Основные понятия медицинской генетики в практике дерматолога и косметолога

В последнее время в косметологии и дерматологии появился интерес к тестированию генетических особенностей организма. Такое тестирование стало актуально не только для врача, но и для пациента при выборе алгоритма эффективного проведения процедур. Основную сложность для врача эстетического профиля представляет интерпретация полученных результатов. Врачу необходимо самостоятельно разбираться в полученных результатах генетического тестирования, так как лаборатории не предоставляют расширенную интерпретацию по каждому пациенту с учетом индивидуальных особенностей. Как правило, врач получает автоматизированный отчет без привязки к конкретному пациенту. Наша задача при работе с пациентами использовать отчет по генетическому тестированию как один из дополнительных этапов диагностики. Таким образом, на основании полученных данных, анамнеза, осмотра, дополнительных методов исследования, включая аппаратную диагностику кожи и результатов генетического тестирования, врач может составить индивидуальный план работы с пациентом [1]. Кроме того, результаты генетического тестирования можно применять при решении вопроса о конкретных эстетических процедурах и прогнозах их эффективности. Например, можно опираться на результаты полученных анализов при выборе степени агрессивности воздействия таких процедур, как пилинг или лазерная шлифовка кожи.

Таким образом, необходимость генетического тестирования и понимание его результатов становятся актуальными при работе с пациентом в косметологии. Косметологу и дерматологу для работы с генетическими тестами необходимо разобраться с общими определениями, существующими в генетике.

Согласно определению, медицинская генетика — это область медицины, наука, изучающая наследственность и изменчивость в популяции людей, роль наследственных факторов в возникновении патологии у человека, а также зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды [2]. Вся генетическая информация об организме (о структуре белков и нуклеиновых кислот) заключена в молекулы ДНК и РНК в виде последовательностей нуклеотидов — это и есть гены [3].

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — одна из трех основных макромолекул, обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. В молекуле ДНК записан так называемый генетический код, который состоит из нуклеотидов. В свою очередь каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибоза) и фосфатной группы. У человека молекула ДНК состоит из 2 цепочек нуклеотидов, ориентированных друг по отношению к другу азотистыми основаниями, закрученными по винтовой линии [4, 5] (рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы ДНК (Deoxyribonucleic Acid, DNA).

Sugar-hosphate backbone — фосфатно-углеводное основание, Base pairs — пары оснований (нуклеотидов): A — аденин, G — гуанин, T — тимин, C — цитозин, P — фосфатная группа, S — сахар (дезоксирибоза), Nucleotide — нуклеотид, Hydrogen bonds — водородные связи, Major Groove — основная складка (с более доступными для считывания основаниями), Minor Groove — дополнительная складка (с менее доступными для считывания основаниями). (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov: Talking glossary of genetic terms: Deoxyribonucleic Acid. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid)

Всего в ДНК встречается 4 вида азотистых оснований: аденин (A), гуанин (Г/G), тимин (T) и цитозин (Ц/C). Азотистыми основаниями нуклеотидов могут быть производные пурина — аденин и гуанин (рис. 2) [6] и производные пиримидина — тимин и цитозин (рис. 3) [7].

Рис. 2. Пиримидиновые основания в составе ДНК.

Cytosine (C) — цитозин, Thymine (T) — тимин. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Cytosine. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Cytosine).

Рис. 3. Пуриновые основания в составе ДНК.

Guanine (G) — гуанин, Adenine (A) — аденин. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Guanine. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/guanine).

Две цепочки ДНК соединяются между собой водородными связями между азотистыми основаниями. При этом образование связей происходит по принципу комплементарности, т.е. аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином. Поэтому при расшифровке генотипа указывается последовательность нуклеотидов (генов) только одной цепочки ДНК, вторая комплементарна ей. В клетке цепочки ДНК находятся в составе хромосом. Основа хромосомы — линейная молекула ДНК значительной длины (порядка 2 м). Для размещения ДНК в ядре необходима ее упаковка в хроматин, при этом происходит многократное уменьшение ее линейных размеров. Сначала происходит накручивание ДНК на нуклеосомы, образовавшаяся нуклеосомная нить компартизуется в фибриллу, а она сворачивается в гигантские петли, закрепленные на белковой скелетной структуре ядра — ядерном матриксе (рис. 4) [8]. Перед делением клетки происходят дальнейшая упаковка и утолщение, и тогда в световой микроскоп в клетке можно рассмотреть хромосомы вида буквы Х (чаще с неравномерными плечами) [9].

Рис. 4. Упаковка молекулы ДНК в хромосомы.

Double helix — двойная спираль ДНК, «Beads on a string» DNA wound on nucleosomes — «бусы на веревочке» — ДНК, намотанная на нуклеосомы, Histones — гистоны, Chromatin fiber — волокна хроматина, Chromosomes — хромосомы. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Chromatin. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020.

https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromatin)

Вторая молекула, обеспечивающая хранение и реализацию генетической программы, — молекула РНК. РНК (рибонуклеиновая кислота) представляет собой одиночную цепочку нуклеотидов, кодирующих генетическую информацию. Нуклеотиды состоят из азотистого основания, сахара (рибозы) и фосфатной группы. В РНК встречается 4 вида азотистых оснований: аденин (A), гуанин (Г/G), цитозин (Ц/C) и урацил (У/U). Нуклеотиды в РНК комплементарны нуклеотидам в ДНК, но аденину комплементарен урацил (вместо тимина). Наиболее важные типы РНК: матричная, или информационная — мРНК (посредник при передаче информации от ДНК к рибосомам, осуществляющим синтез белка) (рис. 5) [10], транспортные — тРНК (переносят специфические аминокислоты к рибосомам) и рибосомальные РНК — рРНК (принимают участие в формировании рибосом) (рис. 6) [11—13].

Рис. 5. Образование матричной РНК (мРНК) в процессе транскрипции ДНК.

Cell — клетка, Nucleus — ядро, Antisense stand — антисмысловая цепь ДНК, Sense stand — смысловая цепь ДНК, RNA polymerase — РНК-полимераза, RNA Transcript — синтезированная молекула РНК, Messenger RNA (mRNA) — матричная РНК (мРНК) — an RNA version of the gene that leaves the cell nucleus and moves to the cytoplasm (информация с гена в виде мРНК покидает ядро и направляется в цитоплазму), Cytoplasm — цитоплазма. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Messenger RNA. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/messenger-rna)

Рис. 6. Образование полипептидной цепи в процессе трансляции (During translation).

Growing Polypeptide chain — растущая полипептидная цепь, tRNA — тРНК, mRNA — мРНК, Amino Acid — аминокислота, Anticodon — антикодон, Codons — кодоны, Ribosome — рибосома (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Transfer RNA. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Transfer-RNA)

Третья молекула, обеспечивающая хранение и передачу генетической программы, — белок. Белки — это цепочки аминокислот, соединенных пептидной связью (первичная белковая структура). После процесса трансляции на рибосоме структура белковой молекулы подвергается пространственному изменению (рис. 7) [14]. Всего выделяют 4 уровня организации белковой молекулы: первичный — цепь из последовательности аминокислот, вторичный — возникает при образовании водородных связей между аминокислотами, при этом может происходить закручивание по спирали, образуя альфа-спираль или складывание в виде гармошки с формированием плиссированной полоски. Третичная структура — организация и расположение в пространстве молекулы, четвертичная структура — присоединение других полипептидных цепей. Состав аминокислот в белке определяется генетическим кодом, при синтезе используется набор из 20 аминокислот. Функции белков в организме очень разнообразны, для врачей-косметологов наиболее важными белками дермы являются коллаген и эластин.

Рис. 7. Уровни организации белковой молекулы.

Amino Acids — аминокислоты, Alpha helix — альфа-спираль, Pleated sheet — плиссированная полоска. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Protein. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Protein)

Генетическая информация, записанная в ДНК, в конечном счете реализуется синтезом биополимеров, из которых состоят клетки. В результате транскрипции информация с ДНК записывается на мРНК, а в результате трансляции собирается белковая молекула из последовательности аминокислот на рибосоме на основании информации с мРНК.

Для чего описаны некоторые основы? При наличии у пациента нарушения функционирования кожи ошибка может возникнуть на любом этапе передачи информации, и задача изучения результатов генетического теста — максимально полноценно проследить генную сеть, отвечающую за функционирование кожи, и найти потенциальные зоны риска. В отчете по результатам генетического тестирования будет в том числе присутствовать обозначение аллелей генотипов, выраженное через обозначения нуклеотидов (A, G, C, T), и грамотному врачу необходимо понимать базовые определения медицинской генетики.

ДНК является материальным носителем генетической информации. Наш геном содержит всю необходимую биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма [15]. Генетическая информация генома состоит из генов, таким образом, ген — это единица передачи наследственной информации в организме, влияющая на определенную характеристику организма. Ген представляет собой участок ДНК, состоящий из открытой рамки считывания (место, откуда начинается передача его информации на мРНК), информационной части, а также регуляторных последовательностей (рис. 8) [16]. У человека весь наследственный материал представлен 23 парами хромосом в ядре (22 пары аутосом и пара половых хромосом); кроме того, клетка обладает множеством копий митохондриальной ДНК.

Рис. 8. Расположение гена в составе хромосомы.

Chromosome — хромосома, Gene — ген, DNA (Deoxyribonucleic Acid) — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Gene. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Gene)

В ходе выполнения проекта «Геном человека» определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. Полное секвенирование генома (определение нуклеотидной последовательности) выявило, что геном содержит порядка 1,5% активных генов (кодируют белки или функциональные РНК) [17]. Остальная часть генома состоит из некодирующей ДНК (ранее ее называли мусорной ДНК — junk DNA) [18], эта ДНК играет важную роль в регуляции активности генов [19].

Сборка белка из аминокислот на рибосоме происходит согласно генетическому коду. Таким образом, генетический код (Genetic code) — это правила, по которым последовательность нуклеотидов на мРНК переводится в последовательность аминокислот для формирования белковой молекулы. Единица генетического кода, представленная тремя нуклеотидными остатками (триплет) в ДНК или РНК, называется кодоном (кодирующий тринуклеотид). Существует несколько вариантов кодонов (рис. 9) [20]: кодоны, кодирующие определенные аминокислоты [21, 22], старт-кодон — место, откуда начинается синтез белковой молекулы [23], стоп-кодоны (терминаторные) — место окончания синтеза белковой молекулы [24].

Рис. 9. Виды кодонов (Codon) на мРНК (mRNA) и соответствующие аминокислоты (amino acids).

Для стоп-кодонов (Stop Codon) нет соответствующих аминокислот. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Codon. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Codon)

Соответствия кодонов и аминокислот неслучайны [25]. Так, у аминокислот с общим путем биосинтеза, как правило, одинаковая первая позиция кодона, кодоны аминокислот со схожими физико-химическими свойствами также, как правило, похожи, что смягчает последствия мутаций и нарушений трансляций [26, 27].

Ранее упоминалось, что у человека хромосомы (а значит, генетический материал) парные, отсюда происходит еще одно понятие, необходимое при работе с генетическими тестами, — аллели. Аллели — это различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) парных хромосом. Аллели определяют направление развития конкретного признака [28]. При этом если в организме присутствуют 2 одинаковых аллеля одного гена, то организм называется гомозиготным, если разные аллели — гетерозиготным (рис. 10) [29].

Рис. 10. Пример расположения аллелей на хромосомах и варианты гомозиготных (Homozygous) и гетерозиготных (Heterozygous) генотипов.

(Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Homozygous. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/homozygous)

Различают доминантные и рецессивные аллели: доминантные в гетерозиготном организме маскируют или полностью подавляют проявление второго (рецессивного) аллеля. Степень подавления рецессивного признака может быть разная: полное доминирование (полностью подавляется рецессивный признак), неполное доминирование (у гетерозигот появляется промежуточный признак), сверхдоминирование (у гетерозиготы доминантный признак проявляется больше всего), кодоминирование (появление у гетерозиготы нового признака), доминирование, связанное с полом (проявление признака зависит от пола) [28].

Обычно аллели обозначают буквами (часто по первой букве кодируемого гена), при этом доминантный аллель — заглавной (прописной) буквой, рецессивный — маленькой (строчной).

В доступных (на Российском рынке) генетических тестах, применяемых в дерматологии и косметологии, используется обозначение генотипа для определенного локуса гена. При обозначении генотипа указываются варианты нуклеотидов, встречающиеся в гомологичных локусах хромосом на участке того или иного гена; при этом аллели обозначаются заглавными буквами соответствующих нуклеотидов (A, C, T, G). Доминантный аллель — это тот, который чаще встречается в популяции, а рецессивный — тот, который встречается реже (рецессивным чаще является мутантный аллель). Соответственно для определения доминантности или рецессивности необходимо знать популяционное распространение аллелей, но компании-производители реагентов при расшифровке результатов для удобства или обозначают аллели разным цветом, или указывают распространенность данного генотипа (в %, с пояснением о предрасположенности к снижению, повышению или нормальному проявлению признака).

Для наглядного примера можно посмотреть выдержку из отчета по результатам генетического тестирования (см. таблицу).

Пример результата генетического тестирования

Примечание. Rs — референсный сиквенс человека (Reference Sequence); COL1A1 — collagen type I alpha 1 chain, ген, кодирующий про-α1 цепь коллагена типа I; MMP1— matrix metallopeptidase 1, ген, кодирующий матриксную металлопротеазу 1; MMP3 — matrix metallopeptidase 3, ген, кодирующий, матриксную металлопротеазу 3.

При оценке результатов тестирования (см. таблицу) видно, что ген COL1A1 не имеет генетического полиморфизма, а значит, отсутствует повышенный риск нарушения образования коллагена (по сравнению с популяционным риском). Ген ММР1 имеет генетический полиморфизм (рецессивная гомозигота), ген ММР3 также имеет генетический полиморфизм (гетерозигота), наличие подобных полиморфизмов ведет к риску снижения функции соответствующих ферментов (риск выше в случае рецессивной гомозиты). В целом при наличии подобных результатов предполагается, что у пациента дисбаланс по вероятным рискам нарушения процессов синтеза и деградации коллагена: при отсутствии риска изменения синтеза коллагена повышен риск нарушения его деградации. Полученные результаты снижения вероятности быстрой деградации коллагеновых волокон являются показателем достаточного уровня поддержания механических свойств кожи для ответа на косметологические процедуры, направленные на улучшение качества кожи. Тогда как следствием повышенного риска нарушения деградации коллагена является формирование гипертрофических рубцов и фиброза после различных инвазивных процедур.

При репликации ДНК (создании дочерних ДНК-цепей) могут возникать ошибки в синтезе дочерней ДНК-мутации, которые могут влиять на фенотип, если затрагивают кодирующую область гена [30]. Ошибки происходят достаточно редко (1 на 10–100 млн пар оснований), исправлением большинства ошибок занимается фермент ДНК-полимераза [31, 32]. По сути мутации — это стойкие изменения генома, способные передаваться из поколения в поколение. При критическом накоплении мутаций могут возникать раковые клетки, геном которых в сущности содержит историю мутагенных процессов [33]. Некоторые клетки рака могут содержать в себе тысячи мутаций [34].

Мутации бывают геномными (изменение количества хромосом), хромосомными (перестройка хромосом), генными, или точечными (изменение первичной структуры ДНК) [35, 36].

Мутации не всегда ассоциируются с возникновением отрицательных признаков, иногда они добавляют полезные признаки [37], такие мутации называются адаптационными. Более узким понятием мутаций представляется генетический полиморфизм.

По сути генетический полиморфизм — это структурное изменение гена вследствие мутаций. По своему определению генетический полиморфизм — это менделевский признак, встречающийся в популяции, по крайней мере, в двух вариантах с частотой не менее 1% для каждого [38]. Отличие определения полиморфизма и мутации довольно условное и заключается в том, что генетический полиморфизм может встречаться более чем в 1% случаев у населения, а мутации — чаще менее 1%. Качественный генетический полиморфизм представлен преимущественно однонуклеотидными заменами (Single nucleotide polymorphism — SNP) — это отличие последовательности ДНК размером в один нуклеотид в геноме представителей одного вида или между участками гомологичных хромосом (рис. 11) [39]. Если при существовании 2 последовательностей ДНК они различаются на один нуклеотид, тогда говорят о существовании 2 аллелей.

Рис. 11. Пример однонуклеотидного полиморфизма (Single nucleotide polymorphism (SNP).

Individual — организм 1, 2, Chr — хромосома, copy — копия. (Courtesy: National Human Genome Research Institute, www.genome.gov; Talking glossary of genetic terms: Polymorphism. National Human Genome Research Institute. Accessed 23 April 2020. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Polymorphism)Fig. 11. Single nucleotide polymorphism (SNP).

Классификация однонуклеотидных полиморфизмов такая же, как у точечных мутаций. Существуют различные базы данных SNP (однонуклеотидных полиморфизмов): dbSNP — база данных SNP, сводный общественный архив [40]; SNPedia — биоинформативный вики-сайт [41]; база данных GWAS (Genome Wide Association Studies — полногеномный скрининг ассоциаций [42, 43]; International HapMap Project — исследование карты гаплотипов человеческого генома [44]; MirSNP — база данных однонуклеотидных полиморфизмов, изменяющих сайты связывания микроРНК [45]. Общепринятое обозначение полиморфизмов — по референсному сиквенсу человека (Reference Sequence — Rs). Все Rs собраны в базу данных, и на основании этого определяются доминантные и рецессивные аллели.

Интерес к SNP значительно повысился после окончания полногеномного исследования, так как разнообразием ДНК объясняется различное течение заболеваний, различные реакции на патогены, лекарственные препараты и т.п. Наследуемые изменения генов определяют уникальный биохимический профиль каждого человека и играют решающую роль в наследственной предрасположенности к мультифакториальным заболеваниям. Исследования различных вариантов ДНК ведут к большему пониманию рисков, комплекса причин и методов лечения различных заболеваний [46].

Согласно различным исследованиям и данным медицинской генетики, наследственные болезни (напрямую связанные с мутациями) составляют только 1,5%. Большое количество остальных болезней появляется в результате сочетания неблагоприятных внешних факторов и особенностей генома [47], предрасполагающих к заболеванию, таким образом, реализуются мультифакториальные заболевания [48]. При этом гены, вовлеченные в генез мультифакториальных заболеваний, называются генами предрасположенности. Гены предрасположенности — это мутантные гены (аллели), которые совместимы с рождением и жизнью, но при определенных условиях способствуют развитию того или иного мультифакториального заболевания [49]. В развитие того или иного патологического процесса могут быть вовлечены разные группы генов. При этом сочетание различных аллельных вариантов генов в норме или вовлеченных в развитие конкретной патологии получило название «генные сети», в которых выделяют главные (центральные) и дополнительные (вспомогательные) гены.

Для всех мульфакториальных заболеваний реализация генотипа в фенотип всегда имеет вероятный характер. В будущем планируется внедрить в практику автоматический расчет рисков на основе компьютерной программы [50]. Таким образом, при анализе результатов генетического тестирования и выявлении генетических полиморфизмов у пациентов с мультифакториальными заболеваниями мы говорим лишь о степени риска развития патологического процесса.

Понимание и умение интерпретировать результаты генетических тестов имеют высокую диагностическую ценность в косметологии и дерматологии. Расшифровка результатов позволяет «предсказывать» возможные изменения состояния кожи, ответ на те или иные эстетические процедуры. В клинической практике возможно создание карты дерматологического (косметологического) пациента с указанием всех особенностей генотипа и фенотипа пациента. Такая карта будет сопровождать пациента в течение всей жизни при выборе рекомендаций по образу жизни, домашнему уходу, приему дополнительной нутритивной поддержки [51], проведению неинвазивных и инвазивных, в том числе эстетических, процедур. При работе с результатами генетического тестирования необходим междисциплинарный подход врачей-дерматовенерологов, косметологов с врачами-генетиками для получения наиболее полного результата расшифровки теста.

Исследование проведено без спонсорской поддержки.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.