Medycyna Wieku Rozwojowego, 2008,XII,3; 738-747

Genetycznie uwarunkowana wrażliwość na wybrane choroby zakaźne u człowieka

Katarzyna Wertheim, Anna Kutkowska-Kaźmierczak, Jerzy Bal


Zakład Genetyki Medycznej
Kierownik: prof. dr hab. T. Mazurczak
Instytut Matki i Dziecka, Warszawa
Dyrektor: S. Janus

  • Ryc. 1. Budowa i molekularny mechanizm działania toksyny cholery. Opracowanie własne na podstawie Goodman, 2005 oraz Stryer, 2000 (26, 27)
  • Tabela I. Przykłady alleli HLA kojarzonych z podatnością, odpornością lub opóźnieniem progresji choroby wg Alves, 2006 oraz Thio, 2003 (18, 19)
  • Tabela II. Zestawienie wybranych genów, których polimorfizmy wpływają na ochronę przeciwmalaryczną wg D.P. Kwiatkowski, 2005 (24)

Choroby zakaźne były, są i jak wskazują prognozy, będą odpowiedzialne za znaczną część (sięgającą 12% w 2030 r.) zgonów w populacji światowej. Zgodnie z teorią J.B.S. Haldane choroby te są głównym czynnikiem determinującym naturalną selekcję, gdyż powodują eliminację osób bardziej podatnych na zakażenia przed osiągnięciem wieku reprodukcyjnego i przeżycie tylko jednostek odporniejszych. Wiele badań i obserwacji dowodzi, iż zróżnicowana wrażliwość na patogeny występuje zarówno wśród osób pochodzących z tych samych grup etnicznych, jak i należących do różnych populacji. Wyjaśnienia tego zjawiska należy szukać w ludzkim genomie. Prowadzone dotąd badania z wykorzystaniem stosowanych powszechnie genetycznych metod badawczych umożliwiły identyfikację zmian w niektórych genach, które modulują zarówno podatność organizmu na daną chorobę, jak też tempo jej rozwoju. Szczególnym zainteresowaniem badaczy cieszą się geny HLA, które kodują główny układ zgodności tkankowej i odgrywają istotną rolę w modulacji podatności na zakażenie szerokim spektrum patogenów.

W przypadku wielu chorób postuluje się także wpływ innych genów. Rola kilku z nich w rozwoju wybranych zakażeń została już dowiedziona. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących uwarunkowanej genetycznie wrażliwości człowieka na malarię, cholerę, trąd i HIV.

WPROWADZENIE

Choroby zakaźne były i są jedną z najczęstszych przyczyn śmierci we wszystkich regionach naszego globu. Liczba zgonów spowodowanych przez te choroby zmniejsza się szczególnie w krajach rozwiniętych. W 1880 roku w Wielkiej Brytanii choroby zakaźne i pasożytnicze były przyczyną 33% wszystkich notowanych zgonów, natomiast w 1997 r.już tylko 17% (1). Pomimo tego są one nadal jednym z głównych problemów współczesnej medycyny.

Na początku XXI wieku (dane za 2001 r. wg Frodsham i wsp.) (2) stwierdzono na świecie 14,5 mln zgonów powodowanych chorobami infekcyjnymi (2), a prognozy wskazują, iż przyczynią się one do ponad 12,4% wszystkich zgonów w 2030 r. Dane te umiejscawiają zatem choroby zakaźne wśród 10 najczęstszych przyczyn przedwczesnych zgonów spowodowanych głównie zakażeniami HIV i infekcjami dolnych dróg oddechowych, a także – w krajach rozwijających się – biegunkami oraz malarią.

Rozwój i przebieg choroby uzależnione są od wielu czynników. Są wśród nich przede wszystkim takie jak dawka patogenu i czas ekspozycji, a także wiek i stan ogólny organizmu (rozumiany jako współistnienie innych chorób, przyjmowanie leków immunosupresyjnych, uzależnienie alkoholowe etc.) (3, 4). U wielu chorych rozwój i przebieg procesu chorobowego wydają się nie być determinowane przez powyższe czynniki obciążające. Przykładowo, gruźlica rozwija się u około 10% nosicieli prątka Mycobacterium tuberculosis (4), a u ponad 95% osób nie dochodzi do rozwoju trądu pomimo zetknięcia się z wywołującym go prątkiem Mycobacterium leprae (5).

O zróżnicowanej reakcji organizmu człowieka na zakażenie patogenem świadczy również incydent z 1930 r., kiedy to wskutek pomyłki podano, podczas szczepienia, ponad 250 noworodkom zjadliwy szczep M. tuberculosis. Około 30% dzieci zmarło, 70% zachorowało, ale przeżyło zakażenie, natomiast u kilkorga z nich nie stwierdzono żadnych objawów klinicznych gruźlicy (3).

Opisany przypadek można potraktować jako ilustrację tezy J.B.S. Haldane z 1949 r., w myśl której patogeny są głównym czynnikiem determinującym naturalną selekcję, gdyż zakażenie nimi prowadzi do zgonu osobników bardziej wrażliwych i przeżycia jedynie tych odporniejszych (6).

Odmienną wrażliwość na choroby zakaźne obserwuje się zarówno u osób należących do tej samej grupy etnicznej, jak też mających różne pochodzenie (7).Wytłumaczenia tego zjawiska należy szukać w genomie człowieka.

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki wybranych prac dotyczących genetycznie determinowanej podatności na malarię, HIV, cholerę i trąd.

ZMIENNOŚĆ GENOMU I JEGO ANALIZA

U podłoża odporności czy modulacji reakcji organizmu na zakażenia leży zmienność genetyczna, rozumiana jako determinowane przez geny zróżnicowanie pomiędzy osobnikami wywodzącymi się z tej samej populacji. Warto przypomnieć, że jak się szacuje, zmienność międzyosobnicza w obrębie naszego gatunku nie przekracza 1% z ok. 3 mld nukleotydów wchodzących w skład genomu człowieka.

Zmienność genomu do niedawna najczęściej była charakteryzowana przez polimorfizm pojedynczego nukleotydu (8). Obecnie prowadzone badania uzupełniają naszą wiedzę o tzw. zmienności liczby kopii genu (ang. copy number variation, CNV). CNV jest powszechnym, dotyczącym ponad 1000 rejonów w genomie człowieka, opisanym niedawno, typem zmian polegających na nabyciu lub utracie (duplikacje, delecje, inwersje) odcinków DNA o wielkości ≥1000 pz. Zmiany typu CNV wpływają na zróżnicowanie ekspresji genów (efekt dawki genu), a także przyczyniają się do powstania kolejnych zmian w strukturze chromosomu. Są one ważnym mechanizmem odpowiedzialnym też za zmienność ewolucyjną (9).

Mutacje i warianty polimorficzne genów mogą wpływać na wrażliwość na infekcję wywołaną szerokim spectrum mikroorganizmów. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku monogenowych zespołów niedoborów odpornościowych, których opisano dotychczas ponad 300. Podatność na zakażenia może być także bardziej złożona i uwarunkowana wielogenowo (10, 11). Tak różnorodny i wieloczynnikowy sposób modulacji odporności i podatności na infekcje stanowi znaczne utrudnienie w badaniach nad ich genetycznym tłem.

Pierwszym etapem tego rodzaju badań jest analiza epidemiologiczna. Umożliwia ona stwierdzenie istnienia genetycznej komponenty, wpływającej na międzypopulacyjne zróżnicowanie częstości i przebiegu zakażenia wywołanego tym samym drobnoustrojem (12).

Niezwykle cennych danych dostarcza porównanie zachorowalności bliźniąt jedno- i dwujajowych. O zaangażowaniu czynników genetycznych w rozwój zakażenia świadczy wyższa zgodność epizodów choroby u bliźniąt jednojajowych, mających identyczny zestaw genów. Wyniki takie uzyskano m.in. w badaniach dotyczących gruźlicy, trądu i zakażenia Helicobacter pylori. Podobne analizy przeprowadzane są także, choć znacznie rzadziej, na rozdzielonych rodzeństwach oraz z udziałem rodzin adopcyjnych. Umożliwiają one wykluczenie ewentualnego wpływu czynników środowiskowych na rozwój choroby (11).

Potwierdzenie hipotezy zakładającej istnienie genetycznie determinowanej podatności na określoną chorobę wymaga zastosowania specjalistycznej analizy statystycznej. Metodą często stosowaną jest analiza kompleksowej segregacji – CSA (ang. Complex Segregation Analysis), która umożliwia określenie sposobu dziedziczenia podatności (recesywny lub dominujący) (12). Stosowano ją z powodzeniem w badaniach dotyczących wielu schorzeń takich jak np. rak piersi czy rak prostaty (13). Celem drugiego etapu badań jest identyfikacja jednego lub kilku genów, których allele (warianty określone przez fakt wystąpienia mutacji lub zmiany polimorficznej) modulują przebieg zakażenia patogenem.

Istnieją dwie główne strategie poszukiwania takich genów. Pierwsza z nich polega na analizie genomu i może być przeprowadzona z zastosowaniem metod statystycznych takich jak analiza sprzężeń lub analiza asocjacji. Druga z kolei zakłada dokładną analizę molekularną wytypowanych genów (12).

Analiza sprzężeń polega na badaniu kosegregacji markerów genetycznych (charakterystycznych, unikatowych regionów DNA, np. powtórzeń mikrosatelitarnych) z fenotypem choroby. W sytuacji, gdy marker położony jest blisko genu odpowiedzialnego za rozwój lub podatność na daną chorobę, zakładamy, że rekombinacja pomiędzy nimi (markerem a genem) będzie zachodzić z niską częstością, a marker, ze względu na fizyczną bliskość z poszukiwanym genem, będzie segregował razem z nim. Obecność markera będzie zatem znacząco częstsza u osób manifestujących fenotyp choroby, co umożliwi zawężenie analizowanego rejonu na chromosomie, a dalej na identyfikację genu. Tego typu strategia wymaga badania wielu osób – zdrowych oraz chorych – pochodzących z tej samej rodziny.

Analiza asocjacji polega z kolei na śledzeniu współwystępowania znanych wariantów polimorficznych, które mogą być zlokalizowane w różnych częściach genomu (na różnych chromosomach) z fenotypem choroby, zarówno u członków rodzin, jak i u osób niespokrewnionych. Podejście tego typu umożliwia określenie, które z wariantów genów (lub haplotypów) występują częściej (są w nierównowadze sprzężeń) u osób zakażonych lub chorych (11, 12).

Strategią alternatywną w poszukiwaniu genów modulujących jest analiza tzw. genów kandydujących. Stosuje się ją w tych przypadkach, gdy możliwe jest wytypowanie genów na podstawie wyniku innych badań (np. biochemicznych czy klinicznych). Badanie genów kandydujących zawiera zarówno poszukiwanie mutacji lub wariantów polimorficznych jak też analizę funkcjonalną produktów białkowych tych genów (11, 12, 14).

Warto podkreślić, iż, ze względu na różnice międzypopulacyjne, ostateczne potwierdzenie wyników badań na większej grupie pacjentów, jest niezwykle trudne. Odporność na zakażenie tym samym mikroorganizmem u osób pochodzących z odrębnych populacji może być bowiem efektem zmian w zupełnie różnych genach.

WIELOALLELICZNE GENY GŁÓWNEGO UKŁADU ZGODNOŚCI TKANKOWEJ (HLA)

Pierwszą grupą genów, w której szukano odpowiedzi na zagadkę zróżnicowanej podatności na patogeny, były geny głównego układu zgodności tkankowej HLA (ang. human leukocyte antigens). Białka HLA odgrywają kluczową rolę w indukcji odpowiedzi immunologicznej poprzez prezentację antygenu limfocytom T. Na podstawie różnic strukturalno-funkcjonalnych, cząsteczki te podzielone zostały na dwie klasy – I i II (15).

Występujące na powierzchni wszystkich komórek jądrzastych cząsteczki HLA klasy I prezentują antygeny endogenne. Antygeny egzogenne są natomiast prezentowane przez cząsteczki klasy II, znajdujące się wyłącznie na powierzchni wyspecjalizowanych komórek prezentujących antygeny (tj. limfocytów B, makrofagów i komórek dendrytycznych).

Antygenami prezentowanymi przez białka HLA są kilkunastoaminokwasowe oligopeptydy, będące produktami proteolizy białek syntetyzowanych w komórce (antygeny endogenne m.in. pochodzenia wirusowego) lub białek pochodzących z trawienia sfagocytowanych wcześniej drobnoustrojów pozakomórkowych (antygeny egzogenne) (16).

Białka HLA typu I zbudowane są z dwóch glikoprotein: α i β, przy czym pierwsza z nich tworzy kieszeń wiążącą antygen. Istnieją trzy geny kodujące klasyczne podjednostki α-HLA-A, HLA-B, HLA-C, dla których zidentyfikowano dotąd odpowiednio 472, 805 i 256 alleli (17).

W przypadku cząsteczek HLA typu II, kieszeń wiążąca antygen tworzona jest przez obie podjednostki – α i β. Występują trzy wieloalleliczne geny kodujące każdą z podjednostek [liczba znanych alleli w nawiasie] – α: DRA [3], DPA1 [23], DQA1 [34]; β: DRB1 [459], DPB1 [125], DQB1 [73]. Dodatkowo u niektórych osób występują także trzy inne aktywne geny kodujące łańcuchy β DR: DRB3, DRB4, DRB5 (15,17).

Tak duże zróżnicowanie alleli wpływa na liczbę swoistości serologicznych, których zarówno dla białek HLA I, jak i II zidentyfikowano kilkadziesiąt (15).

Niespotykanie wysoki polimorfizm tych genów, jest prawdopodobnie wynikiem presji selekcyjnej spowodowanej chorobami infekcyjnymi (7), czego potwierdzenie stanowić może m.in. powszechnie znane zjawisko zwiększonej wrażliwości na patogeny obserwowane u homozygot pod względem HLA (16). Stąd też liczne badania dotyczące podatności na niektóre choroby zakaźne (m.in. HIV, HCV, gruźlicę, malarię, trąd) skupiły się na próbie korelacji wystąpienia choroby lub jej przebiegu z poszczególnymi wariantami HLA (7) (tab. I).

GENETYCZNE PODŁOŻE ZRÓŻNICOWANEJ PODATNOŚCI NA ZAKAŻENIE PLASMODIUM SP

Malaria jest pierwszą chorobą infekcyjną, w przypadku której potwierdzono rolę tła genetycznego na podatność i przebieg zakażenia. Choroba ta występuje w ponad 107 krajach klimatu tropikalnego i subtropikalnego, zamieszkiwanych łącznie przez ponad 3,2 miliarda osób. Według szacunków WHO, każdego roku na malarię zapada 300 milionów osób (dane z materiałów ze strony informacyjnej), z czego około 1 miliona umiera (20). Przyczyną choroby jest zakażenie pierwotniakiem z rodzaju Plasmodium. Zależnie od regionu geograficznego jest to zakażenie P. malariae, P. ovale, P. falciparum, lub P. vivax, które następuje po ukłuciu człowieka przez zakażonego komara. W organizmie człowieka pasożyt umiejscawia się w erytrocytach, gdzie namnaża się i doprowadza tym samym do ich rozpadu. Można przeprowadzić specjalistyczne badanie na obecność pasożytów we krwi.

W latach 40-tych ubiegłego stulecia zaobserwowano, iż w rejonach malarycznych częstość hemoglobinopatii jest znacznie wyższa niż w innych obszarach geograficznych. Wytłumaczeniem tego zjawiska okazał się fakt, że u osób cierpiących na poszczególne schorzenia związane z zaburzeniem syntezy hemoglobiny malaria nie rozwija się lub przebiega łagodnie. (7). Klasycznym przykładem jest dziedziczona autosomalnie recesywnie anemia sierpowatokrwinkowa. Przyczyną choroby jest mutacja w genie HbB kodującym łańcuch β hemoglobiny. Mutacja ta prowadzi do zamiany kwasu glutaminowego na walinę (E6V). Zmienione, wskutek mutacji, cząsteczki hemoglobiny wykazują inne niż dzika (prawidłowa) forma białka właściwości fizykochemiczne. To sprawia, że w warunkach niskotlenowych erytrocyty przybierają charakterystyczny sierpowaty kształt. Nosiciele allela HbS (wariant genu z mutacją) są odporni na ostrą i letalną postać malarii wywoływaną przez P. falciparum (7). Heterozygoty HbA/HbS (HbA – allel dziki), żyjące na terenach malarycznych, mają więc przewagę selekcyjną nad pozbawionymi ochronnego allela homozygotami HbA/HbA oraz chorującymi na anemię sierpowatą homozygotami HbS/HbS. Stąd też częstość nosicielstwa wariantu HbS w rejonach występowania P. falciparum jest znacznie podwyższona i dochodzi do 10-40% (20).

Mechanizm odpowiadający za złagodzenie przebiegu zakażenia u heterozygot nie jest w pełni wyjaśniony. Wyniki badań wskazują, iż zakażone erytrocyty nosicieli allela HbS są szybciej usuwane z krwiobiegu (21). Zjawisko to obserwowane jest także w przypadku niektórych innych hemoglobinopatii. Mutacje odpowiedzialne za niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PD) także chronią przed rozwojem malarii. Postulowana przez Cappadoro i wsp. teoria zakłada, iż erytrocyty z obniżonym poziomem G6PD zakażone Plasmodium tworzącym postać pierścieniowatą (ang. ring-stage) są preferencyjnie fagocytowane. Wynika to prawdopodobnie z faktu, iż na skutek upośledzonej aktywności antyoksydatywnej, błona komórkowa tych komórek ulega szybszemu niszczeniu pod wpływem aktywnych form tlenu. Na tym etapie dojrzewania pasożyta, produkcja kodowanej przez niego G6PD jest bardzo niska, a zatem nie kompensuje braku syntetyzowanego przez gospodarza enzymu. Fagocytoza erytrocytów z pasożytem na tym etapie rozwoju jest procesem wydajnym i nie wpływającym na późniejszą aktywność monocytów (w przeciwieństwie do substancji pochodzących ze sfagocytowanych Plasmodium będących na dalszym etapie rozwoju). W konsekwencji parazytemia zostaje obniżona, a także powstaje mniejsza liczba trofozoitów i schizontów (kolejne stadia rozwojowe Plasmodium), które mogą wywoływać mózgową postać choroby. Przypuszcza się, iż podobny do powyższego mechanizm ma miejsce w przypadkach anemii sierpowatokrwinkowej i beta-talasemi (22).

Znanych jest obecnie kilka genów, które wpływają także na modulację wrażliwości na malarię (tab. II). Przykładem takiej modulacji jest odporność na zakażenie P. vivax związana z brakiem antygenu Duffy na powierzchni erytrocytów. Cząsteczka ta jest receptorem dla chemokin, uczestniczącym, jak wskazują ostatnie badania, w regulacji ich biodostępności podczas procesu zapalnego (23).

W rejonie promotorowym genu kodującego antygen Duffy zidentyfikowano wariant polimorficzny pojedynczego nukleotydu, SNP (ang. single nucleotide polymorphism), znajdujący się w obrębie sekwencji nukleotydowej motywu GATA, rozpoznawanej przez czynnik transkrypcyjny GATA1. Zmiana ta uniemożliwia wiązanie czynnika GATA1, co wpływa na zahamowanie ekspresji genu (2). Ponieważ związanie antygenu Duffy jest niezbędnym etapem internalizacji P. vivax do erytrocytu, jego brak prowadzi do ochrony przed rozwojem infekcji (7).

ROLA ZMIENNOŚCI W GENIE CFTR A WYSTĘPOWANIE CHOLERY

Cholera jest jedną z najdłużej towarzyszących ludzkości chorób bakteryjnych, której przyczyną jest następujące drogą pokarmową zakażenie przecinkowcem cholery (Vibrio cholerae).

Bakterie V. cholerae po przedostaniu się do przewodu pokarmowego, zaczynają produkować toksynę, której działanie prowadzi do wystąpienia silnej biegunki i w konsekwencji znacznego odwodnienia organizmu. W przypadkach nieleczonych, śmiertelność choroby dochodzi do 50% (25), a zgon może nastąpić nawet po upływie 2-3 godzin od wystąpienia pierwszych objawów (26).

Mechanizmy komórkowe odpowiedzialne za odwodnienie powodowane infekcją V. cholerae próbowano tłumaczyć w różny sposób. Jedna z teorii zakłada udział kanału chlorkowego CFTR, co przedstawiono na rycinie 1. Etapem, który bezpośrednio powoduje wystąpienie objawów choroby jest konstytutywna aktywacja kanału chlorkowego CFTR (ang. Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) w komórkach krypt jelita. Zintensyfikowany transport jonów chlorkowych z komórek, powoduje zmianę ciśnienia osmotycznego i w rezultacie napływ znacznej ilości wody do światła jelita (26).

Mutacje i warianty polimorficzne w genie kodującym kanał chlorkowy CFTR, których znanych jest ponad 1600 (wg Cystic Fibrosis Mutation Database), prowadzą do obniżenia poziomu transportu jonów chlorkowych na skutek braku lub zmniejszenia ekspresji genu CFTR, zaburzeń syntezy i dojrzewania białka, a także upośledzenia jego aktywności. Występowanie dwóch nieprawidłowych alleli genu CFTR u danej osoby jest przyczyną mukowiscydozy.

Jedna z hipotez tłumaczących tak znaczną częstość występowania nieprawidłowych alleli genu CFTR zakłada, iż heterozygoty – nosiciele mutacji w jednym allelu, u których pełną aktywność wykazuje tylko około 50% białka CFTR miały przewagę selekcyjną nad homozygotami pod względem allela dzikiego gdyż, w przypadku zakażenia V. cholerae, wypływ jonów chlorkowych, a w konsekwencji i wody z organizmu był zmniejszony.

Obecnie wydaje się jednak, iż czynnikiem selekcyjnym w stosunku do heterozygot CFTR były choroby biegunkowe wywoływane przez Escherichia coli lub zakażenia Salmonella typhi, wykorzystujących kanał CFTR do internalizacji komórkowej (7, 26).

GENETYCZNE PODŁOŻE ROZWOJU I PRZEBIEGU TRĄDU

Trąd – choroba znana od czasów biblijnych, od tysiącleci utożsamiana była nie tylko z cierpieniem fizycznym, ale też nieczystością i karą za grzechy. Trędowaci byli eliminowani ze społeczności, a z czasem zamykani w odgrodzonych leprozoriach, które istnieją do dziś.

Trąd jest bakteryjną chorobą zakaźną wywoływaną przez Mycobacterium leprae. Od 1940 r., kiedy wynaleziono pierwszy skuteczny lek, jest on uznawany za chorobę uleczalną. W ostatnich latach, dzięki globalnym programom mającym na celu eliminację trądu, liczba nowych zarejestrowanych przypadków wykazuje tendencję spadkową (2001 r. – 763 262 zachorowań, 2006 r. – 259 017). Jednak w wielu krajach wciąż pozostaje poważnym problemem zdrowotnym (28).

Główne czynniki wpływające na przebieg choroby to: zakażenie M. leprae (które może nastąpić przez kontakt z wydzielinami z owrzodzeń osoby chorej lub drogą kropelkową), zasiedlenie komórek Schwanna przez bakterie oraz kierunek rozwoju odpowiedzi immunologicznej organizmu (29). Największe znaczenie dla patogenezy choroby ma infekcja k. Schwanna, której efektem jest demielinizacja obwodowych włókien nerwowych, jednakże M. leprae występuje także w makrofagach,
k. dendrytycznych i epitelialnych (30).

Wyróżnia się pięć postaci trądu (skala Ridley’a- Jopling’a): tuberkuliczną, (małobakteryjną w której dominuje odpowiedź typu komórkowego), lepromatyczną, (wielobakteryjną, gdzie przeważa odpowiedź humoralna) oraz trzy formy granicznie. Pomimo faktu, iż każda z postaci charakteryzuje się nieco innym obrazem klinicznym, we wszystkich przypadkach dochodzi do demielinizacji
i uszkodzenia nerwów obwodowych (29).

Wpływ czynników dziedzicznych na rozwój trądu postulowany był już w średniowieczu. Obecnie rola tła genetycznego wydaje się bezsporna. Zgodnie z dwufazowym (ang. two stage) modelem patogenezy trądu, geny regulują zarówno podatność na rozwój infekcji (który następuje jedynie u 5% zakażonych osób), jak i modulują przebieg choroby (31).

Przeprowadzone dotąd badania umożliwiły wytypowanie kilku potencjalnie istotnych genów oraz rejonów m.in. na chromosomie 6 (6q25; 6q21) (32,33) oraz 10 (10p13) (34).

W kontekście powyższych wyników badań szczególnie ciekawe, wydają się wyniki analizy dotyczące genów kompleksu MHC, które znajdują się w regionie 6q21. Zidentyfikowano szereg wariantów genów HLA, które wg autorów wpływają na modulację przebiegu trądu oraz odpowiadają za zwiększenie podatności, jak HLA--DRB1(*)10, bądź odporności – HLA-DRB1(*)04 – na tę chorobę (35).

W kontekście podatności na rozwój trądu i poszczególnych jego postaci klinicznych, analizowano kilkanaście genów, m.in. TNF-α – kodujący prozapalną cytokinę – czynnik martwicy nowotworu, (36, 37), geny TAP1TAP2, kodujące białko biorące udział w transporcie i obróbce posttranslacyjnej białek (38), gen przeciwzapalnej cytokiny IL-10 (37, 39, 40) oraz VDR, którego produktem jest receptor witaminy D. Poza wymienionymi genami, związanymi bezpośrednio z działaniem układu immunologicznego, analizowano także gen SLC11A1 (d. NRAMP1). Zainteresowanie tym genem wynika z faktu, iż, jak wykazano w badaniach na myszach, substytucja glicyny do kwasu asparaginowego w pozycji 169 białka kodowanego przez mysi homolog genu SLC11A1 wpływa na podatność tych zwierząt na zakażenie bakteriami z rodzaju Mycobacterium.

Kodowane przez ten gen białko jest specyficznym dla makrofagów transporterem jonów dwuwartościowych (głównie Fe2+ i Mn2+) znajdującym się w błonie fagolizosomu i reguluje stężenie tych jonów wewnątrz fagolizosomów. SLC11A1 utrzymuje stężenie jonów niezbędne do zajścia reakcji Fentona i/lub Habera-Weissa, podczas których powstają reaktywne formy tlenu, jak też ogranicza dostęp jonów dla wewnątrzkomórkowych pasożytów. Ostatnie badania żywej kropli krwi wskazują natomiast, że rola tego białka jest bardziej złożona i jest ono zaangażowane w procesy regulujące rozwój reakcji immunologicznej oraz w kontrolę programowanej śmierci komórki – apoptozę.

Wyniki przeprowadzonych badań umożliwiły identyfikację polimorfizmów genu SLC11A1 występujących ze zmienną częstością u osób zdrowych i chorych, a także u pacjentów manifestujących różne postaci choroby. Ostateczne potwierdzenie wpływu poszczególnych wariantów na obraz i/lub podatność na trąd wymaga jednak dalszych badań (41, 42, 43).

W 2004 r., metodą klonowania pozycyjnego, polegającą na dokładnej analizie rejonu 6q25 (sprzężonego, wg wcześniejszych doniesień z wystąpieniem choroby), zidentyfikowano dwa warianty polimorficzne typu SNP zlokalizowane w obrębie dwóch genów: PARK2 i PACRG. Gen PARK2, badany głównie w kontekście dziedziczonej w sposób autosomalny recesywny chorobie Parkinsona o wczesnym początku, koduje parkinę – E3 ligazę ubikwitynową, biorącą udział w poliubikwitynylacji białek przed ich degradacją w proteasomie. Produkt drugiego z genów – PACRG tworzy wraz z parkiną i innymi białkami (np. Hsp70, 90) kompleks zaangażowany w degradację białek (44). Oba geny ulegają ekspresji, choć z różną siłą, w komórkach Schwanna oraz w makrofagach.

Wykazano, że poszczególne haplotypy (definiowane na podstawie wspomnianych wyżej dwóch wariantów SNP: PARK2_e01 (-2599) oraz rs1040079) wiążą się z podwyższeniem ryzyka zachorowania na trąd. Wyniki te uzyskano w badaniach populacji wietnamskiej i brazylijskiej (45), jednak analiza pacjentów pochodzących z Indii, nie potwierdziła istnienia takiej korelacji (46).

Jak sugerują autorzy pracy, wyniki wskazujące różne loci lub polimorfizmy jako potencjalnie istotne w patogenezie trądu, świadczą o tym, iż tło genetyczne modulujące podatność na zakażenie i przebieg choroby, może być różne w różnych populacjach, grupach etnicznych,
a nawet kastach (46).

M. leprae było pierwszą bakterią, zidentyfikowaną jako czynnik etiologiczny choroby zakaźnej. Ogromny zakres badań nad genetycznie warunkowaną podatnością na trąd pozwala mieć nadzieję, iż będzie on również pierwszą chorobą infekcyjną, w przypadku której w pełni poznane zostanie tło genetyczne modulujące przebieg zakażenia.

GENETYCZNIE WARUNKOWANA WRAŻLIWOŚĆ NA ZAKAŻENIE HIV


Wirus HIV (ang. human immunodeficiency virus), choć znany dopiero od 25 lat, czym wyróżnia się na tle przedstawionych wcześniej patogenów, zyskał sobie miano dżumy XX wieku. Szacuje się, że na świecie codziennie 11 000 osób zakaża się HIV, a prawie 8000 umiera z tego powodu. Do dziś śmierć poniosło 25 milionów osób, a ponad 30 milionów pozostaje zakażonych (47). Pomimo znacznych postępów w terapii osób dotkniętych HIV, medycyna nie dysponuje, jak dotąd, lekiem umożliwiającym całkowitą eliminację cząstek wirusowych z organizmu.

Skalę problemów związanych z HIV potęguje fakt, że infekcja przebiega bezobjawowo nawet przez kilka lat po zakażeniu, chociaż obecne w organizmie cząstki wirusa są zakaźne. Na podstawie podatności na HIV oraz czasu progresji choroby w kierunku AIDS (zespołu nabytego niedoboru odporności, ang. Acquired Immune Deficiency Syndrome), wyróżniono dwie grupy pacjentów – niepermisywną, do której zalicza się osoby odporne na zakażenie wirusem oraz pacjentów, u których choroba postępuje powoli, a także permisywną, grupującą chorych z szybko rozwijającym się zespołem objawów klinicznych AIDS.

Wiele czynników (m.in. behawioralne) wpływa na indywidualną odpowiedź organizmu na kontakt z cząsteczką wirusa, jednak coraz większą uwagę zwraca się na rolę poszczególnych genów, których produkty modulują odpowiedź immunologiczną, a także regulują dostęp cząsteczek HIV do wnętrza komórek (48).

Przeprowadzone dotąd badania umożliwiły wytypowanie wariantów genów HLA, które wpływają na podatność na HIV i tempo rozwoju choroby (17, 49). Zidentyfikowano również zmiany w sekwencjach genów kodujących cytokiny i ich receptory, które korelują z infekcją HIV.

W genie receptora dla chemokin CCR5, będącego koreceptorem M-tropowych (specyficznych dla makrofagów) szczepów HIV-1, znaleziono 32 nukleotydową delecję, której skutkiem jest zmiana ramki odczytu i przedwczesna terminacja translacji. Białko receptorowe nie jest więc wykrywalne na powierzchni komórki, nie pełni zatem funkcji koreceptorowej dla wirusa. Osoby będące homozygotami pod względem opisywanej delecji są w efekcie odporne na zakażenie M-tropowym HIV-1(50), a u heterozygot obserwuje się wolniejszą progresję choroby (51). Częstość tej zmiany jest największa w populacji kaukaskiej, gdzie dochodzi do 16-20% (52), a najniższa u osób pochodzących z Afryki (53). Warto jednak podkreślić, że homozygoty pod względem omawianej mutacji są wrażliwe na zakażenia T-tropowym HIV-1, wykorzystującym jako receptor inne białko – CXCR4. Ponieważ jednak za transmisję choroby odpowiada głównie M-tropowy HIV-1, opisano jedynie kilka przypadków osób, które zaraziły się wirusem, pomimo delecji 32pz w obu allelach genu CCR5(54).

W genie CCR5 znaleziono także kilka innych polimorfizmów, które również kojarzone są z odpornością na HIV-1 (55, 56).

Wydaje się zatem, że istotnym elementem w terapii HIV/AIDS byłoby wprowadzenie inhibitorów receptora CCR5. Badania Glassa i wsp. nakazują jednak ostrożność gdyż, jak wykazali, receptor CCR5 odgrywa istotną rolę w odpowiedzi skierowanej przeciwko wirusowi Zachodniego Nilu (WNV), a jego brak – związany z obecnością omawianej delecji, zwiększa ryzyko wystąpienia objawowej infekcji WNV (57, 58, 59).

Innym genem, któremu przypisuje się związek z podatnością na zakażenie HIV jest gen CCL3L1, kodujący ligand receptora CCR5. W przeciwieństwie do wszystkich opisanych powyżej genów, wpływ CCL3L1 na rozwój zakażenia nie jest związany z obecnością mutacji lub zmiany polimorficznej, ale ze zmiennością liczby kopii genu – CNV (ang. copy number variation). Badania Gonzaleza i wsp., (60) wykazały, iż średnia liczba kopii genu CCL3L1 jest charakterystyczna dla każdej populacji, a także, iż czynnikiem zwiększającym zarówno podatność na HIV, jak i tempo progresji choroby, jest posiadanie mniejszej, niż średnia dla danej populacji, liczby kopii tego genu. Większa liczba kopii CCL3L1 ma natomiast, zgodnie z wynikami autorów, działanie ochronne. Wynika to z faktu, iż w drugim przypadku produkowanych jest więcej cząsteczek liganda wiążącego się do receptorów, a zatem liczba wolnych, dostępnych dla wirusa receptorów CCR5 jest mniejsza.

ZAKOŃCZENIE

Rozwój reakcji immunologicznej w odpowiedzi na zakażenie organizmu określonym patogenem jest uzależniony od wielu czynników, spośród których coraz więcej uwagi poświęca się predyspozycjom genetycznym. Ogromny postęp, jaki dokonał się w ostatnich latach w genomice, umożliwił rozwój badań dotyczących interakcji pomiędzy genomem gospodarza i genomem atakującego go patogena. Owocem tych badań było powstanie nowej dyscypliny naukowej – infektogenomiki (61).

Znajomość zarówno mechanizmu infekcji, jak i odpowiedzi immunologicznej skierowanej przeciwko danemu patogenowi na poziomie molekularnym wydaje się nieść szereg, oprócz aspektu poznawczego, wymiernych korzyści. Przykładem może być opracowanie nowej generacji leków i strategii leczenia w różnych stadiach choroby oraz opracowanie strategii opanowania epidemii i eliminacja wywołujących je patogenów (61).

Wymierne znaczenie będzie także zapewne miało poznanie wpływu poszczególnych polimorfizmów, bądź mutacji na aktywność genów i kodowanych przez nie białek oraz ich roli w regulacji i przebiegu specyficznej dla patogenu odpowiedzi immunologicznej. Umożliwi to indywidualne poradnictwo w zakresie podatności na poszczególne choroby zakaźne, oszacowanie prognozy dotyczącej przebiegu choroby, a także monitorowanie stosowanej terapii (61).

Oprócz oczywistych korzyści dla osób chorych, bądź wyjeżdżających na tereny objęte epidemią, badania te i związany z nimi rozwój narzędzi terapeutycznych, przyczynią się, jak się sądzi, do redukcji śmiertelności wśród noworodków. Główną przyczyną zgonów w okresie okołonoworodkowym są bowiem choroby zakaźne (62).

Poza opisanymi w niniejszej pracy schorzeniami i wywołującymi je patogenami, podobne badania i analizy dotyczą także zakażeń bakteriami z rodzaju Klebsiella, Streptococcus pneumoniae (pneumokoki), wirusem Epsteina-Barra, wirusem papilloma typu ludzkiego, pasożytami Schistosoma masoni, Leishmania donovani, Trypanosoma cruzi (11, 18, 63).

..............................................................................................................................................................

PIŚMIENNICTWO


1.    Hicks J., Allen G.: Century of Change: Trends in UK statistics since 1900, Social and General Statistics Section, House of Commons Library, Research Paper 99/111.

2.    Frodsham A.J., Hill A.V.: Genetics of infectious diseases. Hum. Mol. Genet., 2004, 13 Spec No 2, R187-R194.

3.    Rowińska-Zakrzewska E.: Some aspects of genetic susceptibility to tuberculosis. Pneumonol. Alergol. Pol., 2005, 73, 193-197.

4.    Bellamy R.: Genetics and pulmonary medicine. 3. Genetic susceptibility to tuberculosis in human populations. Thorax, 1998, 53, 588-593.

5.    Tosh K., Ravikumar M., Bell J.T. i wsp.: Variation in MICA and MICB genes and enhanced susceptibility to paucibacillary leprosy in South India. Hum. Mol. Genet., 2006, 15, 2880-2887.

6.    Sarkar S.: Sex, Disease, and Evolution: Variations on a Theme from J.B.S. Haldane. BioScience, 2007, 42, 448-454.

7.    Cooke G.S., Hill A.V.: Genetics of susceptibility to human infectious disease. Nat. Rev. Genet., 2001, 2, 967-977.

8.    Czerska K., Nawara M., Bal J.: I. Single nucleotide polymorphism in human genetic analyses. Med. Wieku. Rozwoj., 2003, 7, 531-546.

9.    Redon R., Ishikawa S., Fitch K.R. i wsp.: Global variation in copy number in the human genome. Nature, 2006, 444, 444-454.

10.    Casanova J.L., Abel L.: Human genetics of infectious diseases: a unified theory. EMBO J., 2007.

11.    Burgner D., Jamieson S.E., Blackwell J.M.: Genetic susceptibility to infectious diseases: big is beautiful, but will bigger be even better? Lancet Infect. Dis., 2006, 6, 653-663.

12.    Clementi M., Di Gianantonio E.: Genetic susceptibility to infectious diseases. Reprod. Toxicol., 2006, 21, 345-349.

13.    Jarvik G.P.: Complex segregation analyses: uses and limitations. Am. J. Hum. Genet., 1998, 63, 942-946.

14.    Abel L., Dessein A.J.: Genetic epidemiology of infectious diseases in humans: design of population-based studies. Emerg. Infect. Dis., 1998, 4, 593-603.

15.    Bojer E.: Immunogenetyka W: Biologia molekularna w medycynie, Elementy genetyki klinicznej, red. J. Bal., PWN 2006, 287-319.

16.    Jakobisiak M., Płoski R.: Główny układ zgodności tkankowj. W: Immunologia, PWN, Warszawa 2000, 60-73.

17.    Li S., Jiao H., Yu X. i wsp.: Human leukocyte antigen class I and class II allele frequencies and HIV-1 infection associations in a Chinese cohort. J. Acquir. Immune. Defic. Syndr., 2007, 44, 121-131.

18.    Alves C., Souza T., Meyer I. i wsp: Immunogenetics and infectious diseases: special reference to the mayor histocompatibility complex. Braz. J. Infect. Dis., 2006, 10, 122-131.

19.    Thio C.L., Thomas D.L., Karacki P. i wsp.: Comprehensive analysis of class I and class II HLA antigens and chronic hepatitis B virus infection. J. Virol., 2003, 77, 12083-12087.

20.    Report by the Secretariat: World Health Organization Sickle-cell anaemia, 2005.

21.    Williams T.N.: Red blood cell defects and malaria. Mol. Biochem. Parasitol., 2006, 149, 121-127.

22.    Ayi K., Turrini F., Piga A. i wsp.: Enhanced phagocytosis of ring-parasitized mutant erythrocytes: a common mechanism that may explain protection against falciparum malaria in sickle trait and beta-thalassemia trait. Blood, 2004, 104, 3364-3371. 

23.    Lee J.S., Wurfel M.M., Matute-Bello G. i wsp.: The Duffy antigen modifies systemic and local tissue chemokine responses following lipopolysaccharide stimulation. J. Immunol., 2006, 177, 8086-8094.

24.    Kwiatkowski D.P.: How malaria has affected the human genome and what human genetics can teach us about malaria. Am. J. Hum. Genet., 2005, 77, 171-192.

25.    Fournier J.M., Quilici M.L.: Cholera. Presse Med., 2007, 36, 727-739.

26.    Goodman B.E., Percy W.H.: CFTR in cystic fibrosis and cholera: from membrane transport to clinical practice. Adv. Physiol Educ., 2005, 29, 75-82.

27.    Stryer L: Kierowanie białek, W: Biochemia., PWN, Warszawa, 2000, 98-1006.

28.    Global leprosy situation, 2007. Wkly. Epidemiol. Rec., 2007, 82, 225-232.

29.    Scollard D.M., Adams L.B., Gillis T.P. i wsp.: The continuing challenges of leprosy. Clin. Microbiol. Rev., 2006, 19, 338-381.

30.    Barker L.P.: Mycobacterium leprae interactions with the host cell: recent advances. Indian J. Med. Res., 2006, 123, 748-759.

31.    Mira M.T.: Genetic host resistance and susceptibility to leprosy. Microbes. Infect., 2006, 8, 1124-1131.

32.    Mira M.T., Alcais A., Van Thuc N. i wsp.: Chromosome 6q25 is linked to susceptibility to leprosy in a Vietnamese population. Nat. Genet., 2003, 33, 412-415.

33.    Miller E.N., Jamieson S.E., Joberty C. i wsp.: Genome-wide scans for leprosy and tuberculosis susceptibility genes in Brazilians. Genes Immun., 2004, 5, 63-67.

34.    Siddiqui M.R., Meisner S., Tosh K. i wsp.: A major susceptibility locus for leprosy in India maps to chromosome 10p13. Nat. Genet., 2001, 27, 439-441.

35.    Vanderborght P.R., Pacheco A.G., Moraes M.E. i wsp.: HLA-DRB1*04 and DRB1*10 are associated with resistance and susceptibility, respectively, in Brazilian and Vietnamese leprosy patients. Genes Immun., 2007, 8, 320-324.

36.    Roy S., McGuire W., Mascie-Taylor C.G. i wsp.: Tumor necrosis factor promoter polymorphism and susceptibility to lepromatous leprosy. J. Infect. Dis., 1997, 176, 530-532.

37.    Santos A.R., Suffys P.N., Vanderborght P.R. i wsp.: Role of tumor necrosis factor-alpha and interleukin-10 promoter gene polymorphisms in leprosy. J. Infect. Dis., 2002, 186, 1687-1691.

38.    Rajalingam R., Singal D.P., Mehra N.K.: Transporter associated with antigen-processing (TAP) genes and susceptibility to tuberculoid leprosy and pulmonary tuberculosis. Tissue Antigens, 1997, 49, 168-172.

39.    Suffys P., Vanderborght P.R., Santos P.B. i wsp.: Inhibition of the polymerase chain reaction by sputum samples from tuberculosis patients after processing using a silica-guanidiniumthiocyanate DNA isolation procedure. Mem. Inst. Oswaldo Cruz, 2001, 96, 1137-1139.

40.    Moraes M.O., Pacheco A.G., Schonkeren J.J. i wsp.: Interleukin-10 promoter single-nucleotide polymorphisms as markers for disease susceptibility and disease severity in leprosy. Genes Immun., 2004, 5, 592-595.

41.    Alcais A., Sanchez F.O., Thuc N.V. i wsp.: Granulomatous reaction to intradermal injection of lepromin (Mitsuda reaction) is linked to the human NRAMP1 gene in Vietnamese leprosy sibships. J. Infect. Dis., 2000, 181, 302-308.

42.    Abel L., Sanchez F.O., Oberti J. i wsp.: Susceptibility to leprosy is linked to the human NRAMP1 gene. J. Infect. Dis., 1998, 177, 133-145.

43.    Meisner S.J., Mucklow S., Warner G. i wsp.: Association of NRAMP1 polymorphism with leprosy type but not susceptibility to leprosy per se in west Africans. Am. J. Trop. Med. Hyg., 2001, 65, 733-735.

44.    Ali S., Vollaard A.M., Widjaja S. i wsp.: PARK2/PACRG polymorphisms and susceptibility to typhoid and paratyphoid fever. Clin. Exp. Immunol., 2006, 144, 425-431.

45.    Mira M.T., Alcais A., Nguyen V.T. i wsp.: Susceptibility to leprosy is associated with PARK2 and PACRG. Nature, 2004, 427, 636-640.

46.    Malhotra D., Darvishi K., Lohra M. i wsp.: Association study of major risk single nucleotide polymorphisms in the common regulatory region of PARK2 and PACRG genes with leprosy in an Indian population. Eur. J. Hum. Genet., 2006, 14, 438-442.

47.    Joint United Nations Programme on HIV/AIDS (UNAIDS): 2006 Report on the global AIDS epidemic.

48.    Julg B., Goebel F.D.: Susceptibility to HIV/AIDS: an individual characteristic we can measure? Infection, 2005, 33, 160-162.

49.    Carrington M., Nelson G.W., Martin M.P. i wsp.: HLA and HIV-1: heterozygote advantage and B*35-Cw*04 disadvantage. Science, 1999, 283, 1748-1752.

50.    Samson M., Libert F., Doranz B.J. i wsp.: Resistance to HIV-1 infection in caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene. Nature, 1996, 382, 722-725.

51.    Dean M., Carrington M., Winkler C. i wsp.: Genetic restriction of HIV-1 infection and progression to AIDS by a deletion allele of the CKR5 structural gene. Hemophilia Growth and Development Study, Multicenter AIDS Cohort Study, Multicenter Hemophilia Cohort Study, San Francisco City Cohort, ALIVE Study. Science, 1996, 273, 1856-1862.

52.    Marmor M., Hertzmark K., Thomas S.M. i wsp.: Resistance to HIV infection. J. Urban. Health, 2006, 83, 5-17.

53.    Simonsen J.N., Fowke K.R., MacDonald K.S. i wsp.: HIV pathogenesis: mechanisms of susceptibility and disease progression. Curr. Opin. Microbiol., 1998, 1, 423-429.

54.    Rubbert A., Behrens G., Ostrowski M.: Pathogenesis of HIV-1 Infection. Stereotact. Funct. Neurosurg., 2007, 64 Suppl 1, 193-201.

55.    Carrington M., Kissner T., Gerrard B. i wsp.: Novel alleles of the chemokine-receptor gene CCR5. Am. J. Hum. Genet., 1997, 61, 1261-1267.

56.    Blanpain C., Lee B., Tackoen M. i wsp.: Multiple nonfunctional alleles of CCR5 are frequent in various human populations. Blood, 2000, 96, 1638-1645.

57.    Glass W.G., Lim J.K., Cholera R. i wsp.: Chemokine receptor CCR5 promotes leukocyte trafficking to the brain and survival in West Nile virus infection. J. Exp. Med., 2005, 202, 1087-1098.

58.    Glass W.G., McDermott D.H., Lim J.K., i wsp.: CCR5 deficiency increases risk of symptomatic West Nile virus infection. J. Exp. Med., 2006, 203, 35-40.

59.    Lim J.K., Glass W.G., McDermott D.H. i wsp.: CCR5: no longer a “good for nothing” gene-chemokine control of West Nile virus infection. Trends Immunol., 2006, 27, 308-312.

60.    Gonzalez E., Kulkarni H., Bolivar H. i wsp.: The influence of CCL3L1 gene-containing segmental duplications on HIV-1/AIDS susceptibility. Science, 2005, 307, 1434-1440.

61.    Kellam P., Weiss R.A.: Infectogenomics: insights from the host genome into infectious diseases. Cell, 2006, 124, 695-697.

62.    Strunk T., Burgner D.: Genetic susceptibility to neonatal infection. Curr. Opin. Infect. Dis., 2006, 19, 259-263.

63.    Campino S., Kwiatkowski D., Dessein A.: Mendelian and complex genetics of susceptibility and resistance to parasitic infections. Semin. Immunol., 2006, 18, 411-422.

..............................................................................................................................................................

Adres do korespondencji:

Katarzyna Wertheim

Zakład Genetyki Medycznej
Instytut Matki i Dziecka
01-211 Warszawa, Kasprzaka 17a
katarzynawertheim@imid.med.pl