Остеопороз (ОП) – системное заболевание скелета, характеризующееся снижением плотности костной
массы и нарушением микроархитектуры костной ткани, что сопровождается увеличением хрупкости
костей и высоким риском переломов [4]. Остеопороз диагностируется примерно у 10% населения России (14 млн человек), что объясняется преобладанием в популяции людей пожилого возраста [5]. Особое внимание к данной патологии связано с тяжелыми последствиями для данной категории населения: переломами позвонков и костей периферического скелета, особенно шейки бедра, и в результате повышением инвалидности и смертности лиц пожилого возраста [4]. Известно, что одним из факторов риска развития ОП является низкая минеральная плотность костной ткани (МПК). Показана высокая значимость наследственной составляющей в генезе заболевания: описана высокая конкордантность близнецов (60–90%) по значению МПК и в 45–70% случаев особенности МПК передаются от родителей детям [15]. Таким образом, мы можем говорить о значимом вкладе генетических факторов в развитие постменопаузального остеопороза (ПМО). В связи с этим все более пристальное внимание уделяется поиску генов-кандидатов, ответственных за развитие заболевания и определение генных полиморфизмов (SNP – single nucleotide polymorphism), ассоциированных с различными звеньями патогенеза.
Современные представления о генной сети остеопороза
Одним из первых изучаемых генов-кандидатов явился ген рецептора витамина D (VDR), локализованный на хромосоме 12 [2, 26]. Рецептор витамина D – внутриядерный гормон-рецептор для витамина D3. Этот рецептор способен изменять экспрессию генов, вовлеченных в гомеостаз кальция, что может приводить к снижению МПК [16].
Однако у части женщин с переломами в постменопаузе отмечается нормальная МПК. Данное обстоятельство можно объяснить нарушением структуры белковой составляющей костного матрикса, в частности коллагена I типа [27]. Благодаря коллагену костная ткань сочетает твердость и прочность с эластичностью и гибкостью, а полиморфизм в регуляторной области гена СОL1А1, кодирующего α-1 цепь коллагена I типа, приводит к изменению соотношения α-1 и α-2 цепей белка, и, как следствие, к нарушению структуры коллагена кости [1].
Постменопауза – это период в жизни женщины, характеризующийся недостатком половых гормонов, и в первую очередь эстрогенов. Дефицит эстрогенов приводит к нарушению ремоделирования в сторону преобладания костной резорбции над процессом формирования кости [27]. Известно, что эстрогеновые рецепторы определяются как на остеокластах, так и на остеобластах, а эстрогены ингибируют процесс костной резорбции, уменьшая количество, активность и продолжительность жизни последних. Кроме того, эстрогены обладают анаболическим эффектом в отношении остеобластов. Несмотря на то что все еще не до конца понятен механизм регуляции резорбции, предполагается, что дефицит эстрогенов связан с продукцией различных прорезорбтивных цитокинов, подобных интерлейкину-6 (ИЛ-6), которые способствуют остеокластогенезу и ингибируют апоптоз остеокластов [27]. Результаты клинических исследований указывают на увеличение количества растворимого рецептора ИЛ-6 в отсутствие эстрогенов у человека. G. Girasole и соавт. обследовали женщин, перенесших только гистерэктомию, овариэктомию или овариэктомию с последующей трансдермальной заместительной терапией эстрогенами. В течение года после операции наряду с ожидаемым повышением показателей формирования и резорбции костной ткани наблюдалось увеличение уровня растворимого рецептора ИЛ-6 на 35% и повышение концентрации ИЛ-6 в сыворотке крови на 20%. Заместительная эстрогенотерапия способствовала нормализации уровней ИЛ-6 и его растворимого рецептора, повышавшихся после овариэктомии [27].
Таким образом, дефицит эстрогенов индуцирует повышение уровня маркеров костного ремоделирования и ухудшение кортикальных и трабекулярных структур, приводящих к ломкости
кости в различных отделах позвоночника.
Другим механизмом развития ПМО вследствие дефицита эстрогенов является активация системы RANK/RANKL/ОPG, занимающая одно из центральных мест в гомеостазе костной ткани [12]. RANK/RANKL/ОPG – представители семейства факторов некроза опухоли (TNF). RANKL – лиганд для активатора рецептора NF-κβ (RANK). RANKL экспрессируется на поверхности остеобластов, стимулируя остеокластогенез, связываясь с RANK на поверхности предшественников остеокластов. Когда RANKL связывается с RANK на зрелых остеокластах, стимулируется костная резорбция и ингибируется апоптоз остеокластов. Кроме того, наличие RANKL необходимо для выживания остеокластов. OPG, который продуцируется и секретируется остеобластами, действует как рецептор-ловушка для RANKL, предотвращая его взаимодействие с RANK и, как следствие, блокируя все последующие эффекты костной резорбции.
В соответствии с высказанной авторами гипотезой, степень костного ремоделирования контролируется балансом между экспрессией OPG и экспрессией RANKL. Когда равновесие смещается в сторону OPG, процесс костной резорбции ингибируется и преобладает процесс формирования костной ткани. В случае превалирующего влияния RANKL наблюдается обратный процесс, а именно резорбция кости. У женщин в постменопаузе выявляется высокий уровень RANKL на клетках стромы зрелых остеобластов по сравнению с женщинами в пременопаузе или женщинами в постменопаузе, получающих заместительную гормонотерапию. Эта экспрессия напрямую связана с биохимическими маркерами костной резорбции и обратно коррелирует с уровнем 17β-эстрадиола в сыворотке. Это дает возможность предположить, что дефицит эстрогенов приводит к смещению равновесия RANKL/OPG в сторону костной резорбции. В то же время эстрогены и селективный модулятор эстрогеновых рецепторов ралоксифен стимулируют синтез OPG, а 17β-эстрадиол подавляет синтез важных маркеров активации RANK. Из этого следует, что эстрогены необходимы для поддержания нормального уровня OPG, который в свою очередь предотвращает активацию RANK через RANKL [12] (см. рисунок).
Рисунок. Роль RANK и RANKL в ремоделировании костной ткани (А) и регуляция связывания RANK/RANKL остеопротегирином (В) [10].
Роль OPG в физиологии кости была изучена у мышей, выращенных методом генной инженерии. Оказалось, что в условиях чрезмерной экспрессии OPG проявляется генерализованное повышение МПК. Интересно отметить, что размер и форма костей подопытных мышей не изменялись, и кроме спленомегалии никакой другой патологии не было выявлено. Введение OPG нормальным мышам также вызывало повышение МПК. Эти изменения были схожи с теми, которые возникали при приеме бисфосфоната памидроната. Кроме того, показано, что OPG может блокировать остеокластогенез in vitro. Эти результаты дают возможность предположить, что OPG действует как эндогенный антирезорбтивный субстрат, ингибируя созревание остеокластов. Причем известно, что OPG может препятствовать потере костной ткани у кастрированных кроликов почти в той же степени, как и при терапии памидронатом [12].
Уровень OPG увеличивается в сыворотке крови с возрастом. Возможно, что выработка OPG увеличивается как гомеостатический ответ для уменьшения потери костной массы. Полиморфизм генов TNFRSF11B (OPG), RANK, RANKL ассоциированы как с остеопорозными переломами, так и со снижением МПК [12].
Следующий претендент на доминирующую роль в развитии заболевания – липопротеин низкой плотности (LRP-5), который является ко-рецептором одного из компонентов Wnt-пути [9]. Wnts – это гликопротеины, представители большого семейства факторов роста, регулирующие функции остеобластов. Образование комплекса LRP-5/Wnt инициирует каскад сигналов, одним из которых является канонический/бетакатениновый( canonical/beta-catenin ) путь [9]. Передача сигнала по каноническому Wnt-пути играет важную роль в контроле формирования кости [9]. В результате исследований было показано, что мутация LRP-5 связана с уменьшением МПК и переломами. Исследования трансгенных мышей с выключенными генами компонентов Wnt-пути показали, что передача сигнала по каноническому Wnt-пути модулирует большинство процессов, связанных с физиологией остеобластов, таких как пролиферация, дифференцировка и апоптоз. Первые доказательства участия передачи сигнала по каноническому Wnt-пути в формировании кости были получены в ходе генетического исследования больных с синдромом остеопороза-псевдоглиомы и повышенной МПК. Gone и соавт. сообщили, что многочисленные nonsense и frame-shift мутации
на всем протяжении участка, кодирующего ко-рецептор LRP-5 Wnt является основной причиной развития синдрома остеопороза-псевдоглиомы [9]. Мутации, приводящие к потере функции, сопровождаются трагическим снижением минерализации трабекул, ранними переломами и деформациями скелета вследствие уменьшения прироста костной массы. Kato и соавт. показали,
что делеция гена LRP-5 у мышей сопровождается уменьшением МПК в позвоночнике по сравнению с нормальными мышами [9]. У мышей с выключенными генами LRP-5 также отмечались переломы костей. Динамический гистоморфометрический анализ позвонков мышей с отсутствием гена LRP-5 показал, что делеция LRP-5 привела к ингибированию функции остеобластов и уменьшению их количества
в трубчатых костях. Этот результат коррелировал с уменьшением пролиферации остеобластов в своде черепа. Однако скорость апоптоза и дифференцировки остеобластов не изменялись при потере LRP-5. В то же время мутации, связанные с усилением функции гена LRP-5 у мышей, полученных методом трансгенной инженерии, приводят к увеличению МПК [26]. Две группы ученых, одна под руководством Little, другая во главе с Boyden обнаружили, что мутация гена LRP-5 (G171V) у человека сопровождается повышением МПК в шейке бедра и поясничном отделе позвоночника [9].
Таким образом, по мере углубления знаний о патогенезе заболевания в поле зрения исследователей включаются все новые и новые генные полиморфизмы. В последние годы появились публикации западных исследователей, в которых представлены результаты анализа ассоциации полиморфизма генов ESR, LRP-5, OPG, RANK, RANKL с МПК и переломами. По имеющимся в доступной литературе ссылкам в России аналогичных работ практически нет.
Основные генные полиморфизмы, ассоциированные с остеопорозом
Эстрогеновые рецепторы
На сегодняшний день известны две разновидности эстрогеновых рецепторов: α (ген ESR1) и β (ген ESR2). Наибольшее значение в генезе ОП отводится гену ESR1, локализованому на хромосоме 6 [26]. Было проведено 3 мета-анализа. В процессе исследования полиморфизмов Хbal (rs 9340799) и Pvull (rs 2234693) в интроне 1 у 5834 женщин в 30 группах было показано, что у ХХ гомозигот отмечалась более высокая МПК и уменьшение риска переломов по сравнению с носителями х аллеля 7.
Однако не было выявлено влияния полиморфизма Pvull ни на МПК, ни на риск переломов [18]. В соответствии с данными исследования, в котором представлены результаты анализа этих же полиморфизмов вместе с подсчетом количества повторов (ТА) в промоторной области гена у 18 917 испытуемых из 8 европейских центров, устойчивую взаимосвязь с уменьшением риска переломов удалось выявить только для полиморфизма Хbal [19]. Следует отметить, что гаплотип ESR1 связан с физико-механическими параметрами кости, определяющими ее прочность и упругие свойства [7].
В третьем мета-анализе, основанном на результатах обследования 4297 китайских женщин, выявили связь между полиморфизмом Pvull и МПК в шейке бедра [35]. В ходе GWAS (genomewide association study, полный геномный поиск ассоциаций) был обнаружен новый полиморфизм (rs 1999805), связанный с МПК, влияющий на сплайсинг ESR1 и наследующийся независимо от полиморфизмов Хbal и Pvull [31]. Эта взаимосвязь была подтверждена крупномасштабным мета-анализом 5 GWAS[30]. C.L. Wang и соавт. определили 25 SNP в гене ESR1 у 700 китайцев пожилого возраста и выявили взаимосвязь новых SNP (rs 3020314 и rs 1884051) и перелома шейки бедра [34]. Более того, В.М. Lai и соавт. впервые описали нуклеотидный повтор (СА)n в интроне ESR1 у 452 пре-, 110 пери- и 622 постменопаузальных женщин с юга Китая. В статье выявлена очевидная связь между полиморфизмом,
изменениями МПК, степенью потери костной массы и риском переломов у женщин в постменопаузе. Отметим, что для испытуемых в пременопаузе данной связи не было выявлено [21]. Положительная взаимосвязь ESR2, МПК и риска переломов была показана в ходе 15 исследований. В ходе этих исследований при выделении 6 SNP у 6343 лиц пожилого возраста было показано, что полиморфизм ESR2 влияет на риск переломов у женщин в постменопаузе как непосредственно, так и вследствие взаимодействия с ESR1 и IGFI [29]. При анализе ESR2 (rs 4986938) у 641 здоровой женщины в пременопаузе в возрасте от 20 до 50 лет обнаружили, что данный полиморфизм обладает возрастпецифическим воздействием на особенности костной ткани [24].
TNFRSF11B (OPG)
Y.H. Lee и соавт. провели мета-анализ, включивший 7 исследований, с целью выявить связь между
полиморфизмом TNFRSF11B и МПК. Из трех полиморфизмов [1181G>C (rs 2073618), 163A>G (rs 3102735) и 950T>C (rs 2073617)] взаимосвязь с МПК поясничного отдела позвоночника как для европейцев, так и для азиатов была выявлена для носителей 1181G>C, а связь с МПК в шейке бедра выявлена только для европейцев [22].
Тем не менее в другом исследовании, в котором изучали влияние 9 SNP гена OPG, включающих 1181G>C у 1873 испытуемых из 405 европейских семей, не было выявлено какой-либо значимой связи с изучаемыми фенотипами [14]. Необходимо сказать о результатах, полученных в ходе GWAS: выявлена значительная взаимосвязь МПК поясничного отдела позвоночника и шейки бедра с двумя SNP (rs 64469804 и rs 6993813). Данные SNP находятся в неравновесном сцеплении с полиморфизмами 1181G>C и 163A>G [31].
Более высокая МПК в поясничном отделе позвоночника (р=7,6 10) и шейке бедра (р=3,3 10)
у носителей G аллеля (rs 4355801), локализованного в 3′-UTR гена TNFRSF11В связана с более высокой экспрессией гена TNFRSF11В [30]. Полученные результаты исследований подтверждены мета-анализом в 5 GWAS [30].
RANK (TNFRSF11А)
Из трех исследований по выявлению взаимосвязи полиморфизма RANK с ОП в популяции корейских женщин, в двух работах взаимосвязь полиморфизма RANK с ОП отсутствовала (анализировали полиморфизм 575С>Т на 650 и 385 испытуемых соответственно) [11]. В третьем исследовании(560 пациенток) не было выявлено взаимосвязи полиморфизма 575С>Т и МПК, но отмечена связь между двумя полиморфизмами в интроне с МПК в поясничном отделе позвоночника (р=0,04 и 0,02 соответс-
твенно) [20].
Y.H. Hsu и соавт. изучали полиморфизм 575С>Т у 1120 китайцев как с экстремально низкой МПК
в шейке бедра (285 мужчин, 270 женщин), так и с высокой МПК в шейке бедра (290 мужчин, 275
женщин). Взаимосвязь данного полиморфизма выявили с МПК только у мужчин [17].
RANKL( TNFRSF11)
Первый анализ RANKL в качестве гена-кандидата в развитии ОП провели в 2006 г. две группы ученых. Hsu Y.H. и соавт. изучали на популяции китайцах влияние RANKL вместе с OPG и RANK у пациентов как с экстремально низкой МПК в шейке бедра (285 мужчин, 270 женщин), так и с высокой МПК в шейке бедра (290 мужчин, 275 женщин) [17]. В ходе исследования было обнаружено, что полиморфизм Т>С (rs 9594782), который локализуется в 5-UTR гена RANKL связан с МПК только у мужчин [20]. Группа
ученых во главе с доктором F.Y. Deng провели анализ RANKL у 1873 испытуемых из 405 европейских семей. В результате выявили взаимосвязь RANKL и МПК в шейке бедра. Кроме того, обнаружили ассоциацию между полиморфизмом -290С>Т и МПК в поясничном отделе позвоночника (на 239 женщинах в постменопаузе, в Словении) [13, 25]. В исследовании GWAS показана связь между полиморфизмом RANKL (rs 9594759) и МПК в поясничном отделе позвоночника [31]. Данная взаимосвязь подтверждена мета-анализом 5 GWAS[30].
LRP-5
В многочисленных публикациях была показана устойчивая взаимосвязь общих SNP гена LRP-5 и МПК. В исследовании GENOMOS генотипировали 2 наиболее часто встречающихся и изученных non-synonymous SNP, Val 1667 Met и Ala 1330 Val у 37 534 обследованных жителей Европы и Северной Америки. В результате проведенного анализа было показано, что оба SNP были связаны с уменьшением МПК в поясничном отделе позвоночника и шейке бедра и увеличением риска вертебральных переломов. Данная взаимосвязь была обнаружена в разных популяциях и не зависела от возраста и пола [33].
Кроме того, в мета-анализе 10 исследований, включавших 16 705 испытуемых, выявили умеренное воздействие полиморфизма Ala 1330 Val на МПК во всей популяции [32]. В ходе исследования GWAS, проведенном Richard J.B. и соавт. и мета-анализа 5 GWAS также была выявлена взаимосвязь LRP-5 и МПК [28, 30].
VDR
Влиянию полиморфизма гена VDR посвящен ряд работ. В частности, в работе А.Н. Тагиевой была изучена связь между полиморфизмом генов рецептора витамина D , эстрогенового рецептора a и a-1 цепи коллагена I типа с переломами запястья у 73 женщин с постменопаузальным ОП и в естественной менопаузе [6]. В статье И.Е. Зазерской выявлена корреляция между аллелями генов COL1A1 и VDR3 и скоростью потери МПК у женщин в постменопаузе. Всего были обследованы 119 женщин в постменопаузе, из них 70 – с хирургической менопаузой и 49 – с естественной [3]. Следует отметить противоречивость представленных результатов клинических исследований относительно взаимосвязи вышеперечисленных генных полиморфизмов с МПК [23, 8].
При анализе взаимосвязи полиморфизма FokI и МПК у 6 698 американок с генотипом С/С в возрасте старше 65 лет отмечена значительно сниженная МПК в дистальном отделе лучевой кости; умеренное, но достоверное увеличение риска невертебральных, низкотравматичных переломов и в 30% случаев – повышенный риск переломов запястья по сравнению с носителями генотипа Т/Т [36]. Последующие мета-анализы, проведенные европейскими учеными, в которых изучали полиморфизмы Cdx2 (локализуется в промоторе), FokI, BsmI, ApaI и TaqI у 26 242 испытуемых частично подтвердили вышесказанное. Во-первых, ни один из исследованных полиморфизмом не был связан с МПК. Во-вторых,
наличие Cdx2 А аллеля сопряжено с увеличением риска вертебральных переломов в 9% случаев
(р=0,039) [36]. In vitro показано, что при наличии Cdx2 А аллеля отмечается более высокое сродство к фактору транскрипции и значительно более высокая транскрипционная активность по сравнению с носителями аллеля Cdx2-G [36].
В широкомасштабном анализе 15 SNP, маркирующих гаплотипы, у 6148 лиц пожилого возраста
была выявлена связь между определенным гаплотипом в промоторном участке и 3-нетранслируемом регионе (3′-UTR) с повышенным риском переломов. In vitro было показано, что гаплотип риска в промоторной области связан с уменьшением экспрессии гена. Характерно, что МПК не зависит от изменения 3′-UTR. Гаплотип риска 3′-UTR сопровождается повышением деградации mRNA. У носителей данных аллелей отмечается более низкий уровень mRNA VDR [36].
Таким образом, в последние годы все более пристальное внимание уделяется поиску генов-кандидатов, ответственных за развитие ПМО. Приведенные выше результаты исследований указывают на участие большого числа генов в развитии заболевания. Следствием этого является низкая информативность отдельных маркеров в качестве предикторов ПМО. В связи с этим возникает необходимость изучения
широкого спектра генных полиморфизмов с учетом новейших данных о структуре генной сети
ПМО. Одним из ключевых генов, определяющих структуру костной ткани, является ген ESR1. Продемонстрированы существенные различия в клинической эффективности ряда генных полиморфизмов в зависимости от расовой принадлежности, однако в России таких работ пока очень мало.
