The polymorphism of cathechol-O-methyltransferase gene and pain

Full Text

Международная ассоциация по изучению боли (IASP) определяет боль как неприятное ощущение и эмоциональное переживание, возникающее в связи с настоящей или потенциальной угрозой повреждения тканей или описываемое в терминах такого повреждения (Merskey, Bogduk, 1994). Патофизиология болевых синдромов продолжает активно изучаться. Появляется все больше данных, свидетельствующих о значительном влиянии генетических факторов на распространение и интенсивность боли, а также на эффективность и побочное действие анальгетиков. Логично предположить, что выявление мутаций и полиморфизмов в генах, вовлеченных в формирование болевого ощущения, открывало бы возможность выявления пациентов с высоким риском развития выраженного болевого синдрома и нетипичной реакцией на анальгетики, позволяя в конечном итоге персонифицировать лечение. COMT - ген, который кодирует фермент катехол-О-метилтрансферазу (COMT), является одним из наиболее подробно изучаемых генов, влияющих на формирование болевого ощущения [1]. Фермент COMT Фермент COMT был выделен из ткани печени доктором Julius Axelrond и его коллегами в 1957 г. Фермент COMT катализирует разрушение дофамина, адреналина, норадреналина и катехолэстро- генов путем передачи метильной группы от коэн- зима S-аденозил-Ь-метионина к одной из гидроксильных групп катехинов в присутствии магния. Катехоламины участвуют во многих физиологических процессах, включая познание, функцию сердечно-сосудистой системы, ответ на стресс и формирование болевого ощущения. В дополнение к своей функции в метаболизме катехоламинов, COMT играет важную роль в разрушении лекарственных средств, используемых для лечения гипертензии, астмы и болезни Паркинсона [2]. Уникальность СОМТ заключается в существовании 2 форм этого фермента - мембран-связанной (MB-COMT) и цитозольной (S-COMT). S-COMT доминирует в периферических тканях, таких как печень, кровь и почки, а MB-COMT представлена преимущественно в нервной ткани [3]. MB-COMT имеет более высокое сродство к допамину и норэ- пинефрину, чем S-COMT [4]. В мозге COMT присутствует в глиальных клетках и постсинаптических нейронах, нейронах гипокампа и префронтальной коры, где является главным ферментом, разрушающим катехоламины [5, 6]. В ноцицептивной системе COMT представлена в поверхностных слоях дорсального рога спинного мозга и сенсорных ганглиях, так же как во всех супраспинальных ноци- цептивных структурах [7]. В больших количествах СОМТ присутствует в префронтальной коре, которая получает ноцицептивную информацию от нейронов спиноталамического тракта. Ноцицептивные адренергические нейроны спинобульбарного пути, экспрессирующие СОМТ, широко взаимодействуют со структурами головного мозга, обеспечивающими гормональный гомеостаз, тонкую настройку сердечно-сосудистой и респираторной системы в ответ на повреждение [8]. Таким образом, катехоламины принимают активное участие в модуляции боли [9, 10]. Поэтому изменчивость гена COMT, вероятно, будет способствовать различиям в чувствительности боли и реакции на анальгезирующие средства. Ген COMT Ген, кодирующий фермент COMT, находится на 22-й хромосоме (22q11.2), имеет 6 экзонов и 2 промотора, регулирующих синтез 2 различных транс- криптов (мРНК). Дистальный промотор (P2) регулирует синтез мРНК, кодирующую мембраносвязанную форму COMT (MB-COMT, 271 аминокислота) и цитозольную форму (S-COMT, 221 аминокислота). Второй промотор (P1) регулирует синтез транскрипта, кодирующего только S-COMT [3]. Полиморфизм гена COMT Однонуклеотидный полиморфизм, ОНП, (англ. Single nucleotide polymorphism, SNP) - отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид (A, T, G или C) в геноме (или в другой сравниваемой последовательности) представителей одного вида или между гомологичными участками гомологичных хромосом индивида. Однонуклеотидный полиморфизм встречается в пределах кодирующих последовательностей генов (экзонах), в некодирующих участках или в участках между генами. Однонуклеотидные полиморфизмы кодирующих участков бывают 2 типов: синонимические и несинонимические. Синонимические ОНП оставляют аминокислотную последовательность белка без изменения, тогда как несинонимические ОНП изменяют ее. Несинонимические ОНП можно разделить на миссенс-мутации (точечная мутация, в результате которой измененный кодон начинает кодировать другую аминокислоту) и нонсенес-мутации (точечная мутация, превращающая смысловой кодон в бессмысленный или стоп-кодон, и наоборот, стоп-кодон - в смысловой). Однонуклеотидный полиморфизм, встречающийся в некодирующих участках гена, влияет на генетический сплайсинг, деградацию мРНК, связывание транскрипционных факторов, в итоге изменяя активность кодируемого белка. Ген COMT имеет большое количество полиморфизмов. В базе National Center for Biotechnology Information (база dsSNP NCBI) находится информация о более чем 314 вариантов однонуклеотидных полиморфизмов, однако многие из них не подтверждены, значительное их количество в популяции встречается чрезвычайно редко. Подавляющее большинство этих полиморфизмов находится в интронах, т.е. в некодирующих участках гена, и их функция неизвестна. Наиболее изученным полиморфизмом в гене COMT является полиморфизм rs4680 в экзоне 4. Это миссенс-мутация в кодирующей области, которая приводит к замене валина на метионин в аминокислотной последовательности белка в положении 158 мембраносвязанной MB-COMT (Val158Met) и 108 в S-COMT (Val108Met) (частота аллели: 0,40,95) [11]. Мет158 форма COMT кодирует фермент СОМТ с более низкой термостабильностью и, следовательно, его активность при 37°С оказывается в 3-4 раза ниже, по сравнению с формой Val158 [12]. Интерес к полиморфизму rs4680 гена COMT возник после исследований, доказавших влияние мутации на дофаминовую передачу в префронтальной коре, т.е. в областях, отвечающих за планирование, принятие решений, оценку последствий, разрешение конфликтов и т.д. [13]. Для метаболизма дофамина (ДА) принципиально важны два момента: пресинаптический синтез и постсинаптическая инактивация (инактивация осуществляется в основном путем метилирования). Префронтальная кора отличается от других отделов мозга, где дофамин инактивируется преимущественно обратным захватом и перемещением в пресинаптические везикулы. В префронтальной коре обратного захвата дофамина почти не происходит. Поэтому метилирование дофамина ферментом COMT является одним из главных путей метаболизма [14]. У женщин в пре- фронтальной коре регистрируется более высокий уровень дофамина, т.к. эстрогены снижают его метаболизм примерно на 30%. Под влиянием стресса концентрация дофамина увеличивается, что усиливает активность мозга. Если уровень дофамина оказывается избыточным, то развивается функциональный сбой в работе нейронов. Люди с высокой активностью фермента COMT способны лучше справляться со стрессовой ситуацией, потому что избыток дофамина быстро нейтрализуется. Оказалось, что эти люди меньше реагируют на боль, чем ниже адренергическая стимуляция, тем лучше переносимость болевых стимулов. Люди со сниженной активностью фермента переносят стресс хуже, что приводит к нарушению поведенческого восприятия, повышению болевого порога и увеличению риска развития персистиру- ющих болевых состояний. Некоторые ученые выдвинули предположение, что все человечество делится на «воителей» (высокая активность COMT) и «паникеров» (низкая активность COMT) [15]. Складывается впечатление, что быть «воителем» хорошо, а «паникером» - плохо. На самом деле не все так однозначно. Исследования показывают, что люди с низкой активностью СОМТ способны лучше разрабатывать сложнейшие планы, просчитывать вероятности событий и думать о последствиях, у них лучше память, способность к синтезу новой информации, но только в спокойной обстановке, при отсутствии стресса. Следует отметить, что полиморфизм Vall58Met не обнаружен у других животных, в том числе у приматов [11], свиней [16] и собак [17]. Таким образом, представляется вероятным, что данный полиморфизм специфичен только для человека (т.е. «паникеров» среди животных нет). Второй полиморфизм гена COMT, rs6267, находится в экзоне 3 (Ala72Ser [Ala22Ser в S-COMT]), влияет на термостабильность белка, уменьшая каталитическую активность кодируемого фермента [18]. Несмотря на то что rs6267 также оказывает значительное влияние на функцию COMT, он встречается значительно реже, чем Vall58Met полиморфизм (частота аллели: 0-0,025 в европейской популяции), что обусловливает меньшее количество исследований. Однако этот полиморфизм значительно чаще встречается в азиатской популяции (частота аллели: ~0,06). Третья миссенс-мутация - полиморфизм rs5031015 (Alal02Thr [Ala52Thr в S-COMT]) - не влияет на ферментную активность COMT [18]. Существуют доказательства того, что некодирующие полиморфизмы (т.е. полиморфизмы, расположенные в зоне интронов (нетранслируемые области) влияют на активность фермента, по-видимому, воздействуя на экспрессию мРНК, а однонуклеотидный полиморфизм в области Р2 промотора (rs2075507) также может влиять на активность кодируемого фермента, т.к. замена в промоторе более вероятно влияет на экспрессию гена, чем замена в интроне. Механизмы влияния активности фермента СОМТ на формирование болевого ощущения Первоначально предполагалось, что проноци- цептивные эффекты низкой активности COMT обусловлены изменениями в работе эндогенной опи- оидной системы через изменения активности до- паминэргических нейронов в определенных зонах мозга, что приводит к уменьшению выделения эндогенных опиоидных пептидов и увеличению плотности опиоидных рецепторов (Zubieta et al., 2003). Эти факты нашли подтверждение в работах Berthele и Kowarik, выполненных на посмертных образцах различных отделов мозга носителей аллели Met158, обнаруживших увеличение количества опиоидных рецепторов в хвостатом ядре, прилежащем ядре и медиадорсальных ядрах таламуса [20, 21]. Однако в эксперименте на мышах было показано, что кратковременное назначение ингибиторов COMT, оказывающих однозначный проноцицептивный эффект, не изменяется ответ на анальгезию опиоидами (Kambur и Mannisto, 2009), т.е. влияние низкой активности фермента СОМТ нельзя объяснить только особенностями работы эндогенной опиоидной системы [22]. Большинство исследований указывает на причастность норадренергических и адренергических механизмов в объяснении влияния COMT с низкой активностью на боль [23-25]. Установлено, что некоторые из эффектов COMT блокируются антагонистами В2- и В3-адрено- рецепторов [22]. Плотность В2 и В3 адренергических рецепторов в дорсальном ганглии низка и гораздо выше в периферических тканях и некоторых отделах головного мозга [26]. Происхождение и природа веществ, вызывающих активацию В2 или рецепторов В3, неизвестны. Периферический В2 или рецепторы В3 могут быть активированы норадреналином, выделяемым симпатическими нервными окончаниями, или катехоламинами, циркулирующими в крови. Было показано, что в нейронах дорсального ганглия норадренергические рецепторы могут активироваться АТФ [27]. Хроническое возбуждение В3-рецептора увеличивает экспрессию митохондриального несвязанного протеина (UCPs), который обнаруживается в первичных сенсорных нейронах, выделяющих субстанцию P, проноцицептивный пептид, который понижает ноцицептивный порог [28]. Ингибиторы COMT опосредуют свое проноцицептивное действие именно через этот механизм [29]. Поэтому fi-блокаторы могут уменьшить интенсивность боли при хронических скелетно-мышечных болевых синдромах при условии наличия COMT с низкой активностью [25]. Повышенные уровни норадреналина и адреналина, вследствие снижения активности COMT, стимулируя р2- и р3-адренорецепторы, способствуют освобождению NO, запускают выброс TNF-alpha, IL-1 и IL-6, усугубляя повышенную болевую чувствительность [30]. Последние исследования показали наличие связи между СОМТ и иммунной системой. Они могут лежать в основе связи вариации активности СОМТ с острым и воспалительным фенотипом боли: про- воспалительный цитокин, фактор некроза опухоли альфа, подавляет экспрессию мРНК гена СОМТ и синтез фермента в ЦНС, посредством связи ядерного фактора NF-kB с дистальным промотором гена СОМТ. Однако точный механизм, посредством которого СОМТ модулирует болевую чувствительность человека, остается загадкой и требует дальнейшего изучения [31]. Эффекты низкой активности COMT и ингибиторов COMT на ноцицепцию зависят от типа боли. В эксперименте крысы, имеющие высокую активность фермента СОМТ, демонстрировали большую устойчивость к химическим и температурным ноци- цептивным стимулам, чем в тестах с повреждением нерва (вариант нейропатической боли). У мышей с нокаутированным (выключенным) геном СОМТ развивалась повышенная реакция на термальные и химические стимулы, тогда как трансгенные мыши, экспрессирующие человеческую СОМТ, оказывались устойчивы к температурным ноцицептивным раздражителям [32]. На периферии низкая активность COMT, приводя к повышению количества катехоламинов, оказывает проноцицептивное действие [22, 23]. В спинном и головном мозге ситуация является обратной: низкий COMT (высокий катехоламиновый фон) оказывает антиноцицептивное действие [33]. Влияние генотипов и гаплотипов гена СОМТ В 2005 г. Дьяченко Л.Б. и соавт. на большой выборке пациентов идентифицировали наиболее часто встречающиеся однонуклеотидные полиморфизмы гена СОМТ (rs6269, rs4633, rs4818 и rs4680), охватывающие участки гена со 2-го интрона по 4-й экзон, связанные с изменением чувствительности к болевым стимулам. Анализ неравновесного сцепления гена СОМТ позволил выявить 3 гаплоблока, чаще всего встречающихся в популяции. Исследователи идентифицировали их как низко- (LPS), средне- (APS) и высоко- (HPS) боль- чувствительные гаплотипы и обнаружили корреляцию с гораздо более значимыми изменениями в активности фермента СОМТ (почти 20-кратное различие), вследствие нарушений вторичной структуры РНК. Гаплотип LPS кодирует наиболее короткую и наименее стабильную структуру в области Val158, а гаплотип HPS - наиболее длинную и стабильную. Было установлено, что более стабильный фермент COMT менее активен и метаболизирует катехоламины не столь эффективно, что приводит к усилению боли. Дальнейшие исследования подтвердили, что LPS/LPS гомозиготы имели минимальный, APS/APS - средний, а (гетерозиготы) APS/HPS - наибольший уровень чувствительности к боли [34]. Полиморфизм COMT и экспериментальная боль Zubieta и соавт. показали, что люди с генетическим вариантом Val158Met COMT при введении 5% гипертонического раствора натрия хлорида по данным позитронно-эмиссионной томографии имеют более высокие сенсорные, эмоциональные оценки при восприятии боли и повышенную плотность ц-опиоидных рецепторов в мозге. У людей, у которых гомозигот по Val158, наблюдались противоположные эффекты. Было сделано заключение о том, что COMT влияет на восприятие боли человеком и может определять межиндивидуальные различия при болевом стимуле и других стрессовых факторах [19]. Mobascher и соавт. исследовали влияние Val158Met полиморфизма на уровень кислорода в крови (BOLD) в ответ на болезненный лазерный стимул, используя магнитно-резонансную визуализацию. Met158 аллель была связана с повышенным BOLD ответом на болевой раздражитель в передней части поясной извилины коры [35]. Полиморфизм COMT и послеоперационная боль В исследованиях у пациентов после ортопедических, абдоминальных и кардиохирургических вмешательств rs4680A (Met) был связан с более высокими рейтингами послеоперационной боли [36, 37]. При изучении влияния полиморфизма Val158 Met (rs4680) на потребность в наркотических анальгетиках при острой боли исследователи получили противоречивые результаты [38]. Candiotti K. показал, что генотип Val/Val COMT rs4680 связан с большим потреблением морфина в послеоперационном периоде по сравнению с Met/Met гомозиготами, перенесшими нефрэктомию [39]. Deng J. и соавт. обнаружили, что носители GA и AA генотипов по rs4680 требуют меньше фентанила через 48 ч после хирургического вмешательства на поясничном отделе позвоночника, чем пациенты, имеющие GG генотип [40]. Zhang F. в исследовании потребления фентанила после гастрэк- томии не нашел существенных различий у пациентов с разными генотипами по однонуклеотидным полиморфизмам rs6269, rs4633, rs4818 и rs4680 [41]. Тем не менее гаплотипы гена COMT по локусам rs6269, rs4633, rs4818 и rs4680 оказывали значимое влияние на потребление фентанила с обезболивающей целью. Среди всех пациентов больные с гаплотипом A-C-C-G по rs6269, rs4633, rs4818 и rs4680 потребляли больше всего фентанила в первые 48 ч после операции. Проспективное наблюдение за пациентами с хронической послеоперационной болью после вмешательств на плечевом суставе продемонстрировало взаимодействие между катастрофизацией боли и COMT диплотипом (APS/HPS), итогом которого является формирование интенсивного болевого синдрома в послеоперационном периоде, большая потребность в обезболивающих препаратах и риск хронизации боли [42]. Ген СОМТ и хронические болевые синдромы Костно-мышечная боль Функциональные гаплотипы гена СОМТ оказались связаны с риском развития темпоромандибу- лярного болевого дисфункционального синдрома (ТМБДС, ранее - болевая дисфункция височнонижнечелюстного сустава, синдром Костена). Наличие даже одного-единственного LPS гаплоти- па снижает более чем в 2,3 раза риск развития этой патологии у молодых здоровых женщин [34] Изучение пациентов с острой мышечно-скелетной болью в шее после автодорожной травмы показало увеличение интенсивности боли (от умеренной до тяжелой) у пациентов, гомозиготных по гапло- типу с высокой чувствительностью к боли. Им также требовалось больше времени для физической и психологической реабилитации [43]. Фибромиалгия Фибромиалгия - это хронический идиопатиче- ский ревматический синдром, характеризующийся увеличением болевой чувствительности (диффузная боль и болезненные точки), сопровождающийся нарушениями сна, тревогой и депрессией. Нейроэндокринные и генетические факторы играют значительную роль в развитии этого заболевания, а полиморфизм гена СОМТ считается одним из наиболее значимых. Гомозиготы по Met158 аллели демонстрируют увеличение болевой чувствительности и более выраженную катастрофизацию [44, 45]. Ген СОМТ и мигрень У пациенток, носителей аллели Met158, страдающих мигренью, отмечалась более высокая интенсивность головной боли во время приступа и чаще сопровождалась выраженной тошнотой и рвотой [46]. Нейропатическая боль На сегодняшний день опубликовано одно исследование о влиянии полиморфизма гена СОМТ на нейропатические болевые синдромы [47]. Armero и соавт. не нашли связи между Val158 Met и болью в анализе случай-контроль, изучая смешанную группу пациентов с разными диагнозами невропатической боли (рефлекторная симпатическая дистрофия, ка- узалгия, синдром неудачной операции на позвоночнике, фантомный болевой синдром, периферические болевые полинейропатии). Поэтому не ясно, чем был обусловлен такой результат: гетерогенностью исследуемой группы, популяционными особенностями когорты, отсутствием генетической информации о функциональных гаплотипах или действительно отсутствием влияния полиморфизмов гена COMT на частоту формирования нейропатической боли. СОМТ и анальгезия при хронической боли Одной из очевидных целей генетических ассоциативных исследований является применение индивидуального подхода в управлении болью, предсказывающее индивидуальный ответ на лекарства и вмешательства. Вариант СОМТ Val158Met был связан со снижением потребности в морфине для обезболивания у онкологических больных: пациенты, гомозиготные по аллели Val158, нуждались в значительно большей дозе морфина, по сравнению с имевшими одну или две копии Met158 аллели [48, 49]. Недавнее исследование группы Diatchenkn L. показало значимость определения функционального галотипа СОМТ в терапии пропранололом ТМДБС. Когда женщин с этим хроническим болевым синдромом стратифицировали по активности гапло- типа СОМТ, то положительный эффект пропрано- лола в перцепции боли был отмечен у пациенток с гаплотипом высокочувствительным к боли, т.е. со значительным снижением активности СОМТ. Это пилотное исследование является первым свидетельством успешного применения СОМТ генотипиро- вания до терапии, чтобы определить подгруппу, у которой терапия окажется более эффективной [25] . Наконец СОМТ может взаимодействовать с другими генетическими факторами (эпистаз, взаимодействие между генами), влияя на исходы лечения боли. Недавнее исследование пациентов с онкологической болью показало, что гетерозиготные пациенты, носители генотипа A118G по гену ц-опиоидного рецептора и Val158Met по гену СОМТ, имели лучшее качество анальгезии при обезболивании морфином (потребляли меньше морфина), меньшую частоту тошноты и седации по сравнению с другими группами генотипов. Этот вывод подтверждает важность ген- генного взаимодействия в понимании генетического механизма анальгезии, включая роль СОМТ [50]. Заключение Эра генома позволила исследователям определить гены, влияющие на этапы формирования и интерпретацию болевого ощущения. Полиморфизм гена СОМТ может считаться одним из таких генов, хотя до конца роль вариантов гена СОМТ в перцепции, хронизации боли и ответе на анальгетики на настоящий момент до конца не ясна. Существующие немногочисленные работы по полиморфизму гена СОМТ доказывают важность его определения для выбора обезболивания и требуют дальнейших хорошо спланированных и стандартизированных исследований, которые позволят разобраться и в сложности полиморфизма гена, и в сложности боли. Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

Arina P. Spasova

Petrozavodsk State University

Email: arina22@mail.ru
MD, PhD, Assistant Professor of Chair of X-Ray diagnostic and X-Ray treatment with course of Critical And Respiratory Medicine of Medical Institution of Petrozavodsk State University Petrozavodsk, 185910, Russian Federation

O. Y Barysheva

Petrozavodsk State University

Medical Institution Petrozavodsk, 185910, Russian Federation

G. P Tikhova

Petrozavodsk State University

Medical Institution Petrozavodsk, 185910, Russian Federation

References

Supplementary files