Полиморфизм гена ADRB2 как фактор наследственной предрасположенности к развитию бронхиальной астмы и ответа на терапию сальбутамолом

Авторы

  • L.A. Livshits Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
  • P.F. Tatarsky Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
  • O.V. Gorodna Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
  • A.V. Mayakovskaya Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
  • G.P. Volynets Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины
  • N.G. Chumachenko ГУ «Институт педиатрии, акушерства и гинекологии имени академика E.M. Лукьяновой НАМН Украины»
  • T.R. Umanets ГУ «Институт педиатрии, акушерства и гинекологии имени академика E.M. Лукьяновой НАМН Украины»
  • V.F. Lapshin ГУ «Институт педиатрии, акушерства и гинекологии имени академика E.M. Лукьяновой НАМН Украины»
  • Yu.G. Antipkin ГУ «Институт педиатрии, акушерства и гинекологии имени академика E.M. Лукьяновой НАМН Украины»

DOI:

https://doi.org/10.15574/PP.2019.78.38

Ключевые слова:

бронхиальная астма, дети, полиморфизм гена β2-адренорецептора, сальбутамол

Аннотация

Цель — исследовать ассоциацию полиморфизма C79G гена АDRB2 с риском развития бронхиальной астмы (БА) у детей, проживающих в различных условиях загрязнения окружающей среды, а также смоделировать 3D структуры изоформ белка β2-адренорецептора, которые кодируются полиморфными вариантами гена АDRB2 (A46G, C79G, і C491T) in silico для прогноза структурно-функциональных свойств, которые могут влиять на взаимодействие с сальбутамолом.

Пациенты и методы. Обследовано 114 детей в возрасте от 3 до 18 лет с БА средней тяжести, контролируемого течения, которые методом рандомизации были разделены на две группы: группу I (дети из условно чистого региона Киева и Киевской области) и группу II (дети из экологически загрязненного региона). Группу контроля составили 86 неродственных здоровых взрослых из разных регионов Украины. Полиморфный вариант гена АDRB2 (C79G) исследован методом аллельспецифической полимеразной цепной реакции. Компьютерное моделирование 3D структуры изоформ белка β2-адренорецептора проведено с использованием веб-серверов SWISS-MODEL и I-TASSER, молекулярный докинг проведен с использованием программы Auto Dock Vina.

Результаты. Установлено, что частота носителей полиморфного варианта 79G гена ADRB2 статистически достоверно выше (p<0,05) в группе обследования II (69,4%) по сравнению (55,8%) с частотой в контрольной группе. По результатам анализа смоделированной пространственной структуры белка ADRB2, замены p.16Arg>Gly и p.27Gln>Glu находятся в N-концевой последовательности и могут влиять на взаимодействие с белками-партнерами, в свою очередь, аминокислотная замена p.164Thr>Ile локализирована вблизи сайта связывания с лигандами и может снижать аффинность сальбутамола к соответствующему мутантному рецептору.

Выводы. Полиморфный вариант 79G гена ADRB2 может рассматриваться в качестве фактора наследственной предрасположенности развития БА в условиях антропогенной нагрузки окружающей среды. Мононуклеотидная замена 491C>T гена ADRB2 может рассматриваться в качестве фармакогенетического маркера плохого ответа пациента на лечение сальбутамолом.

Библиографические ссылки

Antypkin YuG, Chumachenko NG, Umanets TR, Lapshyn VF. (2016). Analysis of morbidity and prevalence of bronchial asthma among children from different age groups and regions in Ukraine. Perinatologiya i pediatriya. 1 (65): 95—99. doi 10.15574/PP.2016.65.95

Polonnikov AV, Ivanov VP, Bogomazov AD. (2015). Genetiko-biohimicheskie mehanizmyi vovlechennosti fermentov antioksidantnoy sistemyi v razvitie bronhialnoy astmyi. Biomeditsinskaya himiya. 61, 4: 427—439.

Tatarskyi PF, Chumachenko NH, Kucherenko AM, Hulkovskyi RV, Arabska LP, Smirnova OA, Tolkach SI, Antypkin YuH, Livshyts LA. (2011). Doslidzhennia mozhlyvoi roli polimorfizmu heniv CYP1A1, GSTT1, GSTM1, GSTP1, NAT2 i ADRB2 u rozvytku bronkhialnoi astmy u ditei. Biopolymers and Cell. 27, 1: 66—73.

Bandaru S, Tarigopula P, Akka J et al. (2016). Association of Beta 2 adrenergic receptor (Thr164Ile) polymorphisms with Sulbutamol refractoriness in severe asthmatics from Indian population. Gene. 592 (1): 15—22. https://doi.org/10.1016/j.gene.2016.07.043; PMid:27450915

Baranov VS, Baranova EV, Ivaschenko TE, Aseev MV. (2002). Human genome and «predisposition» genes. Introduction into predictive medicine. St. Petersburg: Intermedika: 272.

Barnes PJ, Dollery C, MacDermot J. (1980). Increased pulmonary β-adrenergic and dicreased β-adrenergic receptors in experimental asthma. Nature. 285: 569—571. https://doi.org/10.1038/285569a0; PMid:6250039

Benkert P, Biasini M, Schwede T. (2011). Toward the estimation of the absolute quality of individual protein structure models. Bioinformatics 27: 343—350. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btq662; PMid:21134891 PMCid:PMC3031035

Bertoni M, Kiefer F, Biasini M, Bordoli L, Schwede T. (2017). Modeling protein quaternary structure of homo- and hetero-oligomers beyond binary interactions by homology. Scientific Reports: 7. https://doi.org/10.1038/s41598-017-09654-8; PMid:28874689 PMCid:PMC5585393

Bienert S, Waterhouse A, de Beer TAP, Tauriello G, Studer G, Bordoli L, Schwede T. (2017). The SWISS-MODEL Repository — new features and functionality. Nucleic. Acids. Res. 45: D313—D319. https://doi.org/10.1093/nar/gkw1132; PMid:27899672 PMCid:PMC5210589

Birbian N, Singh J, Jindal SK, Singla N. (2012). Association of β2-adrenergic receptor polymorphisms with asthma in a North Indian population. Lung. 190 (5): 497—504. https://doi.org/10.1007/s00408-012-9407-7; PMid:22821646

Ober C, Yao TC. (2011). The Genetics of Asthma and Allergic Disease: A 21st Century Perspective. Immunol Rev. 242 (1): 10—30. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21682736. https://doi.org/10.1111/j.1600-065X.2011.01029.x; PMid:21682736 PMCid:PMC3151648

Chung LP, Waterer G, Thompson PJ. (2011). Pharmacogenetics of β2 adrenergic receptor gene polymorphisms, long-acting β-agonists and asthma. Clin. Exp. Allergy. 41 (3): 312—326. https://doi.org/10.1111/j.1365-2222.2011.03696.x; PMid:21294785

Danielewicz H. (2014). What the Genetic Background of Individuals with Asthma and Obesity Can Reveal: Is β2-Adrenergic Receptor Gene Polymorphism Important? Pediatric allergy, Immunology, and Pulmonology. 27; 3: 23–24. https://doi.org/10.1089/ped.2014.0360; PMid:25276484 PMCid:PMC4170984

Drysdale CM, McGraw DW, Stack CB et al. (2000). Complex promoter and coding region beta 2-adrenergic receptor haplotypes alter receptor expression and predict in vivo responsiveness. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 97: 83—88. https://doi.org/10.1073/pnas.97.19.10483; PMid:10984540 PMCid:PMC27050

Finkelstein Y, Bournissen FG, Hutson JR, Shannon M. (2009). Polymorphism of the ADRB2 gene and response to inhaled β-agonists in children with asthma: A metaanalysis. J Asthma. 46 (9): 900—905. https://doi.org/10.3109/02770900903199961; PMid:19905915

Guex N, Peitsch MC, Schwede T. (2009). Automated comparative protein structure modeling with SWISS-MODEL and Swiss-PdbViewer: A historical perspective. Electrophoresis. 30: S162—S173. https://doi.org/10.1002/elps.200900140; PMid:19517507

Jovicic N, Babic T, Dragicevic S, Nestorovic B, Nikolic A. (2018). ADRB2 Gene Polymorphisms and salbutamol and responsiveness in serbian children with asthma. BJMG. 21 (1): 33—38. https://doi.org/10.2478/bjmg-2018-0007; PMid:30425908 PMCid:PMC6231319.

Jovicic N, Babic T, Dragicevic S, Nestorovic B, Nikolic A. (2018). ADRB2 gene polymorphisms and salbutamol responsiveness in Serbian children with asthma. BJMG. 21 (1): 33—38. https://doi.org/10.2478/bjmg-2018-0007; PMid:30425908 PMCid:PMC6231319.

Karam RA, Sabbah NA, Zidan HE, Rahman HM. (2013). Association between genetic polymorphisms of β2-adrenergic receptors and nocturnal asthma in Egyptian children. J. Investig Allergol. Clin. Immunol. 23 (4): 262—266.

Liggett SB. (1997). Polymorphisms of the β2-adrenergic receptor and asthma. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 156: 156—162. https://doi.org/10.1164/ajrccm.156.4.12tac-15; PMid:9351598

Liggett SB. (2000). Beta2-adrenergic receptor pharmacogenetics. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 161: 197—201. https://doi.org/10.1164/ajrccm.161.supplement_2.a1q4-10; PMid:10712374

Littlejohn MD, Taylor DR, Miller AL, Kennedy MA. (2002). Determination of beta2-adrenergic receptor (ADRB2) haplotypes by a multiplexed polymerase chain reaction assay. Hum. Mutat. 20 (6): 479. https://doi.org/10.1002/humu.9091; PMid:12442282

Liu X, Ahn S, Kahsai AW, Meng KC, Latorraca NR, Pani B, Venkatakrishnan AJ, Masoudi A, Weis WI, Dror RO, Chen X, Lefkowitz RJ, Kobilka BK. (2017). Mechanism of intracellular allosteric beta 2AR antagonist revealed by X-ray crystal structure. Nature. 548: 480—484. https://doi.org/10.1038/nature23652; PMid:28813418 PMCid:PMC5818265

Man Tian, Hui Liang, Qiao-Zhi Qin, Wen-xin Zhang and Shan-shan Zhang (2016). ADRB2 polymorphisms in allergic asthma in Han Chinese children. Int. Forum of Allergy & Rhinology. 6 (4): 367—372. https://doi.org/10.1002/alr.21673; PMid:26633084.

Maniatis T, Fritsch EF, Sambrook J. (1982). Molecular cloning: a laboratory manual. New York: Cold Spring Harbor Lab. Publ: 545.

Nabhan JF, Pan H, Lu Q. (2010). Arrestin domain-containing protein 3 recruits the NEDD4 E3 ligase to mediate ubiquitination of the beta2-adrenergic receptor. EMBO Rep. 11: 605—611. https://doi.org/10.1038/embor.2010.80; PMid:20559325 PMCid:PMC2920442

Petrovic-Stanojevic N, Topic A, Nikolic A, Stan-Kovic M, Dopudja-Pantic V, Milenkovic B et al. (2014). Polymorphisms of β2-adrenergic receptor gene in Serbian asthmatic adults: Effects on response to β-agonists. Mol Diagn Ther. 18 (6): 639—646. https://doi.org/10.1007/s40291-014-0116-1; PMid:25074500

Qi S, O'Hayre M, Gutkind JS, Hurley JH. (2014). Insights into beta2-adrenergic receptor binding from structures of the N-terminal lobe of ARRDC3. Protein Sci. 23: 1708—1716. https://doi.org/10.1002/pro.2549; PMid:25220262 PMCid:PMC4253811

Rasmussen SGF, Choi HJ, Rosenbaum DM et al. (2007). Crystal structure of the human beta2 adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature. 450: 383—387. https://doi.org/10.1038/nature06325; PMid:17952055

Reihsaus E, Innis M, MacIntyre N et al. (1993). Mutations in gene encoding for the β2-adrenergic receptor in normal and asthmatic subjects. Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 8: 334—339. https://doi.org/10.1165/ajrcmb/8.3.334; PMid:8383511

Roy A, Kucukural A, Zhang Y. (2010). I-TASSER: a unified platform for automated protein structure and function prediction. Nature Protocols. 5: 725—738. https://doi.org/10.1038/nprot.2010.5; PMid:20360767 PMCid:PMC2849174

Sauvageau E, Rochdi MD, Oueslati M, Hamdan FF, Percherancier Y, Simpson JC, Pepperkok R, Bouvier M. (2014). CNIH4 interacts with newly synthesized GPCR and controls their export from the endoplasmic reticulum. Traffic. 15: 383—400. https://doi.org/10.1111/tra.12148; PMid:24405750

Statistical publication Environment of Ukraine. (2009). SSC of Ukraine. Kyiv: 270.

Sullivan KM, Dean A, Soe MM. (2009). OpenEpi: a web-based epidemiologic and statistical calculator for public health. Public Health Rep. 124; 3: 471—474. https://doi.org/10.1177/003335490912400320; PMid:19445426 PMCid:PMC2663701

Thakkinstian A, McEvoy M, Minelli C. et al. (2005). Systematic review and meta-analysis of the association between beta2-adrenoceptor polymorphisms and asthma: a HuGE review. Am. J. Epidemiol. 162: 201—211. https://doi.org/10.1093/aje/kwi184; PMid:15987731

Trott O, Olson AJ. (2010). AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization and multithreading. Journal of Computational Chemistry. 31: 455—461. https://doi.org/10.1002/jcc.21334; PMid:19499576 PMCid:PMC3041641

Warne A, Moukhametzianov R, Baker JG, Nehme R, Edwards PC, Leslie AGW, Schertler GFX, Tate CG. (2011). The structural basis for agonist and partial agonist action on a beta1-adrenergic receptor. Nature. 469: 241—244. https://doi.org/10.1038/nature09746; PMid:21228877 PMCid:PMC3023143

Waterhouse A, Bertoni M, Bienert S, Studer G, Tauriello G, Gumienny R, Heer FT, de Beer TAP, Rempfer C, Bordoli L, Lepore R, Schwede T. (2018). SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes. Nucleic Acids Res. 46 (W1): W296-W303. https://doi.org/10.1093/nar/gky427; PMid:29788355 PMCid:PMC6030848

Yang J, Yan R, Roy A, Xu D, Poisson J, Zhang Y. (2015). The I-TASSER Suite: Protein structure and function prediction. Nature Methods. 12: 7—8. https://doi.org/10.1038/nmeth.3213; PMid:25549265 PMCid:PMC4428668

Zhang Y. (2008). I-TASSER server for protein 3D structure prediction. BMC Bioinformatics. 9: 40. https://doi.org/10.1186/1471-2105-9-40; PMid:18215316 PMCid:PMC2245901

Опубликован

2019-06-30

Выпуск

Раздел

Оригинальные исследования