%	0,65	0,401	0,76	0,320
Популяция Восточной Азии (n=4898), аллель G=27,3% East Asian population (n=4898), allele G=27.3%	<0,001	12,487	<0,001	13,390
Европейская популяция (n=254 192), аллель G=54,3% European population (n=254,192), allele G=54.3%	0,9	0,089	1	0,07
Африканская популяция (n=10 132), аллель G=29,2% African population (n=10,132), allele G=29.2%	<0,001	14,001	<0,001	12,983

 

Полученные результаты сравнительного анализа распространённости альтернативного аллельного варианта гена MTHFR (rs1801133) показали статистически значимые различия между этническими индийцами, принимающими участие в нашем исследовании, и представителями европейской и восточноазиатской популяций (р <0,001). Статистически значимых различий с африканской популяцией и популяцией Южной Азии не выявлено (следует отметить, что в популяционный состав Южной Азии в том числе входят и этнические индийцы). В группе русских участников статистически значимые различия по данному аллельному варианту выявлены только с африканской популяцией (р=0,017) (см. табл. 3).

Парное сравнение выборки этнических индийских и русских студентов СГМУ с другими этносами по частоте полиморфного аллеля С гена MTHFR (rs1801131) выявило статистически значимые различия с африканской и восточноазиатской популяциями (для выборки индийцев р <0,001 и р=0,03 соответственно и для выборки русских студентов р=0,001 и р=0,013 соответственно) (см. табл. 4).

При сравнении частоты встречаемости аллеля G гена MTR (rs1805087) в изучаемых выборках с некоторыми популяциями мира выявлено статистически значимое различие группы индийских студентов с популяцией южной Азии (р <0,001). В группе русских студентов с представленными к сравнению популяциями статистически значимых различий нет (см. табл. 5).

ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что на фенотипические проявления фолатного обмена влияет аллельный вариант генов, кодирующих ферменты фолатного цикла. Нарушение фолатного обмена неизбежно приводит к повышению уровня гомоцистеина в плазме [7, 18]. По данным отдельных авторов, состояние гипергомоцистеинемии является независимым и значимым фактором риска развития неблагоприятных сосудистых событий [19]. К развитию данного состояния кроме немодифицируемых факторов, таких как наличие полиморфных аллельных вариантов генов, кодирующих ферменты фолатного обмена, могут привести и модифицируемые факторы риска, к которым относятся диета с низким содержанием фолатов, табакокурение, злоупотребление алкоголем и чрезмерное употребление кофе [20, 21]. Доказано, что уровень гомоцистеина у любителей кофе выше на 2–3 мкмоль/л, чем у непьющих кофе людей [22]. Чрезмерное употребление кофе (более 6 чашек в день) рассматривается как фактор риска развития гомоцистеинемии, так как кофеин способен ингибировать фермент метионинсинтазу. Известно блокирующее воздействие этанола на метионинсинтазу и витамин В6, при котором нарушается функционирование переносчиков фолатов из кишечника в клетки. Установлено, что у лиц, страдающих алкоголизмом, уровень гомоцистеина в крови в два раза выше, чем у здоровых людей. Обнаружено, что цианиды, содержащиеся в табачном дыме, снижают уровень витаминов В12 и В6 в сыворотке крови. В ряде исследований продемонстрировано, что уровень гомоцистеина в плазме крови и слюне у курящих выше, чем у некурящих, а концентрация гомоцистеина зависит от количества выкуренных сигарет в день. Доказано, что каждая выкуренная сигарета повышает уровень гомоцистеина на 0,5% у мужчин и на 1% у женщин [21, 23, 24].

В нашем исследовании проведено сравнение проживающих в условиях Европейского Севера этнических индийцев и русских по четырём вариантам нуклеотидной последовательности в генах, участвующих в обмене фолатов. Показано, что 7,0% участников из группы русских студентов являлись гомозиготными носителями аллеля Т гена MTHFR (rs1801133). Вместе с тем среди индийских студентов гомозиготных носителей данного аллельного варианта не отмечено. Полиморфный аллель Т статистически значимо чаще встречался в группе русских по сравнению с группой этнических индийцев. Известно, что ген MTHFR кодирует активность фермента метилентетрагидрофолатредуктазы, функция которого заключается в преобразовании неактивной формы фолиевой кислоты в активный метаболит 5-метилтетрагидрофолат. Ранее было показано, что у гомозиготных носителей неблагоприятного аллельного варианта rs1801133 функциональная активность данного фермента снижается на 70%, а у гетерозиготных носителей — на 30% [25, 26]. Во многих исследованиях установлена взаимосвязь между гомозиготным вариантом носительства аллеля Т данного варианта с повышенным уровнем гомоцистеина и различными патологическими состояниями, в первую очередь такими, как ишемический инсульт, тромбоэмболия лёгочной артерии [3, 26, 27].

Следующий изученный нами аллельный вариант гена MTHFR (rs1801131) был широко представлен в группах русских и индийских участников: носительство полиморфного аллеля С в группе русских и индийцев составило 38,4 и 36,3% соответственно. Ранее было выявлено, что у гомозиготных носителей неблагоприятного аллеля С активность данного фермента снижена на 40%, что негативно влияет на метаболизм фолатов [28].

Частота носительства минорного аллельного варианта гена MTR (rs1805087) в изучаемой выборке индийского и русского этноса составила 29,0 и 22,1% соответственно. Известно, что ген MTR кодирует фермент метионинсинтазу, ответственную за процесс реметилирования гомоцистеина в метионин, при этом снижение активности данного фермента вследствие аллельного варианта кодирующего его гена приводит к развитию состояния гипергомоцистеинемии, что в свою очередь повышает риск развития кардиоваскулярной патологии и возникновения врождённых пороков развития плода [29].

Наиболее распространённым как в изучаемых нами группах, так и в популяциях Южной Азии и Европы является аллельный вариант гена MTRR (rs1801394). Ген MTRR кодирует физиологическую активность фермента метионинсинтазы редуктазы, при участии которого происходит восстановление активности фермента метионинсинтазы [30]. Показано, что у носителей полиморфного аллеля G обнаруживается повышенный уровень гомоцистеина в плазме крови [31, 32]. В нашем исследовании носительство аллеля G регистрировалось более чем у половины участников в обеих группах студентов.

В целом полученные нами данные по распространению генетических предикторов состояния фолатного цикла в группах этнических русских и индийцев соотносятся с результатами других зарубежных и отечественных исследований [30, 33].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение генов фолатного обмена представляется нам крайне важным, так как нарушение физиологии обмена фолатов значимо повышает риск развития сердечно-сосудистых и других заболеваний. Так, в нашем исследовании в группе русских студентов по сравнению с группой этнических индийцев более распространено носительство неблагоприятного аллеля Т гена MTHFR (rs1801133), что является предиктором нарушения фолатного обмена и развития состояния гипергомоцистеинемии в группе русских участников.

Кроме того, наличие неблагоприятных аллельных вариантов генов фолатного обмена в сочетании с поведенческими факторами, такими как табакокурение, алиментарный дефицит фолатов и злоупотребление алкоголем, может существенно повысить риск развития гипергомоцистеинемии и связанных с ней патологических состояний. Знание генетических особенностей фолатного обмена даёт возможность для целенаправленной разработки программ персонифицированной нутритивной профилактики, направленной на сохранение здоровья человека в условиях жизнедеятельности в арктической зоне России.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Благодарности. Авторы выражают свою признательность и благодарность за участие в проведении исследования студентам медико-биологического факультета СГМУ Мурашкиной Александре Алексеевне, Македонской Анастасии Николаевне, Цимляковой Кристине Алексеевне.

Вклад авторов. А.С. Воронцова — сбор данных, лабораторные исследования, подготовка первичного варианта рукописи; Н.А. Воробьева — концепция, дизайн исследования, работа над конечным вариантом рукописи; А.И. Воробьева — подготовка первичного варианта рукописи, подготовка списка литературы; Е.Ю. Мельничук — математический анализ данных.

Финансирование. Исследование выполнено в рамках государственного задания № НИОТКР 121030300111-9 .

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ADDITIONAL INFORMATION

Acknowledgments. The authors thank Alexandra A. Murashkina, Anastasia N. Makedonskaya and Kristina A. Tsimlyakova — the students of the medico-biological faculty of the Northern State Medical University — for their assistance in conducting the study.

Authors’ contribution. A.S. Vorontsova — data collection, laboratory research, drafting the manuscript; N.A. Vorobyeva — concept, study design, editing the final version of the manuscript; A.I. Vorobyeva — drafting the manuscript, literature review; E.Yu. Melnichuk — data analysis.

Funding sources. This study was financed through the State Assignment mechanism (Project # 121030300111-9).

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

About the authors

Alexandra S. Voronsova

Northern State Medical University

Author for correspondence.
Email: baklab1gkb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3643-0515

junior research associate

Russian Federation, Arkhangelsk

Nadezda A. Vorobyeva

Northern State Medical University

Email: nadejdav0@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6613-2485
SPIN-code: 4545-2558

MD, Dr. Sci. (Med.), professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Alyona I. Vorobyeva

Northern State Medical University

Email: greeenhamster@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-4817-6884

research associate

Russian Federation, Arkhangelsk

Elizaveta Y. Melnichuk

Northern State Medical University; First City Hospital named after E.E. Volosevich

Email: 51melnichukelisaveta@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7000-5451

MD

Russian Federation, Arkhangelsk; Arkhangelsk

References

Supplementary files