Guinguette Marais Poitevin

Abstract

Autoimmunologiczne choroby tarczycy (AITD) (choroba Gravesa-Basedowa i zapalenie tarczycy Hashimoto) są złożonymi chorobami genetycznymi, w których najprawdopodobniej ponad 20 genów przyczynia się do powstawania fenotypów klinicznych. Dotychczas poznane geny dzielą się na dwie kategorie: geny regulacji immunologicznej (w tym HLA, CTLA4, PTPN22, CD40, CD25 i FCRL3) oraz geny specyficzne dla tarczycy (TG i TSHR). Jednak żaden z tych genów nie przyczynia się do ponad 4-krotnego wzrostu ryzyka rozwoju jednej z tych chorób, a żaden z odkrytych polimorfizmów nie jest niezbędny do rozwoju choroby. Stąd wydaje się, że wiele różnych interakcji genów może łączyć się w celu wywołania tego samego klinicznego wzorca choroby, ale geny przyczyniające się do tego mogą różnić się w zależności od pacjenta i populacji. Co więcej, ten możliwy mechanizm pozostawia otwartą kwestię potężnego wpływu środowiska i epigenetycznych modyfikacji ekspresji genów. Dla klinicysty oznacza to, że profilowanie genetyczne takich pacjentów nie będzie prawdopodobnie owocne w najbliższej przyszłości.

1. Wprowadzenie

Wiele chorób ma tendencję do występowania rodzinnego i wiemy, że może to być spowodowane albo wpływami środowiskowymi, albo genetyką rodzinną, albo obiema tymi przyczynami. Autoimmunologiczne choroby tarczycy (AITD), choroba Gravesa-Basedowa i zapalenie tarczycy Hashimoto, są typowymi przykładami takich złożonych chorób i przez wiele lat były uznawane za choroby o istotnym komponencie genetycznym. W ciągu ostatnich 10 lat poznaliśmy wiele nowych sposobów na to, w jaki sposób wpływy genetyczne mogą wzmacniać autoimmunizację tarczycy, ale nadal istnieją duże luki w naszej wiedzy, których wypełnienie nie jest prawdopodobne bez znacznego postępu teoretycznego i technicznego. Ten krótki przegląd przedstawia aktualny stan wiedzy oraz nowe spostrzeżenia, jakie uzyskaliśmy badając genetykę AITD, a w szczególności choroby Gravesa-Basedowa.

2. Autoprzeciwciała tarczycowe

Autoprzeciwciała przeciwko peroksydazie tarczycowej (TPO) i tyreoglobulinie (Tg) są raczej odzwierciedleniem choroby tarczycy niż czynnikiem sprawczym. W związku z tym, takie autoprzeciwciała tarczycowe mogą rozwijać się przed wystąpieniem klinicznej postaci AITD i od dawna wiadomo, że zwiększają ryzyko rozwoju klinicznej postaci AITD. Uznanie rodzinnego związku z produkcją przeciwciał tarczycowych doprowadziło do badań nad krewnymi pierwszego stopnia osób z AITD i wskazało na dominujący wzór dziedziczenia. Rzeczywiście, aż do 50% rodzeństwa pacjentów z AITD ma dodatnie przeciwciała tarczycowe, w przeciwieństwie do ~15% w populacji ogólnej. Kilka analiz segregacyjnych wykazało również mendlowski dominujący wzór dziedziczenia dla ekspresji autoprzeciwciał tarczycowych, a genetyczne przekazywanie „odcisków palców” podklasy przeciwciał TPO sugeruje, że wzór rozpoznawania antygenu TPO przez autoprzeciwciała jest również przekazywany genetycznie.

3. Genetyczna podatność na AITD

Uznanie związku między AITD a pewnymi antygenami ludzkich leukocytów (HLA) po raz pierwszy dostarczyło mechanizmu dla genetycznego wkładu w chorobę Gravesa-Basedowa i zapalenie tarczycy Hashimoto. Związek ten był szczególnie dobrze widoczny u bliźniąt jednojajowych. Antygeny HLA umożliwiają układowi odpornościowemu rozpoznawanie peptydów antygenowych tarczycy, a ostatnie dane wykazały, że to wzmocnione skojarzenie jest wtórne do obecności poszczególnych reszt w kieszeni wiążącej HLA klasy II, takich jak Arg 74 . Ponadto, w miarę poznawania mechanizmów patologicznych i molekularnych zaangażowanych w AITD, wiele z nich było nie tylko wspólnych dla wszystkich chorób autoimmunologicznych, ale także wysoce zmiennych międzyosobniczo; umożliwiło to rozpoznanie genów kandydujących odpowiedzialnych za podatność na chorobę. Geny takie mogły być następnie oceniane za pomocą analizy powiązań lub badań asocjacyjnych (patrz Tabela 1).

4. Wykrywanie genów podatności w AITD

Kandydacki kompleks genów HLA był najpierw związany z AITD w badaniach asocjacyjnych, ale następnie nie wykazał powiązania z AITD . Pokazało to, że genetyczny wkład HLA w AITD nie był wystarczająco silny, aby można go było dostrzec w analizach powiązań. Wskazało to, że badania asocjacyjne były bardziej prawdopodobne w celu wykrycia genów przyczyniających się do niewielkiego wpływu na podatność na chorobę. W wyniku realizacji projektu Human Genome Project możliwa stała się identyfikacja genów dla chorób o złożonym podłożu genetycznym bez uciekania się do podejścia genów kandydujących. Osiągnięto to poprzez „typowanie” osobników przy użyciu genomowego ekranu markerów genetycznych, początkowo mikrosatelitów (1 mikrosatelita na 10 cM DNA), a następnie polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNP) (~1 SNP na < 1 cM DNA), które obejmowały cały genom (Tabela 2). Następnie badacze obserwowali, które markery segregowały z chorobą. Jednak mniejsza czułość analiz sprzężeń, w porównaniu z badaniami asocjacyjnymi, utrudniała wykonywanie tych analiz dla cech złożonych, charakterystycznych dla niemendlowskiego wzorca dziedziczenia i o zmiennych fenotypach klinicznych. Jednak przy użyciu dużej liczby SNP, opracowanej w ramach projektu HapMap , która w znacznie większym stopniu pokrywała cały genom, łatwiej było rozszyfrować, które markery segregują z chorobą przy użyciu analiz asocjacyjnych. Te markery SNP występują częściej niż markery mikrosatelitarne i są łatwe do wykrycia, co pozwala na większą czułość genetyczną. Podejrzany region genu można następnie zawęzić za pomocą bardziej gęstych SNP i zidentyfikować gen. Wyniki są obecnie dostępne dla różnych chorób autoimmunologicznych, w tym reumatoidalnego zapalenia stawów i cukrzycy typu 1, a ostatnio dla AITD.

Jest oczywiście konieczne, aby wyniki badań asocjacyjnych całego genomu były rzetelnie i wielokrotnie odtwarzane, ale złożoność tego typu analizy i wysoki koszt spowodowały problemy . Jeśli wspólne choroby są związane ze wspólnym ryzykiem, to można oczekiwać replikacji w populacjach. Jednak wspólne choroby mogą być związane z ryzykiem specyficznym dla danej populacji, a zatem takie dane można odtworzyć tylko w tej samej populacji, która była badana w oryginalnym raporcie. Odtwarzalność stanowiła problem w przypadku badań wykorzystujących przesiewowe badania mikrosatelitarne, w tym badań u pacjentów z AITD, i problem ten utrzymywał się w znacznie większych badaniach wykorzystujących badania asocjacyjne całego genomu, takich jak badania analizujące chorobę Parkinsona, a także otyłość. Dlatego wszystkie doniesienia o powiązaniach i asocjacjach genetycznych wymagają potwierdzenia w niezależnych badaniach, zanim zostaną zaakceptowane.

5. Geny dla AITD

Geny HLA i CTLA4 były pierwszymi genami zidentyfikowanymi przez podejście kandydackie (Tabela 3).

Jak omówiono wcześniej, geny HLA tworzą główny kompleks zgodności tkankowej (MHC), który zawiera wiele genów związanych z funkcją układu odpornościowego u ludzi. Należą do nich HLA klasy I (A, B i C), HLA klasy II (DP, DM, DOA, DOB, DQ i DR) oraz HLA klasy III (kodujące inne białka odpornościowe). Główny HLA związany z GD, HLA-DR3, znajduje się w locus HLA DR i odgrywa kluczową rolę w prawidłowej odpowiedzi immunologicznej poprzez wiązanie antygenów peptydowych i prezentowanie ich receptorom komórek T.

Gen cytotoksycznego białka związanego z limfocytami T (CTLA4) jest immunologiczną cząsteczką regulacyjną, która ulega ekspresji na powierzchni limfocytów T pomocniczych i przekazuje sygnał hamujący do komórek T. Oprócz loci genów HLA i CTLA4, istnieją potwierdzone asocjacje (2 lub więcej doniesień) dla szeregu genów również wspólnych dla wielu chorób autoimmunologicznych: PTPN22, CD40, IL2RA (CD25) i FCRL3 (tab. 3).

Gen dla białkowej fosfatazy tyrozynowej, niereceptorowej typu 22 (limfoidalnej), znany również jako PTPN22, koduje białkową fosfatazę tyrozynową ulegającą ekspresji głównie w tkankach limfoidalnych. Enzym ten wiąże się z molekularnym białkiem adaptorowym CBL i może być zaangażowany w regulację funkcji CBL w szlaku sygnalizacji receptora T-komórkowego. Wariant PTPN22 koduje fosfatazę Lyp (Lyp620W) i zwiększa ryzyko wystąpienia wielu chorób autoimmunologicznych. Ostatnio Zhang i wsp. donieśli, że poziom wariantu Lyp620W był obniżony w ludzkich komórkach T i B, a jego wiązanie i rozszczepianie przez kalpainę było zwiększone w stosunku do Lyp620R typu dzikiego. W związku z tym degradacja z udziałem kalpainy, a w konsekwencji zmniejszona ekspresja Lyp oraz nadreaktywność limfocytów i komórek dendrytycznych stanowi potencjalny mechanizm nieuregulowanej autoimmunizacji. Wariant LypR620W, z substytucją argininy do tryptofanu, traci swoją funkcję i wpływ na odpowiedź immunologiczną, co zwiększa ryzyko wystąpienia choroby autoimmunologicznej.

Cząsteczka CD40, czyli gen 5 członka nadrodziny receptora TNF, koduje receptor kostymulacyjny, który jest niezbędny w pośredniczeniu w wielu reakcjach immunologicznych i zapalnych, w tym w zależnej od komórek T zamianie klas immunoglobulin, rozwoju komórek B pamięci i tworzeniu ośrodków zarodkowych. Gen receptora interleukiny 2 (IL2) alfa (IL2RA lub CD25) koduje jedną z podjednostek receptora IL-2, która wiąże IL-2 i jest istotna w regulacji funkcji komórek T. Gen Fc receptor-like protein 3 (FCRL3) koduje białko zawierające w swojej cytoplazmatycznej domenie motyw aktywujący immunoreceptor-tyrozynę oraz motyw hamujący immunoreceptor-tyrozynę, które może odgrywać rolę w regulacji immunologicznej.

Do tej pory jedynymi genami związanymi z tarczycą, których występowanie wiąże się z AITD, są TG (gen kodujący tyreoglobulinę), zarówno w chorobie Gravesa-Basedowa, jak i w zapaleniu tarczycy Hashimoto, oraz TSHR (gen kodujący receptor tyreotropiny) ograniczony do choroby Gravesa-Basedowa (tab. 3).

Gen tyreoglobuliny (TG) koduje duży homodimer glikoproteiny produkowany wyłącznie przez tarczycę. Działa on jako substrat do syntezy hormonów tarczycy: tyroksyny (T4) i trójjodotyroniny (T3), a także do magazynowania nieaktywnych form hormonów tarczycy i jodu. Jak ten gen wpływa na podatność na zachorowanie nie jest jasne, ale Stefan i wsp. opisali ostatnio genetyczno-epigenetyczny mechanizm, w którym nowo zidentyfikowany wariant SNP promotora TG predysponuje do AITD. Analiza sekwencjonowania, a następnie kontrola przypadków i badania asocjacyjne oparte na rodzinie zidentyfikowały SNP (-1623A→G), który był związany z AITD w populacji kaukaskiej, a związana z nim substytucja nukleotydowa SNP (-1623A/G) modyfikowała miejsce wiązania dla czynnika regulacyjnego interferonu-1 (IRF-1), głównego czynnika transkrypcyjnego indukowanego interferonem, wskazując na zwiększoną wrażliwość na tę cytokinę zapalną.

Gen receptora hormonu stymulującego tarczycę (TSHR) koduje białko błonowe, które sygnalizuje poprzez wiązanie liganda TSH i jest głównym regulatorem wzrostu i metabolizmu komórek tarczycy. SNPs w intronie 1 (u osób rasy kaukaskiej) i intronie 7 (u Japończyków) były związane z chorobą Gravesa-Basedowa w wielu badaniach. Ostatnie dane sugerują, że SNP związane z TSHR są związane z wadliwą tolerancją grasicy dla TSHR, jak wykazano przez zmniejszoną ekspresję w obrębie gruczołu grasicy, gdzie jest ona potrzebna do usuwania autoreaktywnych komórek T TSHR .

Ponieważ wszystkie zidentyfikowane geny podatności znalezione do tej pory wydają się mieć niski poziom udziału w podatności genetycznej, podjęto również szereg badań przesiewowych całego genomu w AITD w celu znalezienia ważniejszych genów . Jedno z badań asocjacyjnych całego genomu, wykorzystujące tylko 104 nonsynonimiczne SNP (te obejmujące części genu, które prawdopodobnie wpływają na charakter produktu), wykazało szereg wcześniej rozpoznanych genów, jak również zlokalizowało kilka nowych miejsc, ale nowe miejsca nie mogły być następnie potwierdzone. Ostatnio, pierwsze pełne badanie genomu choroby Gravesa-Basedowa z 660 K SNPs zostało zgłoszone z Chin. Badanie to ponownie zidentyfikowało wiele znanych genów dla AITD, ale także opisało dwa nowe miejsca na chromosomach 6q i 4p. Oczekują one na dalsze potwierdzenie. Ponownie jednak nie pojawiły się żadne nowe geny o bardzo wysokim stopniu powiązania.

6. Stopień zwiększonej podatności pozostaje niski

Wszystkie geny związane z AITD są w stanie indywidualnie nadać jedynie umiarkowany stopień podatności na chorobę (wyrażony jako iloraz szans, patrz Tabela 3). W związku z tym dane te pozwalają nam jedynie stwierdzić, że AITD, zarówno choroba Gravesa (w tym oftalmopatia Gravesa), jak i zapalenie tarczycy typu Hashimoto, są złożonymi zaburzeniami genetycznymi obejmującymi wiele genów, które mogą współdziałać w celu zapewnienia podatnego tła dla rozwoju choroby. Ponadto, wydaje się, że istnieją geny specyficzne dla danej choroby, takie jak gen kodujący TSHR w chorobie Gravesa-Basedowa oraz większa grupa genów podatności, takich jak CTLA4, które są wspólne dla wielu chorób autoimmunologicznych. Ta kombinacja polimorfizmów genów prawdopodobnie pozwala zjawiskom epigenetycznym, następującym po różnych wpływach, takich jak infekcje i środowisko, zapoczątkować chorobę.

7. Kontrowersje wokół głównych genów w AITD

Po wyjaśnieniu, że wiele genów działa w AITD, jest prawdopodobne, że ponad 20 potencjalnych genów przyczynia się do fenotypów AITD. Ale główne geny, te istotne dla rozwoju choroby, nie zostały znalezione. Główny gen powinien być zaangażowany u większości pacjentów z tą chorobą, a współczynniki ryzyka, nawet dla HLA, nie ujawniają takiego genu (Tabela 3). Oznacza to najprawdopodobniej, że różne kombinacje genów mogą wywoływać podobne fenotypy kliniczne lub że dominują zjawiska epigenetyczne. Jak dotąd, w badaniach przesiewowych całego genomu rodzin, rodzeństwa i populacji z AITD, ustalono szereg miejsc podatności na chorobę Gravesa i zapalenie tarczycy Hashimoto, ale żadne z nich nie miało bardzo wysokich wartości statystycznych (LOD scores). Stwierdzenie to jest prawdziwe nie tylko dla AITD, ale także dla innych chorób autoimmunologicznych, w tym cukrzycy typu 1. Najlepiej można to zrozumieć, myśląc ponownie o HLA. Nie każdy pacjent z chorobą Gravesa-Basedowa ma powiązany podtyp HLA-DR3 i nawet nie każdy ma powiązany Arg74 w kieszeni wiążącej, niezależnie od podtypu HLA-DR. Stąd, choroba może wystąpić przy braku oczekiwanej asocjacji HLA.

8. Uwaga na temat epigenetyki

Jednym z mechanizmów, w którym czynniki środowiskowe mogą łączyć się z ryzykiem genetycznym w celu promowania AITD jest zmiana epigenetycznej kontroli ekspresji genów, jak zaobserwowano na przykład w trzustce i jak wykazano w przypadku interakcji wirusa z genem podatności w chorobie Crohna. Chociaż niewiele wiadomo o takich interakcjach z AITD, szeroko potwierdzono rolę inaktywacji chromosomu X (XCI). Pacjenci z AITD częściej niż oczekiwano wykazywali tendencyjną ekspresję matczynego lub ojcowskiego chromosomu X, co prowadzi do hipotezy, że słabo wyrażony chromosom może stać się aktywny w niektórych tkankach, takich jak tarczyca i wyrażać nowe sekwencje antygenowe, wcześniej nierozpoznane przez układ odpornościowy. Te potencjalne mechanizmy zwiększonej podatności na AITD wymagają dalszych badań.

9. Wnioski

Jak czynniki środowiskowe łączą się z ryzykiem genetycznym na poziomie molekularnym w celu promowania złożonych chorób genetycznych, takich jak AITD, jest w dużej mierze nieznane. Geny, które są związane i/lub kojarzone z AITD, w niewielkim stopniu przyczyniają się do ryzyka genetycznego. Polimorfizmy wielu genów (kombinacje haplotypów) wydają się być potrzebne do rozwoju AITD i mogą różnić się między populacjami geograficznymi wtórnie do wpływów epigenetycznych. Wiele pozostaje jeszcze do odkrycia.

Skróty

Ujawnienie

TFD jest członkiem zarządu firmy Kronus Inc, Star, Idaho (dystrybutor zestawów do badania przeciwciał tarczycowych). Pozostali autorzy nie mają konfliktu interesów do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca jest wspierana częściowo przez DK052464 i DK069713 z National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, program VA Merit Award oraz David Owen Segal Endowment.