Табакокурение и генотип: современное состояние проблемы



На сегодняшний день актуальной медицинской и социальной проблемой является табакокурение. Около 1,3 млрд человек регулярно курят или употребляют табак в других формах. Курение является одним из факторов заболевания рака, болезни легких и сердечно-сосудистых заболеваний, в тканях легких под воздействием дыма индуцируются мутации, из которых 60 являются канцерогенными.

Целью настоящей работы явилось описание современного состояния научных исследований в области изучения влияния табакокурения на индуцирование изменений в генотипе человека.

Обсуждение. Курение снижает активность гена, отвечающего за защиту сосудов, что в свою очередь повышает риск возникновения тромбов. Табак оказывает основное влияние на мутационную нагрузку, добавляя от 1000 до 10000 мутаций на клетку, межклеточную гетерогенность и драйверные мутации. С возрастом частота драйверных мутаций увеличивается и затрагивает 4–14 % клеток у людей среднего возраста, которые никогда не курили. У нынешних курильщиков 25 % клеток несут драйверные мутации, а до 6 % клеток имеют две или даже три подобные мутации [1].

В исследовании, в котором приняло участие 1,2 миллиона людей, обнаружили 566 вариантов полиморфизма генов в 406 локусах, связанных с несколькими стадиями употребления табака, при этом 150 локусов свидетельствуют о плейотропной ассоциации влияния этих генов. Были представлены доказательства участия многих систем организма в развитии заболеваний при употреблении табака, включая гены, участвующие в никотиновой, дофаминергической и глутаматергической нейротрансмиссии. Результаты обеспечивают надежную отправную точку для оценки воздействия этих локусов на развитие многих заболеваний и дают более точную картину патогенеза из-за употребления психоактивных веществ [2].

Табачный дым может являться причиной хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). Длительное воздействие сигаретного дыма (СД), вызывает стойкое воспаление, небольшое ремоделирование дыхательных путей и поражение легких. Недавно сообщалось, что ферроптоз, возникающий в эпителиальных клетках легких, связан с патогенезом ХОБЛ. Транслокация 2 ДНК-диоксигеназы (ТЕТ2) является важным маркером деметилазной активности. Однако ее роль при ХОБЛ остается неясной. Было обнаружено, что TET2 регулирует перекисное окисление липидов, тем самым облегчая ферроптоз эпителиальных клеток дыхательных путей при ХОБЛ, уровни белка TET2 в основном снижались. Подавление TET2 усиливает ферроптоз, в то время как сверхэкспрессия TET2 ингибирует ферроптоз в эпителиальных клетках дыхательных путей. В целом, TET2 является важным модулятором перекисного окисления липидов и ферроптоза эпителиальных клеток дыхательных путей и может выступать в качестве потенциальной терапевтической мишени для ХОБЛ, индуцированной СД [3].

Потребление табака может вызывать бесплодие у мужчин, а именно снижает объем спермы и общее количество сперматозоидов. Была выявлена связь между потреблением табака и повышенным уровнем белка теплового шока 27 (HSP27) и фосфорилированного HSP27 (p-HSP27) в сперматозоидах, что указывает на потенциальное вредное воздействие табака на репродуктивную систему [4]. Было проведено исследование, в котором отобрали 118 образцов спермы у 63 заядлых курильщиков (G1) и 55 некурящих людей (G2). Как оказалось, в группе G1 было показано достоверное снижение стандартных показателей спермы по сравнению с некурящими (р <0,05). Более того, уровень экспрессии мРНК исследованных генов отрицательно коррелировал с подвижностью, количеством, нормальной формой, жизнеспособностью и целостностью мембран сперматозоидов (p <0,05). Следовательно, курение может влиять на экспрессию генов и мужскую фертильность, изменяя паттерны метилирования ДНК в генах, связанных с фертильностью и качеством спермы [5].

Курение во время беременности является серьезной проблемой общественного здравоохранения из-за его неблагоприятных последствий для развития плода. Курение является фактором риска синдрома дефицита внимания/гиперактивности (СДВГ). Оно также является надежным модификатором метилирования генов во время пренатального периода развития. Было проведено исследование, в которое вошло 231 детей с СДВГ. Статистически значимые различия в метилировании ДНК между детьми, подвергавшимися или не подвергавшимися курению матери во время беременности, были обнаружены в 3457 CpG-динуклеотидах. Было отобрано 30 образцов с CpG последовательностью при разнице в метилировании не менее 5 % между двумя группами для дальнейшего анализа. Шесть генов были связаны с раз личными фенотипами, имеющими клиническое значение для СДВГ. Уровни метилирования ДНК в гене RUNX1 положительно коррелировали с баллами шкалы определения поведения детей (CBCL), а метилирование ДНК в участке миозин-1G положительно коррелировало с баллами по шкале Коннерса. Уровень метилирования в CpG последовательностях гена GFI1 коррелировал с массой тела при рождении, что является фактором риска развития СДВГ. Это исследование предоставляет доказательства связи между уровнем метилирования в определенных локусах и количественными показателями, имеющими большое значение для СДВГ, а также массой тела при рождении — показателем, который уже ранее был связан с повышенным риском развития этого заболевания [6].

Курение сигарет тесно связано с большим депрессивным расстройством (БДР). Однако генетическая этиология такой коморбидности и причинно-следственные связи плохо изучены, особенно на полногеномном уровне. В исследовании был проведен анализ сводных данных полногеномного ассоциативного исследования психиатрического генетического консорциума по БДР ( n = 191 005) и Британского биобанка по курению ( n = 337 030), используя различные биостатистические методы. Приняв подход определения приоритета генов, было идентифицировано 43 гена, общих для БДР и курения, которые оказывали влияние на мембранный потенциал, активность рецептора гамма-аминомасляной кислоты и ретроградными эндоканнабиноидными сигнальными путями, что указывает на то, что коморбидные механизмы вовлечены в систему нейротрансмиттеров. Согласно оценки регрессии неравновесия по сцеплению, обнаружена сильная положительная корреляция между БДР и курением ( r _g = 0,365; p = 7,23 × 10– ²⁵ ) и отрицательная корреляция между БДР и бывшим курением ( r _g = -0,298; p = 1,59×10– ²⁴ ). МРТ-анализ показал, что курение увеличивает генетическую предрасположенность к депрессии [7].

Сигаретный дым влияет на метилирование ДНК —химическую модификацию хроматина, которая помогает клеткам включать или выключать определенные гены, в клетках крови. Были проведены исследования, которые выявили различия в закономерностях метилирования ДНК. Однако в большинстве случаев не удалось точно установить, были ли эти изменения вызваны курением, предрасположенностью людей к курению или были вызваны лежащими в их основе генетическими вариациями в самой последовательности ДНК. Для изучения вопроса, ван Донген и др. изучили данные о метилировании ДНК из клеток крови более 700 пар однояйцевых близнецов. В силу того, что эти люди имеют одинаковую генетическую конституцию, это позволило лучше оценить влияние образа жизни на метилирование ДНК. Анализ выявил различия в метилировании в 13 участках ДНК у пар близнецов, один из которых курил, а его брат не употреблял никотин в течение всей жизни. Исследование позволило определить два модифицированных под действием курения гена, которые кодируют белки, участвующие в реакции на никотин — основное химическое вещество, вызывающее зависимость, содержащееся в сигаретном дыме. Различия могли быть меньшими, если бы один из близнецов бросил курить, отсюда можно предположить, что отказ от курения может помочь обратить вспять некоторые из этих изменений [8].

Ученые предполагают связь между курением и головной болью, но остаются вопросы о причинно-следственной связи. Курение может увеличить риск развития головной боли, люди курят чтоб облегчить головную боль или курение и головная боль могут иметь общие факторы риска. Ученые провели статистический регрессивный анализ данных наблюдений в Биобанке Великобритании, оценивая связь между поведением в отношении курения (статус курения, количество сигарет в день среди ежедневных курильщиков и показатель курения в течение всей жизни) с риском развития головной боли, о котором сообщали сами пациенты (за последний месяц и более 3 месяцев).

По наблюдениям, существует слабая связь между курением и возникновением головной боли: увеличение количества выкуриваемых сигарет в день связано с повышенным риском головной боли. По данным МР-анализа (Менделевская рандомизация (MR) —метод, который использует генетические варианты в качестве инструментов для создания причинно-следственных выводов о воздействии и его результатов), генетическая предрасположенность к началу курения и курение в течение всей жизни повышали вероятность возникновения головной боли в последний месяц, но не повышали вероятность головных болей, продолжающихся более 3 месяцев [9].

Курение табака оказывает негативное влияние и на микробиом кишечника. Первоначально ученые провели исследование в профилях транскриптома и метагенома между курильщиками и некурящими. Затем, чтобы оценить взаимосвязь между экспрессией гена хозяина и кишечным микробиомом, был применен двунаправленный опосредованный анализ, чтобы сделать вывод о причинно-следственных связях между курением, экспрессией генов и кишечными микробами.

По результатам анализа, учитывая курение в качестве переменного воздействия, было выявлено 272 значимые причинно-следственные связи между экспрессией генов и состоянием кишечного микробиома, среди которых было 247 генов, которые опосредуют влияние курения на кишечную микрофлору. Также была подтверждена корреляция между экспрессией промежуточных продуктов метаболизма гема (порфобилиноген, билирубин и биливердин) и микробиомом кишечника [10].

Экстракт сигаретного дыма вызывает образование так называемых «пенистых клеток» — нагруженных липидами макрофагов, что в свою очередь является отличительным признаком атеросклероза. Накопление липидов макрофагами U937 после воздействия экстрактом сигаретного дыма (CSE) исследовали путем окрашивания липидов специфическими красителями: Oil red O и BODIPY493/503. Результаты показали накопление липидов в клетках, подвергшихся воздействию CSE, что и вызывает образование «пенистых клеток». Таким образом, CSE влияет на гомеостаз липидов, изменяя их ассимиляцию и диссимиляцию, лизосомальную и митохондриальную деградацию [11].

Курение сигарет снижает чувствительность к инсулину, но его влияние на продолжительность ремиссии неизвестно. По этому поводу было проведено исследование, в котором участвовало 149 человек (48 женщин и 101 мужчина в возрасте 16–35 лет, средний возраст 25 лет) с выявленным диабетом 1 степени. Из 149 пациентов 68 (46 %) соответствовали критериям частичной ремиссии через 1 год после установления диагноза диабета. Меньшая доля пациентов, у которых была частичная ремиссия в течение 1 года, курили (19/68, 28 %). По данным регрессионного анализа, отказ от курения был связан с ремиссией в течение 1 года независимо от возраста, пола, HbA(1c) и наличия диабетического кетоацидоза. По сравнению с участниками этого исследования, которые курили, у тех, кто не курил на момент постановки диагноза диабета 1 типа, наблюдалась более длительная частичная ремиссия [12].

Курение сигарет является установленным фактором риска развития рака полости рта. Канцерогены и токсиканты в табачных изделиях и электронных сигаретах могут повредить ДНК, что приведет к образованию апуриновых/апиримидиновых (АП) сайтов в генах и инициированию канцерогенного процесса. В проведенном исследовании был оптимизирован метод тандемной масс-спектрометрии для анализа AП-сайтов в ДНК буккальных клеток 35 некурящих, 30 курильщиков и 30 пользователей электронных сигарет. Количество сайтов AП у пользователей электронных сигарет (медиана 3,3 на 10 ⁷ нт) было значительно ниже, чем у курильщиков (медиана 5,7 на 10 ⁷ нт) и некурящих (медиана 6,0 на 10 ⁷ нт). Встречаемость сайтов AП у курильщиков достоверно не отличалась от некурящих ( p >0,05). Растворители для испарения электронных сигарет (пропиленгликоль и глицерин), могут ингибировать бактерии в клетках полости рта, что приводит к уменьшению воспаления и связанных с ним эффектов, а также к снижению уровня AП-сайтов в ДНК пользователя электронных сигарет [13].

Было выявлено, что у курильщиков сигарет развивается структурная модификация гемоглобина (Hb), и эта модификация позволяет Hb подвергаться более высокой скорости аутоокисления, что приводит к образованию дополнительных внутриклеточных АФК, которые постоянно образуются в живых клетках и играют роль медиаторов важных внутриклеточных сигнальных путей. В проведенном исследовании (были включены двадцать два курильщика и 16 некурящих в возрасте от 25 до 35 лет со стажем курения 7–10 лет) были выявлены причины и последствия модификации гемоглобина у курильщиков сигарет. По результатам анализа было установлено, что увеличение содержания карбонила в Hb свидетельствует о его окислительной деградации. Более того, увеличение уровня гемоглобина, связанного с мембранами эритроцитов, и уровня гемоглобина, не содержащегося в плазме, является доказательством более высокой скорости окисления гемоглобина в эритроцитах курильщиков. Было замечено, что скорость деградации белков, липидов, сахара и ДНК выше при уровне гемоглобина курильщиков, что связывают с воздействием десферриоксамина и маннита [14].

Курение сигарет представляет собой основной фактор риска развития остеопороза и перелома бедра. Воздействие дыма вызывает значительный дисбаланс между резорбцией кости и костеобразованием. Были разработаны протоколы воздействия сигаретного дыма на мышей, подвергшихся воздействию табачного дыма в окружающей среде в течение 10 дней или 3 месяцев, чтобы определить острое и хроническое воздействие дыма. 10-дневное воздействие сигаретного дыма в достаточной степени эффективно индуцировало активность остеокластов, что приводило к ингибированию дифференцировки остеобластов, хотя оно не приводило к немедленному изменению структуры костей, в отличие от мышей, подвергавшихся воздействию дыма в течение 3 месяцев. Воздействие сигаретного дыма также индуцировало ДНК-связывающую активность ядерного фактора kappaB (NFκB) в остеокластах, что впоследствии приводило к изменениям в экспрессии генов, связанных с ремоделированием кости [15].

Курение вызывает изменения в профилях метилирования ДНК, связанных с канцерогенезом. В проведенном исследовании сравнили различия в уровнях метилирования ДНК слюны среди нынешних (n=26) и бывших курильщиков (n=30), которые не менее 2 лет воздерживались от курения. Было проведено метилирование полногеномной ДНК из слюны, а модели ANCOVA и ROC-анализ были использованы для выявления различий между группами и производительности значимых сайтов CpG. По результатам исследования, продолжительность воздержания от курения связана с восстановлением метилирования у бывших курильщиков, что может быть связано со снижением риска заболеваний, связанных с курением. Связь с когнитивными способностями предполагает, что гипометилирование сайтов AHRR в слюне может отражать системное воздействие токсикантов, связанных с курением, которые отрицательно влияют на когнитивные функции [16]. По результатам другого исследования, курение может вызывать повышенную экспрессию HER2 при рецидивирующих опухолях молочной железы. Это объясняется прямым воздействием компонентов табачного дыма, доставляемых через кровообращение в ткань молочной железы и последующим повреждением ДНК [17].

Заключение. Проведенные исследования, основанные на анализе причинно-следственных связей между экспрессией генов, курением и состоянием микробиома, подтверждают тесные взаимосвязи между нашими жизненными привычками и состоянием нашего организма. Полученные в исследовании результаты подтверждают значительный вклад табакокурения в инициировании генетического груза, подчеркивают важность осознанного выбора в пользу здорового образа жизни и приверженности заботе о своем организме.

Литература:

1. Yoshida K., Gowers K. H. C., Lee-Six H. et al. Tobacco smoking and somatic mutations in human bronchial epithelium. // Nature. 2020. 578, 266–272.
2. Liu M., Jiang Y., Wedow R. et al. Association studies of up to 1.2 million individuals yield new insights into the genetic etiology of tobacco and alcohol use. // Nat Genet. 2019. 51, 237–244.
3. Zeng Z., Li T., Liu X. et al. DNA dioxygenases TET2 deficiency promotes cigarette smoke induced chronic obstructive pulmonary disease by inducing ferroptosis of lung epithelial cell. // Redox Biol. 2023. 67, 102916. doi: 10.1016/j.redox.2023.102916.
4. Henriques M. C., Santiago J., Patrício A. et al. Smoking Induces a Decline in Semen Quality and the Activation of Stress Response Pathways in Sperm. // Antioxidants (Basel). 2023. 12(10), 1828. doi: 10.3390/antiox12101828.
5. Amor H., Alkhaled Y., Bibi R. et al. The Impact of Heavy Smoking on Male Infertility and Its Correlation with the Expression Levels of the PTPRN2 and PGAM5 Genes. // Genes (Basel). 2023. 14(8), 1617. doi: 10.3390/genes14081617.
6. Chaumette B., Grizenko N., Fageera W. et al. Correlation of the methylomic signature of smoking during pregnancy with clinical traits in ADHD. // J Psychiatry Neurosci. 2023. 48(5), E390-E399. doi: 10.1503/jpn.230062.
7. Yao Y., Xu Y., Cai Z. et al. Determination of shared genetic etiology and possible causal relations between tobacco smoking and depression. // Psychological Medicine. 2021. 51(11), 1870–1879. doi:10.1017/S003329172000063X.
8. van Dongen J., Willemsen G.; BIOS Consortium; de Geus E. J. C. et al. Effects of smoking on genome-wide DNA methylation profiles: A study of discordant and concordant monozygotic twin pairs. // Elife. 2023. 12, e83286. doi: 10.7554/eLife.83286.
9. Katherine Lloyd, Sean Harrison, Hannah M. Sallis et al. Exploring the Bidirectional Causal Pathways Between Smoking Behaviors and Headache: A Mendelian Randomization Study. // Nicotine & Tobacco Research. 2023. ntad173. https://doi.org/10.1093/ntr/ntad173
10. Jingjing Li, Zhongli Yang, Wenji Yuan et al. Heme Metabolism Mediates the Effects of Smoking on Gut Microbiome. // Nicotine & Tobacco Research. 2023. ntad209. https://doi.org/10.1093/ntr/ntad209
11. Pramanik S., Sil A. K. Cigarette smoke extract induces foam cell formation by impairing machinery involved in lipid droplet degradation. // Pflugers Arch. 2024. 476(1), 59–74. doi: 10.1007/s00424–023–02870–4.
12. Pilacinski S., Adler A. I., Zozulinska-Ziolkiewicz D. A. et al. Smoking and other factors associated with short-term partial remission of Type 1 diabetes in adults. // Diabet Med. 2012. 29(4), 464–469. doi: 10.1111/j.1464–5491.2011.03467.x.
13. Guo J., Ikuemonisan J., Hatsukami D. K., Hecht S. S. Liquid Chromatography-Nanoelectrospray Ionization-High-Resolution Tandem Mass Spectrometry Analysis of Apurinic/Apyrimidinic Sites in Oral Cell DNA of Cigarette Smokers, e-Cigarette Users, and Nonsmokers. // Chem Res Toxicol. 2021. 34(12), 2540–2548. doi: 10.1021/acs.chemrestox.1c00308.
14. Biswas P., Seal P., Sikdar J., Haldar R. Oxidative degradation perturbs physico-chemical properties of hemoglobin in cigarette smokers: a threat to different biomolecules. // Inhal Toxicol. 2021. 33(6–8), 275–284. doi: 10.1080/08958378.2021.1991529.
15. Lu Y., Di Y. P., Chang M. et al. Cigarette smoke-associated inflammation impairs bone remodeling through NFκB activation. // J Transl Med. 2021. 19(1), 163. doi: 10.1186/s12967–021–02836-z.
16. Hsu P. C., Daughters S. B., Bauer M. A. et al. Association of DNA methylation signatures with cognitive performance among smokers and ex-smokers. // Tob Induc Dis. 2023. 21, 106. doi: 10.18332/tid/168568.
17. Takada K., Kashiwagi S., Asano Y. et al. The effect of smoking on biological change of recurrent breast cancer. // J Transl Med. 2020. 18(1), 153. doi: 10.1186/s12967–020–02307-x.