Социальная регуляция экспрессии генов в лейкоцитах человека

Влияние социальной среды на здоровье человека хорошо изучено в эпидемиологической литературе, но их функциональные геномные механизмы неясны. В настоящем исследовании была проанализирована транскрипционная активность всего генома у людей, которые хронически испытывали высокий или низкий уровень субъективной социальной изоляции (одиночества), чтобы оценить изменения в активности путей контроля транскрипции, которые могут способствовать увеличению неблагоприятных последствий для здоровья в условиях социальной изоляции.

Результаты

Анализ микрочипов ДНК выявил 209 генов, которые по-разному экспрессировались в циркулирующих лейкоцитах у 14 индивидуумов с высоким и низким уровнем одиночества, включая повышенную регуляцию генов, участвующих в активации иммунитета, контроле транскрипции и пролиферации клеток, и пониженную регуляцию генов, поддерживающих функцию зрелых В-лимфоцитов и реакцию на интерферон I типа. Биоинформационный анализ на основе промоторов показал недостаточную экспрессию генов, несущих элементы противовоспалительного глюкокортикоидного ответа (GREs; р = 0,032) и гиперэкспрессия генов, несущих элементы ответа на провоспалительные факторы транскрипции NF-κB/Rel (р = 0,011). Этот взаимный сдвиг в про- и противовоспалительных сигналах не был связан с различиями в уровнях циркулирующего кортизола или другими демографическими, психологическими или медицинскими характеристиками. Дополнительные пути контроля транскрипции, демонстрирующие различную активность в биоинформационных анализах, включали пути CREB/ATF, JAK/STAT, IRF1, C/EBP, Oct и GATA.

Вывод

Эти данные являются первым свидетельством того, что транскрипционная активность всего генома человека изменяется в связи с социально-эпидемиологическим фактором риска. Нарушение транскрипции генов глюкокортикоидного ответа и повышенная активность провоспалительных путей контроля транскрипции обеспечивают функциональное геномное объяснение повышенного риска воспалительных заболеваний у людей, которые испытывают хронически высокий уровень субъективной социальной изоляции.

Фон

Большое количество эпидемиологических исследований связывают характеристики социальной среды с физическим здоровьем человека [1, 2], но геномные механизмы этих воздействий остаются в значительной степени неисследованными. Одним из наиболее значимых факторов социального риска является количество и качество близких личных связей человека. Люди, находящиеся в социальной изоляции, имеют повышенный риск смертности от всех причин [1, 2] и ряда специфических инфекционных, опухолевых и сердечно-сосудистых заболеваний [3-6]. Биологическая основа этих эпидемиологических данных изучена недостаточно, отчасти потому, что неясно, связаны ли последствия социальной изоляции преимущественно с объективным лишением инструментальной социальной поддержки (например, физической, когнитивной или экономической помощи) или с биологическими последствиями пережитой угрозы и дисфории, связанными с субъективными причинами. социальная изоляция (то есть одиночество). В немногих эпидемиологических исследованиях проводится четкое различие между объективной и субъективной социальной изоляцией, но среди тех, которые это сделали, есть данные, подтверждающие значительный вклад каждого аспекта [1, 5, 7-10]. Однако физиологические сигнальные пути, посредством которых эта динамика влияет на патобиологию заболевания, остаются недостаточно изученными.

Экспериментальное манипулирование социальными контактами у животных может активировать нейроэндокринные сигнальные пути [11-14], которые потенциально могут регулировать экспрессию генов как у патогенов (вирусов, бактерий, опухолей), так и у иммунных реакций хозяина [4, 14-26]. Ни в одном экспериментальном исследовании не анализировалось влияние хронической социальной изоляции на транскрипцию у людей, но данные обсервационных исследований показывают, что субъективная социальная изоляция (одиночество) связана с повышением циркулирующего уровня гормона стресса кортизола [27-30]. Этот глюкокортикоид надпочечников может регулировать широкий спектр физиологических процессов посредством опосредованного ядерными гормональными рецепторами контроля транскрипции генов [31]. Активация кортизолом глюкокортикоидного рецептора (GR) оказывает широкий противовоспалительный эффект за счет ингибирования ядерного фактора (NF) - факторов транскрипции κB/Rel и других провоспалительных сигнальных путей (например, янус-киназы-преобразователя сигналов и активатора транскрипции (JAK/STAT) и фактора интерфероновой реакции (IRF) сигнализация) [32, 33]. Однако повышенный уровень кортизола у хронически одиноких людей парадоксален в свете того факта, что большинство заболеваний, связанных с изоляцией, вызваны усилением воспаления (например, репликация лентивирусов, атеросклероз и злокачественные новообразования твердых тканей) [34-36]. Учитывая широкий противовоспалительный эффект глюкокортикоидов, хронически одинокие люди с повышенным уровнем кортизола должны быть относительно защищены от заболеваний, вызванных воспалением, а не подвергаться повышенному риску, наблюдаемому эмпирически.

Одним из возможных объяснений заболеваний, связанных с воспалением, у людей с высоким уровнем кортизола является функциональная десенсибилизация пути GR, который опосредует транскрипционный ответ на глюкокортикоиды. Было показано, что несколько молекулярных механизмов делают клетки нечувствительными к противовоспалительному действию глюкокортикоидов in vitro, включая снижение экспрессии гена GR NR3C1, посттрансляционную модификацию белка GR, повышенную экспрессию антагонистов GR и снижение активности кофакторов транскрипции GR [37]. Как на моделях человека, так и на моделях животных длительный стресс был связан со снижением клеточной экспрессии NR3C1 и повышением клеточной устойчивости к глюкокортикоидному ингибированию провоспалительных цитокиновых реакций [37-40]. Таким образом, возможно, что провоспалительная сигнализация сохраняется у социально изолированных людей с высоким уровнем кортизола, поскольку нарушение передачи сигналов, опосредованных GR, не позволяет клеточному геному эффективно "слышать" противовоспалительный сигнал, посылаемый циркулирующими глюкокортикоидами.

В настоящем исследовании используется стратегия, основанная на геномике in vivo, для выявления генов, которые по-разному экспрессируются в иммунной системе людей, испытывающих хронически высокий уровень субъективной изоляции (одиночества), и для определения путей контроля транскрипции, которые опосредуют эти различия. Биоинформационные анализы дифференциально экспрессирующих промоторов [41, 42] проверяют конкретные гипотезы о том, что иммунные клетки индивидуумов с высоким уровнем одиночества проявляют in vivo в основных физиологических условиях: 1. сниженную активность противовоспалительного пути контроля транскрипции глюкокортикоидов; и 2. повышенную активность провоспалительного NF-Путь kB/Rel. Результаты выявляют отчетливый "транскрипционный отпечаток" пережитой социальной изоляции, который включает в себя геномные признаки активации иммунитета и взаимный сдвиг в активности про- и противовоспалительных путей контроля транскрипции, которые формируют глобальную экспрессию генов в иммунной системе человека.

Результаты

Характеристики образца

Глобальные профили транскрипции генов были оценены в циркулирующих лейкоцитах у 14 человек, участвовавших в популяционном Чикагском исследовании здоровья, старения и социальных отношений (CHASRS) [43]. Лица, испытывающие высокий уровень субъективной социальной изоляции, были определены по показателям, входящим в верхние 15% шкалы одиночества Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а сопоставимая по возрасту, полу и расе группа сравнения лиц, испытывающих субъективную социальную интеграцию, была определена по показателям одиночества, входящим в нижние 15% [28]. В таблице 1 приведены демографические характеристики каждой группы, а также медицинские, поведенческие и психосоциальные характеристики. Эта выборка состояла из взрослых американцев старшего возраста (средний возраст 55 лет), имеющих различное этническое происхождение (50% англоамериканцев, 43% афроамериканцев и 7% испаноязычных/латиноамериканцев Латинской Америки) и различный социально-экономический статус (средний доход домохозяйства составляет 62 500 долларов в год, колеблется от 25 000 до 150 000 долларов). Большинство участников исследования составляли женщины (78% - женщины, 22% - мужчины), и измеренные уровни одиночества были стабильными в течение 3 лет, предшествовавших данному анализу экспрессии генов (корреляции между тестом и повторным тестированием за 1 год составили в среднем r = 0,90; внутриклассовая корреляция за все 3 года = 0,937, p < 0,0001).. Процедуры отбора выборки привели к ожидаемой разнице в средних уровнях переживаемой социальной изоляции (разница в оценках одиночества в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, p = 0,0002; таблица 1). Участники с высоким уровнем одиночества не отличались от контрольной группы с низким уровнем одиночества ни по одному из проанализированных медицинских или поведенческих показателей, но они были немного моложе (разница в 4 года, р = 0,011), имели более низкий доход семьи (в среднем 45 000 долларов в год против 87 500 долларов в год, р = 0,010) и сообщали о более высоком уровне доходов. уровни воспринимаемого стресса (р = 0,023) и депрессивных симптомов (у 50% пациентов шкала депрессии эпидемиологических исследований (CESD) превышала 10 баллов по сравнению с 0% в контрольной группе, р = 0,038). Эти демографические и психологические различия рассматривались как потенциальные помехи в последующем анализе.

Обсуждение

Это исследование представляет собой первый систематический анализ изменений транскрипции в масштабах всего генома как потенциального механизма социально-эпидемиологического воздействия на здоровье человека. Люди, которые ощущают себя хронически изолированными от других, имеют повышенный риск развития ряда заболеваний, связанных с воспалением [1-6], и широкая картина изменений транскрипции лейкоцитов, выявленная в этом исследовании, обеспечивает основу для понимания этого риска на молекулярном уровне. Иммунные клетки людей, которые сообщают о стабильно высоком уровне субъективной социальной изоляции (одиночества), показали повышенную экспрессию генов, контролирующих основные процессы клеточной транскрипции, прогрессирование клеточного цикла, передачу сигналов провоспалительных цитокинов и синтез простагландинов. Однако на этом общем фоне иммунологической активации несколько функционально различных подгрупп генов иммунного ответа демонстрировали избирательную недостаточную экспрессию, включая гены реакции на интерферон I типа, участвующие во врожденной противовирусной резистентности, и гены, поддерживающие выработку антител и функцию зрелых В-лимфоцитов. Такая динамика транскрипции лейкоцитов согласуется с клиническими данными, указывающими на сложную картину изменений резистентности организма у социальных изолятов, включая повышенный риск заболеваний, опосредованных воспалением [1, 2], сопровождающийся снижением резистентности к вирусной инфекции [3, 4, 16, 25] и нарушением гуморального иммунного ответа [29]. В дополнение к созданию молекулярной основы для понимания биологических механизмов социальной эпидемиологии [48, 49], настоящие результаты предоставляют функциональную геномную мишень для рационального выбора биологических вмешательств для устранения этих последствий. Выявленный здесь транскрипционный отпечаток одиночества может также стать новым геномным биомаркером для оценки воздействия таких вмешательств до начала клинической картины заболевания.

Ключевым вкладом настоящего исследования является использование недавно разработанной структурно-функциональной биоинформатики для выявления возможных восходящих путей контроля транскрипции, которые приводят к функциональным изменениям генома in vivo, связанным с социальными факторами риска. Снижение активности противовоспалительного пути GR и взаимное увеличение передачи сигналов NF-κB/Rel и JAK/STAT представляют собой вероятные медиаторы повышенного профиля иммунной активации, наблюдаемого в этом исследовании на уровне транскриптома лейкоцитов. Сниженная экспрессия генов, отвечающих за GR, особенно примечательна в свете того факта, что у одиноких людей уровень циркулирующего кортизола был в целом сопоставим с уровнем у социально интегрированных людей и немного повышался во время дневного снижения активности гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (HPA) (что согласуется с предыдущими результатами) [27-30]. Таким образом, снижение экспрессии генов-мишеней GR в лейкоцитах лиц с высоким уровнем одиночества, по-видимому, связано не с неспособностью оси HPA поддерживать нормальный уровень циркулирующего кортизола, а скорее со снижением опосредованной GR передачи этого гормонального сигнала в клеточный транскриптом. Эта гипотеза согласуется с предыдущими данными о нечувствительности к глюкокортикоидам, опосредованной рецепторами, во время поведенческого стресса [38, 40], а также с недавно выявленными молекулярными механизмами ингибирования транскрипции ГР [37]. Одиночество не было связано со снижением уровня мРНК GR (NR3C1), что позволяет предположить, что посттранскрипционная модификация GR является наиболее вероятным механизмом ингибирования транскрипции [37]. Потребуются дальнейшие анализы, чтобы определить конкретный молекулярный локус десенсибилизации GR, но широкие изменения в экспрессии генов воспаления, выявленные в настоящем исследовании, позволяют предположить, что функциональная модификация GR имеет физиологическое значение на уровне регуляции генов in vivo. Таким образом, функция генома человека действительно чувствительна к социальным условиям окружающей среды, но изменения транскрипции не всегда могут отслеживать изменения в нейроэндокринной активности из-за промежуточных изменений в активности путей передачи сигнала (например, нечувствительность к GR).
Это исследование выявило четкий геномный отпечаток социальной изоляции и определило возможные пути контроля транскрипции, которые могут влиять на его экспрессию, но при интерпретации этих результатов необходимо учитывать несколько ограничений. Во-первых, настоящие результаты основаны на относительно небольшом числе людей, отобранных из групп с низким и высоким уровнем социально-эпидемиологического риска, и, следовательно, требуют повторения в более крупных выборках, которые в более широком смысле отражают общее разнообразие социальных фенотипов людей. Однако примечательно, что размер и межиндивидуальная согласованность транскрипционных изменений, связанных с субъективной социальной изоляцией, достаточно выражены, чтобы достичь высоких уровней статистической значимости в относительно небольшой выборке. Неясно, будут ли изменения в сигналах воспаления и экспрессии генов происходить в других типах клеток, помимо лейкоцитов, или же в других тканях могут наблюдаться различные паттерны изменений транскрипции. Также неясно, является ли наблюдаемая здесь сильная количественная взаимосвязь между субъективной социальной изоляцией и профилями транскрипции лейкоцитов следствием причинно-следственного влияния социальных процессов на экспрессию генов (например, через нейроэндокринную систему), или же дифференциальная экспрессия генов в иммунной системе может вместо этого приводить к изменениям в социальном поведении (например, через воздействие провоспалительных цитокинов и простагландинов на функцию центральной нервной системы) [50]. Последствия острого "болезненного поведения" вряд ли могут объяснить нынешние результаты, поскольку в этом исследовании анализировались долгосрочные индивидуальные различия в переживании одиночества (то есть постоянно выраженные на протяжении как минимум трех лет). Однако потребуются лонгитюдные исследования, чтобы исключить возможность того, что вариации хронического воспаления могут потенциально влиять на долгосрочные индивидуальные различия в социальном поведении. Идентификация в этом исследовании вероятного нейроэндокринного медиатора изменений транскрипции (GR-сигнализации), который, как известно, связан с социальным фенотипом человека [27-30] и на который причинно влияет экспериментальная социальная изоляция на животных моделях [11-14], согласуется с социальным влиянием на экспрессию генов. В конечном счете, для окончательного установления причинно-следственной связи в клинических условиях человека могут потребоваться экспериментальные манипуляции с долгосрочным социальным поведением. Из вспомогательного анализа этого исследования ясно, что взаимосвязь между экспрессией генов и социальной изоляцией не может быть объяснена коррелирующими различиями в других известных демографических, психологических, социальных или медицинских факторах риска (включая воспринимаемый стресс, депрессию, враждебность, социально-экономический статус и измененное распределение подмножеств в пуле циркулирующих лейкоцитов). Дополнительные анализы, контролирующие временные вариации одиночества, также предполагают, что транскрипционные корреляты хронической субъективной социальной изоляции (характерного одиночества) не связаны исключительно с временными вариациями состояния одиночества. Постоянное чувство социальной изоляции, по-видимому, представляет собой особый эпидемиологический фактор риска, который связан с обширными изменениями в экспрессии генов иммунных клеток, связанными с реципрокными сдвигами в активности про- и противовоспалительных путей контроля транскрипции.

В литературе по социальной эпидемиологии ведутся споры о том, связаны ли риски для здоровья, связанные с социальной изоляцией, главным образом с объективным отсутствием социальных контактов (например, уменьшением физической, когнитивной или экономической помощи) или с субъективным переживанием социальной изоляции (приводящим к восприятию угрозы/неопределенности, которые активируют нейроэндокринные реакции на стресс). [2, 28, 51]. В настоящем исследовании было обнаружено, что функциональные геномные корреляты субъективной социальной изоляции в значительной степени не зависят от объективного размера социальной сети индивида. Этот результат подчеркивает ключевую роль субъективных процессов восприятия в передаче воздействия социальных факторов в физическую биологию посредством нейроэндокринных изменений и их последующего влияния на клеточную экспрессию генов. [4, 28, 51, 52]. Более того, биоинформатический анализ выявил несколько возможных путей контроля транскрипции, которые, вероятно, могут опосредовать эти эффекты, включая связанные с воспалением пути GR, NF-κB/Rel и JAK/STAT, а также семейства транскрипционных факторов CREB/ATF, IRF1, GATA и Oct. Эти возможные "пути передачи социальных сигналов" обеспечивают механистическую основу для понимания социальной эпидемиологии с точки зрения молекулярных взаимодействий между геномом человека и внешними социально-экологическими стимулами, которые регулируют экспрессию клеточных генов [26, 48, 49].

Вывод

Эти данные выявляют отчетливый транскрипционный отпечаток субъективной социальной изоляции в лейкоцитах человека, который включает повышенную базальную экспрессию генов воспаления и иммунного ответа. Биоинформационный анализ дифференциально экспрессируемых промоторов позволяет предположить, что эти эффекты могут быть обусловлены снижением активности противовоспалительного пути контроля транскрипции глюкокортикоидов и дополнительным повышением активности провоспалительного пути NF-κB/Rel. Эти данные являются первым доказательством того, что социально-экологические факторы риска связаны с глобальными изменениями в транскрипции генов человека, и они устанавливают молекулярный контекст для понимания повышенного риска воспалительных заболеваний, наблюдаемого у людей, которые испытывают хроническое чувство субъективной социальной изоляции (одиночества). Отсутствие связи между стабильным уровнем циркулирующего кортизола и нарушением транскрипции, опосредованной глюкокортикоидными рецепторами, подчеркивает необходимость анализа социально-экологического риска на уровне функциональной динамики генома, которая в конечном итоге определяет проявление заболеваний.

Материалы и методы

Участники

Данные получены из CHASRS - 5-летнего когортного анализа психологических, социальных, экономических и биомедицинских результатов у 230 англоговорящих мужчин и женщин в возрасте 50-67 лет на момент начала исследования [43]. Во время ежегодных ознакомительных визитов проводилась подробная биомедицинская, социальная, психологическая и экономическая оценка, включая полную историю болезни, индекс массы тела и окружность талии, суточные показатели уровня кортизола в слюне, лабораторные показатели активности вегетативной нервной системы и психометрические показатели характеристик социальных сетей, стресса, депрессии и личности (подробно описано ниже). Оценивались поведенческие характеристики, имеющие отношение к здоровью, включая качество сна, питание, физические упражнения, память и когнитивные функции. В 2005 году 153 из 166 оставшихся участников (92%) согласились предоставить 10 мл образца периферической крови для анализа экспрессии генов. Анализ экспрессии генов был проведен на образцах, взятых у 14 человек, как описано ниже. Процедуры были одобрены экспертными советами Чикагского университета и Калифорнийского университета Лос-Анджелеса.

Социальная изоляция

Субъективно переживаемая социальная изоляция оценивалась по шкале одиночества UCLA-R [53] при каждом ежегодном ознакомительном визите. Биологические образцы от 10 человек, которые стабильно занимали верхние 15% в распределении одиночества в течение 1, 2 и 3 лет исследования, и 10 человек, которые стабильно занимали нижние 15% в течение 1, 2 и 3 лет, были отобраны для анализа после сопоставления по возрасту, полу и этнической принадлежности. В двух образцах, взятых у людей с низким уровнем одиночества, и в четырех образцах, взятых у людей с высоким уровнем одиночества, было обнаружено недостаточное количество РНК для надежного анализа экспрессии генов, и, таким образом, анализы основаны на четырнадцати людях (восемь человек с низким уровнем одиночества, шесть человек с высоким уровнем одиночества). Объективная социальная изоляция была оценена с помощью индекса социальной сети [54].

Исходные характеристики и мешающие факторы

Демографические, социальные, психологические и медицинские характеристики оценивались с использованием общепринятых инструментов [43], включая показатели депрессии [55], воспринимаемого стресса [56], враждебности [57], индекс массы тела, диагностированные врачом заболевания, использование противовоспалительных средств (включая нестероидные противовоспалительные средства).противовоспалительные средства), диуретики, статины, бета-блокаторы, антидиабетические средства и антидепрессанты. На момент сбора данных у участников не было симптомов инфекционных заболеваний, серьезных заболеваний, связанных со здоровьем, и они не принимали противовоспалительных препаратов. Образцы были собраны между 10:00 и 14:00 (медиана = 11:00 для обеих групп).

Экспрессия генов лейкоцитов

Суммарную РНК выделяли из 107 циркулирующих лейкоцитов (мононуклеарных клеток, собранных из 10 мл пробы для венопункции предплечья и выделенных центрифугированием в градиенте плотности ficoll; RNAlater/RNeasy, Qiagen, Валенсия, Калифорния, США), и анализировали 5 мкг полученной РНК с использованием олигонуклеотидных матриц высокой плотности Affymetrix U133A [58] в ядре микрочипа ДНК Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, как описано ранее [41, 59]. Для количественной оценки экспрессии 22 283 проанализированных транскриптов было применено надежное многочленное усреднение [60], и были идентифицированы гены с дифференциальной экспрессией, которые показали разницу в средних уровнях экспрессии ≥30% в образцах от индивидуумов с высоким и низким уровнем одиночества (что соответствует FDR в 10%) [59]. Функциональные характеристики отдельных генов были идентифицированы с помощью аннотаций GO, ссылок на гены в функциональных аннотациях и ссылок на литературу в PubMed, полученных с помощью NCBI Entrez-Gene [61]. Функциональные сходства между несколькими дифференциально экспрессируемыми генами были идентифицированы с использованием GOstat [62] с параметрами строгости по умолчанию (Benjamini FDR <0,10) [44]. Полный список дифференциально экспрессируемых генов приведен в дополнительном файле данных 1, а исходные данные хранятся в своде экспрессии генов Национального центра биотехнологической информации (серия GEO GSE7148).



Источник