Полиморфные локусы ACE1 I/D и ACE2 G8790A у пациентов с COVID-19 русских Челябинской области

• Беляева Светлана Валерьевна
• Вавилов Михаил Николаевич
• Евдокимов Александр Викторович
• Суслова Татьяна Александровна
• Кофиади Илья Андреевич

Резюме

Введение. Пандемия новой коронавирусной инфекции продолжается по сей день, в связи с чем сохраняют актуальность исследования, направленные на поиск новых способов прогнозирования и лечения COVID-19. Особое внимание уделяется рецепторам, необходимым вирусу для проникновения в клетку, как мишеням для терапии и молекулярно-генетического прогноза.

Цель - определить аллельные варианты генов ACE1 и ACE2, а также их комбинации, у русских жителей Челябинской области, переболевших COVID-19 с осложнением в виде двусторонней вирусной пневмонии.

Материал и методы. Полиморфные варианты ACE1 I/D и ACE2 G8790A определены методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) в режиме реального времени. Поскольку ген АСЕ2 расположен на Х-хромосоме, анализ распределения аллелей полиморфного локуса ACE2 G8790A проведен с учетом половой принадлежности.

Результаты. Установлено, что генотип ACE2(8790)*GА реже встречался у пациентов женщин по отношению к группе сравнения (16 и 42 % соответственно, p = 0,004). У пациентов женщин чаще встречались генотип ACE2(8790)*GG и сочетание ACE1*DD/ACE2*GG, связанное с пониженной экспрессией АСЕ2 и повышенной экспрессией АСЕ1 (77 и 19 % соответственно). У гемизиготных мужчин, напротив, чаще встречался аллель ACE2(8790)*A и сочетание ACE1*ID/ACE2*A, связанные с более высокой продукцией ACE2 (35 и 18 %, соответственно).

Заключение. Факторы предрасположенности к COVID-19 системы АСE1-2 отличаются у мужчин и женщин.

Ключевые слова: полиморфизм генов; ACE1; ACE2; SARS-CoV-2; COVID-19

Введение

Пандемия новой коронавирусной инфекции (COVID-19), связанная с распространением вируса SARS-CoV-2, является серьезной проблемой для мирового здравоохранения [1-4]. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВOЗ), на июль 2024 г. вирус распространился на территорию 260 стран, вызвав более 775 млн подтвержденных случаев инфекций и более 7 млн смертельных случаев [5].

Известно, что SARS-CoV-2 инфицирует клетки человека за счет связи своего поверхностного белка S с мембранным белком АСЕ2, экспрессированным на поверхности многих клеток организма человека [6]. Заражение клеток вирусом может приводить к двум эффектам: ингибированию активности ACE2 и снижению экспрессии ACE2 в инфицированных клетках. Это приводит к снижению эффективности передачи сигналов продуктами генов ACE1 и ACE2, в частности ангиотензином II (AngII), и к развитию осложнений при COVID-19 [7]. Дисбаланс ренин-ангиотензиновой системы (РАС) на уровне легкого стимулирует развитие воспалительных и коагуляционных процессов за счет локальной гиперпродукции AngII и дефицита Ang-(1-7) [8].

Результаты исследований показывают, что соотношение между активностью ACE и его функционального антагониста ACE2 не только влияет на процессы заражения человека вирусом SARS-CoV-2, но и во многом предопределяет исход COVID-19 [9].

ACE2 играет важную роль в системе РАС и нарушение его функции из-за связывания с вирусными частицами может представлять собой важный элемент патофизиологии повреждения легких и сердца во время инфекции COVID-19. В этом контексте следует подчеркнуть, что ACE2, вероятно, играет двойную роль в динамике течения инфекции и заболевания. Если в начале инфекции избыточная экспрессия ACE2 может способствовать проникновению вируса в клетку и его репликации, то на последующих стадиях вызванная вирусом потеря функции АСЕ2 приводит к беспрепятственному накоплению ангиотензина II, вызывая еще большее повреждение легких [10].

Известно, что полиморфные варианты в генах РАС, связанные с различиями в экспрессии генов и функциях белков, могут объяснить индивидуальную предрасположенность к проявлению симптомов заболевания и оценить риск госпитализации [11].

Ген ACE1 расположен на 17-й хромосоме. Инсерционно-делеционный (I/D) полиморфный сайт (rs1799752), представляющий собой инсерцию (I) или делецию (D) Alu-повтора размером в 289 пар нуклеотидов в 16-м интроне гена ACE1, приводит к изменениям в циркулирующих и тканевых концентрациях ACE [12]. Делеция связана с повышенной экспрессией АСЕ1, а следственно, со сниженной экспрессией ACE2, с помощью которого SARS-CoV-2 связывается с клетками-мишенями [13].

Ген ACE2 расположен на Х-хромосоме [14]. Одним из наиболее изученных полиморфных локусов гена ACE2 является вариант G8790A (rs2285666). Носители гомозиготного генотипа по аллелю A характеризуются существенным увеличением экспрессии гена (до 50 %) [15]. При этом у мужчин, имеющих непарные половые хромосомы, гены, сцепленные с Х-хромосомой, не способны компенсировать функцию за счет другого аллеля, расположенного на гомологичной хромосоме. Иными словами, мужчины, несущие аллель 8790G, являются гемизиготами и характеризуются низкой активностью гена ACE2 [15].

Полиморфный локус ACE2 G8790A расположен в начале интрона 3, теоретически влияя на экспрессию генов с помощью механизмов альтернативного сплайсинга. Также он имеет сильное неравновесное сцепление с другими SNP (rs1978124, интрон 1, и rs714205, интрон 16) в этом гене [16]. Поэтому установление особенностей распределения аллелей и генотипов ACE2 у пациентов с COVID-19, а также определение взаимосвязей между генами системы РАС является важнейшим условием для выделения ключевых звеньев патогенеза новой коронавирусной инфекции.

В связи с этим целью нашего исследования стал анализ частоты встречаемости аллелей и генотипов гена ACE2 G8790A, а также комбинаций ACE1 I/D и ACE2 G8790A у русских пациентов с COVID-19 в Челябинской области.

Материал и методы

Участники исследования. Обследуемую группу составили 123 пациента противоковидных госпиталей № 2, 3, 9 г. Челябинска с подтвержденным диагнозом COVID-19. Анкетирование с учетом информации о происхождении предков трех поколений позволило идентифицировать участников обследования как представителей русской популяции. Группу сравнения составили 104 здоровых донора Челябинской областной станции переливания крови - также представители русской популяции, не имеющие прививок от коронавируса, антител к SARS-CoV-2 и не состоящие в Федеральном регистре лиц, больных COVID-19, Единой государственной информационной системы здравоохранения (ЕГИСЗ). Набор материала проводился с сентября 2020 г. по март 2021 г. в соответствии с этическими принципами Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации и соблюдением процедуры информированного согласия.

Дизайн исследования. Для сравнительного анализа пациенты были разделены на 3 группы по тяжести течения заболевания согласно [17]. Тяжесть заболевания пациентов анализировали ретроспективно. Пациенты в группах со средней и высокой степенью тяжести заболевания имели двустороннюю пневмонию (по данным компьютерной томографии подтверждена 1-2-я степень поражения легких) [17]. Пациенты с легкой формой заболевания имели антитела (без вакцинации), признаки легкого течения заболевания (субфебрильная температура, кашель, слабость) и характеризовались отсутствием критериев тяжелого и среднетяжелого течения (24 человека).

Лабораторные исследования. Диагноз COVID-19 подтвержден тестом на РНК SARS-CoV-2 методом ПЦР в реальном времени с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) из мазка из носоглотки ("Вектор-Бест", Новосибирск).

Обследуемые не имели сопутствующих тяжелых заболеваний. Всех участников исследования тестировали на наличие IgG к SARS-CoV-2 ("Вектор Бест", Новосибирск). Анализ проводили в течение 2-6 мес после выздоровления от COVID-19, подтвержденного двумя отрицательными ПЦР-тестами.

Определение инсерционно-делеционного (I/D) полиморфного варианта гена АСЕ1 проводили методом ПЦР ("Мутация ангиотензин-превращающего фермента", НПФ "Литех", Россия). Определение генотипов гена ACE2 выполняли, измеряя уровень флуоресценции в ходе температурной денатурации дуплексов олигонуклеотидов и полученных матриц в режиме реального времени. Для определения замен одиночных нуклеотидов применяли метод примыкающих проб [18].

Статистическая обработка. В ходе работы установлены частоты аллелей, генотипов и комбинаций вариантов генов АСЕ1 и ACE2. Сравнение групп пациентов с COVID-19 и условно-здоровых лиц проводилось с использованием следующих показателей, принятых в иммуногенетических исследованиях: критерий Пирсона (χ²), χ² с поправкой Йейтса, точный метод Фишера [19]. Оценку достоверности различий в распределении частот аллелей и генотипов и соответствие закону Харди-Вайнберга проводили с использованием онлайн- приложения SNPStats [20]. Во всех случаях различия считали статистически значимыми при р ≤ 0,05, незначимыми при р > 0,10, для промежуточных значений р (0,05 < р ≤ 0,10) обсуждали тенденцию к различиям.

Результаты

При проведении сравнительного анализа распределения аллелей и генотипов гена ACE1 (ACE1 I/D), достоверные различия между группой сравнения и группами пациентов не обнаружены. Результаты представлены в табл. 1.

В группах пациентов и группе сравнения аллели I и D встречались примерно с одинаковой частотой. Частота аллеля с делецией составила 49,6 %, что соответствует средней величине для европеоидов [11].

На следующем этапе исследования мы провели анализ распределения частоты аллелей гена ACE2 (ACE2 G8790A) с учетом половой принадлежности [15]. При проведении сравнительного анализа распределения аллелей гена ACE2 у мужчин были обнаружены достоверные различия между группами пациентов и группой сравнения (табл. 2). Аллель ACE2(8790)*A статистически значимо чаще встречался в группе пациентов мужчин, а не в группе сравнения (35 и 17 % соответственно, χ² = 4,686, p = 0,030, ОШ = 2,268, 95 % ДИ 1,079-6,405). Данный аллель связан с повышенной экспрессией АСЕ2. Аллель ACE2(8790)*G достоверно реже встречался у пациентов по отношению к группой сравнения (65 и 83 % соответственно, χ² = 4,686, p = 0,030, ОШ = 0,388, 95 % ДИ 0,156-0,927).

Различия между группами пациентов мужчин с разными клиническими формами COVID-19 не обнаружены по обоим проанализированным локусам.

При проведении сравнительного анализа распределения аллелей и генотипов гена ACE2 у женщин обнаружены достоверные различия между группами пациентов и группой сравнения (табл. 3). Генотип ACE2(8790)*GG статистически значимо чаще встречался в группе пациентов женщин, а не в группе сравнения (77 и 57 % соответственно, χ² = 4,388, p = 0,036, ОШ = 2,571, 95 % ДИ 1,050-6,281). По данным литературы, данный генотип связан с пониженной экспрессией АСЕ2. Генотип ACE2(8790)*GА достоверно реже встречался у пациентов женщин в сравнении с женщинами из группы сравнения (16 и 42 % соответственно, χ² = 8,354, p = 0,004, ОШ = 0,256, 95 % ДИ 0,099-0,664).

Различия между группами пациентов женщин с разными клиническими формами COVID-19 не обнаружены.

Далее мы анализировали частоту сочетаний вариантов АСЕ1-ACE2, учитывая существование полиморфных локусов генов ACE1 и ACE2, влияющих на уровни их взаимной экспрессии [15]. Сравнения сочетаний АСЕ1-ACE2 у пациентов с COVID-19 были проведены с учетом пола. Различия были обнаружены и у женщин (табл. 4), и у мужчин (табл. 5). Сочетание ACE1*DD/ACE2*GG достоверно чаще встречается у пациентов с COVID-19 женщин по отношению к группе сравнения (19 и 3 % соответственно, p = 0,189, ОШ = 8,160 при 95 % ДИ 1,013-65,302). Сочетание ACE1*ID/ACE2*GA достоверно реже встречается у пациентов по отношению к группе сравнения (8 и 26 % соответственно, p = 0,039, ОШ = 0,253 при 95 % ДИ 0,078-0,831). У мужчин достоверно чаще встречается сочетание ACE1*ID/ACE2*A (18 и 6 % соответственно, p = 0,049, ОШ = 3,741 при 95 % ДИ 1,001-14,176).

Обсуждение

Известно, что, помимо возраста и сопутствующих заболеваний, генетические факторы хозяина могут быть причиной индивидуальной реакции на инфекцию SARS-CoV-2 [21]. При инфицировании альвеолярных клеток белок S SARS-CoV-2 связывается с мембранным белком ACE2 человека, облегчая проникновение вируса в клетку и приводя к снижению количества свободного ACE2. В свою очередь, это приводит к увеличению концентрации AngII, стимулируя продукцию цитокинов, инфильтрацию тканей макрофагами, усиление продукции молекул адгезии (селектин E, VCAM-1) и цитокинов (MCP1 и ИЛ-6) и в итоге приводя к развитию эндотелиальной дисфункции. Кроме того, подавление активности гена ACE2 вызывает отек легких, повышение проницаемости легочных капилляров, а инфицированные лица с тяжелой формой заболевания имеют риск развития дыхательной недостаточности [22].

В настоящем исследовании проведен анализ частот аллелей и генотипов в группах пациентов с учетом особенностей наследования, дающих женщинам большее разнообразие генетических комбинаций по сравнению с гемизиготными мужчинами [15]. Нами установлено, что генотип ACE2(8790)*GА достоверно реже встречался у пациентов женщин по отношению к группе сравнения. У пациентов женщин чаще встречались генотип ACE2(8790)*GG и сочетание ACE1*DD/ACE2*GG, связанные с пониженной экспрессией АСЕ2 и повышенной экспрессией АСЕ1. Вероятно, это должно приводить к снижению возможности проникновения вируса в клетку, но в то же время, возможно, такой дисбаланс в системе РАС приводит к увеличению выработки провоспалительного вазоконстриктора AngII. В легких такое нарушение регуляции будет способствовать прогрессированию воспалительных и тромботических процессов, вызванных локальной гиперактивностью AngII, не противодействующей Ang-1-7. Функция AngII также связана с увеличением уровня провоспалительных цитокинов ИЛ-6 и ИЛ-8, что может играть существенную роль в клинических проявлениях COVID-19 [23].

В литературе также приводятся данные, подтверждающие, что носители генотипа ACE2 rs2285666 GG характеризуются 2-кратным увеличением риска заражения [24].

У мужчин, напротив, чаще встречался аллель ACE2(8790)*A и сочетание ACE1*ID/ACE2*A, связанные с более высокой продукцией ACE2. Высокий уровень АСЕ2 позволяет вирусу легче проникать в клетки, что, вероятно, объясняет более высокую частоту заболеваемости у мужчин [15, 25]. Известно также, что у мужчин при высокой экспрессии ACE2 наблюдается рост числа иммунных клеток в легочной ткани [25]. Это означает, что при инфицировании SARS-CoV-2 у этих людей с большей вероятностью будут наблюдаться аутоагрессия и "цитокиновый шторм", что существенно отягощает течение болезни [25].

Аллель ACE2(8790)*G реже встречался у пациентов по отношению к группе сравнение, что позволяет его рассматривать в качестве протективного.

Установление эффективных генетических биомаркеров АСЕ1/2, связанных с развитием коронавирусной инфекции, может быть использовано для разработки методик лечения и предупреждения распространения COVID-19 в русской популяции.

Литература

1. Gusev E., Sarapultsev A., Solomatina L., Chereshnev V. SARS-CoV-2-Specific Immune Response and the Pathogenesis of COVID-19. Int. J. Mol. Sci. 2022; 23 (3): 1716. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms23031716

2. Хаитов Р.М., Скворцова В.И., Хаитов М.Р. Биомедицинская безопасность: иммуногенетика и коронавирусная инфекция. Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2022. 352 с. ISBN: 978-5-9704-7382-5

3. Болдырева М.Н. Вирус SARS-CoV-2 и другие эпидемические коронавирусы: патогенетические и генетические факторы развития инфекций. Иммунология. 2020; 41 (3): 197-205. DOI: https://doi.org/10.33029/0206-4952-2020-41-3-197-205

4. Gudima G., Kofiadi I., Shilovskiy I., Kudlay D., Khaitov M. Antiviral therapy of COVID-19. Int. J. Mol. Sci. 2023; 24 (10): 8867. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms24108867

5. ВОЗ о коронавирусе (COVID-19): информационная панель // World Health Organization. URL: https://COVID19.who.int

6. Hoffmann M., Kleine-Weber H., Schroeder S. et al. SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell. 2020; 181 (2): 271-80. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.052

7. Sriram K., Insel P.A. A hypothesis for pathobiology and treatment of COVID-19: The centrality of ACE1/ACE2 imbalance. Br. J. Pharmacol. 2020; 177(21): 4825-44. DOI: https://doi.org/10.1111/bph.15082

8. Alimoradi N., Sharqi M., Firouzabadi D., et al. SNPs of ACE1 (rs4343) and ACE2 (rs2285666) genes are linked to SARS-CoV-2 infection but not with the severity of disease. Virol. J. 2022; 19 (1): 1-9. DOI: https://doi.org/10.1186/s12985-022-01782-6

9. Шпаков А.О. Ангиотензин-превращающий фермент 2-го типа, как молекулярный посредник для инфицирования клетки вирусами SARS-CoV и SARS-CoV-2. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2020; 106 (7): 795-810. DOI: https://doi.org/10.31857/S0869813920060138

10. Sahu S., Patil C.R., Kumar S., Apparsundaram S., Goyal R.K. Role of ACE2-Ang (1-7)-Mas axis in post-COVID-19 complications and its dietary modulation. Mol. Cell. Biochem. 2022; 477 (1): 225-40. DOI: https://doi.org/10.1007/s11010-021-04275-2

11. Cao Y., Li L., Feng Z., Wan S., Huang P., Sun X., Wen F., Huang X., Ning G., Wang W. Comparative genetic analysis of the novel coronavirus (2019-nCoV/SARS-CoV-2) receptor ACE2 in different populations. Cell Discov. 2020; 6 (1): 4-7. DOI: https://doi.org/10.1038/s41421-020-0147-1

12. Jacobs M., Lahousse L., Van Eeckhoutte H.P., Wijnant S.R.A., Delanghe J.R., Brusselle G.G., Bracke K.R. Effect of ACE1 polymorphism rs1799752 on protein levels of ACE2, the SARS-CoV-2 entry receptor, in alveolar lung epithelium. ERJ Open Res. 2021; 7 (2): 00940-2020. DOI: https://doi.org/10.1183/23120541.00940-2020

13. Saad H., Jabotian K., Sakr C., Mahfouz R., Akl I.B., Zgheib N.K. The Role of Angiotensin Converting Enzyme 1 Insertion/Deletion Genetic Polymorphism in the Risk and Severity of COVID-19 Infection. Front. Med. 2021; 8: 1-13. DOI: https://doi.org/10.3389/fmed.2021.798571

14. Gubernatorova E., Gorshkova E., Polinova A., Drutskaya M. IL-6: Relevance for immunopathology of SARS-CoV-2. Cytokine Growth Factor Rev. 2020; 53: 13-24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cytogfr.2020.05.009

15. Gemmati D., Bramanti B., Serino M.L., Secchiero P., Zauli G., Tisato V. COVID-19 and individual genetic susceptibility/receptivity: Role of ACE1/ACE2 genes, immunity, inflammation and coagulation. might the double x-chromosome in females be protective against SARS-COV-2 compared to the single x-chromosome in males? Int. J. Mol. Sci. 2020; 21 (10): 1-23. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms21103474

16. Karakas Celik S., Cakmak Genc G., Piskin N., Açikgöz B., Altinsoy B., İşsiz B.K., Ahmet Dursun A. Polymorphisms of ACE (I/D) and ACE2 receptor gene (Rs2106809, Rs2285666) are not related to the clinical course of COVID-19: A case study. J. Med. Virol. 2021; 93 (10): 5947-52. DOI: https://doi.org/10.1002/jmv.27160

17. Временные методические рекомендации "Профилактика, диагностика и лечение новой коронавирусной инфекции (COVID-19)". Версия 18 (26.10.2023)

18. Абрамов Д.Д., Кадочникова В.В., Якимова Е.Г., Белоусова М.В., Маерле А.В., Сергеев И.В. , Козлов И.Б. , Донников А.Е. , Кофиади И.А., Трофимов Д.Ю. Частота мутаций, ассоциированных с развитием наследственного гемохроматоза I типа, болезни Вильсона-Коновалова и семейной средиземноморской лихорадки, и особенности их распределения в русской популяции. Генетика. 2021; 57 (1): 83-9. DOI: https://doi.org/10.31857/S0016675821010021

19. Интернет-портал "Медицинская статистика". URL: https://medstatistic.ru

20. Sole X., Elisabet G., Valls J., Iniesta R., Moreno V. SNPStats: a web tool for the analysis of association studies. 2006: 1928-9. https://www.snpstats.net/snpstats/

21. Velavan T.P., Pallerla S.R., Rüter J., Augustin Y., Kremsner P.G., Krishna S., Meyer C.G. Host genetic factors determining COVID-19 susceptibility and severity. EBioMedicine. 2021; 72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2021.103629

22. Jafarpour R., Pashangzadeh S., Dowran R. Host factors: Implications in immunopathogenesis of COVID-19. Pathol. Res. Pract. 2021; 228: 153647. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prp.2021.153647

23. Dai S., Ding M., Liang N., Zhuo Li Z., Daqing Li D., Lianyue Guan L., Liu H. Associations of ACE I/D polymorphism with the levels of ACE, kallikrein, angiotensin II and interleukin-6 in STEMI patients. Sci Rep. 2019; 9 (1): 1-8. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-56263-8

24. Möhlendick B., Schönfelder K., Breuckmann K., Elsner C., Babel N., Balfanz P., Dahl E., Dreher M., Fistera D., Herbstreit F., Hölzer B., Koch M., Kohnle M., Marx N., Risse J., Schmidt K., Skrzypczyk S., Sutharsan S., Taube C., Westhoff T.H., Jöckel K-H., Dittmer U., Siffert W., Kribben A. ACE2 polymorphism and susceptibility for SARS-CoV-2 infection and severity of COVID-19. Pharmacogenet. Genomics. 2021; 31 (8): 165-71. DOI: https://doi.org/10.1097/FPC.0000000000000436

25. Шатунова П.О., Быков А.С., Свитич О.А., Зверев В.В. Ангиотензинпревращающий фермент 2. Подходы к патогенетической терапии COVID-19. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020; 97 (4): 339-45. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-4-6

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)