1. ВЪВЕДЕНИЕ
Изчислено е, че замърсяването на въздуха допринася за около 7 милиона случая на ранна смърт всяка година в световен мащаб и за повече от 3 % години от живота на хората, загубени или прекарани в лошо здраве поради заболяване. Замърсяването на въздуха има многобройни вредни ефекти върху здравето и допринася за развитието на сърдечносъдови заболявания, метаболитни нарушения и редица белодробни патологии, включително астма и хронична обструктивна белодробна болест (ХОББ). Актуалните данни сочат, че експозицията на замърсен въздух модулира епигенетичния белег – метилирането на ДНК (ДНКм), и че тези промени могат на свой ред да повлияят на възпалението, развитието на заболявания и риска от обострянето им.
Разбирането на сложната връзка между факторите на околната среда, епигенома и ефектите от експозиция на замърсен въздух може да спомогне за идентифицирането на трансформиращи биомаркери на чувствителността и ефекта, които ще бъдат двигател на оценка на риска от следващо поколение. Макар и много обещаваща, тази стъпка напред ще изисква да бъдат разгледани някои критични въпроси и да бъдат преодолени определени предизвикателства.
2. КОНТЕКСТ (ОТКРИТИЯ)
Проучването на различни биологични механизми, като единични нуклеотидни полиморфизми (SNP), епигенетични модификации (метилиране на гени), генна експресия (транскриптом) и регулация на микроРНК, може да подобри разбирането ни за това как замърсителите на въздуха увреждат белите дробове (фиг. 10.1). Геномно-асоциативните изследвания (Genome-wide association studies, GWAS) дефинират връзките между специфични SNPs и респираторни заболявания, докато излагането на замърсен въздух променя метилирането на ДНК, генната експресия и активността на микроРНК (къси некодиращи РНК, които регулират генната експресия). Изследвания, използващи клетъчни и животински модели, разглеждат различни промени в генната експресия, дължащи се на замърсители като прахови частици и озон. За да се намали увреждането на белите дробове, особено при хората с хронични белодробни заболявания или с риск от такива, разработваните за целта стратегиите трябва да включват както контрол на замърсяването, така и защитни интервенции. Геномните изследвания могат да подпомогнат разработването на методи за лечение на свързаните със замърсяването увреждания на белия дроб.
Фигура 10.1 Подходи на „омиката“ за изследване на респираторните ефекти от излагането на замърсители на въздуха (Източник: Holloway et al., 2012)
Обширни изследвания показват, че различните видове замърсяване на въздуха (напр. фини частици, озон и азотен диоксид) предизвикват различни биологични реакции. Доказано е например, че праховите частици (PM) увреждат белодробните и дихателните клетки, предизвикват възпаление и генериране на реактивни кислородни видове (ROS), което води до оксидативен стрес и освобождаване на цитокини. Подходите, базирани на секвениране, като профилиране на ДНК метилирането и анализ на хистоновите модификации, са много обещаващи за разкриване на епигенетичните промени, предизвикани от излагането на PM.
Индивидуалният отговор на експозицията на замърсен въздух варира поради външни (напр. диета, предишна експозиция, климат, съществуващо заболяване) и вътрешни (напр. възраст, пол) фактори, като генетичните и епигенетичните различия играят ключова роля. Проучванията при животни с вътрешно родословно кръстосване подчертават генетичните влияния върху реакциите към замърсителите. Идентифицирането на генетичните детерминанти на вариабилността при хората е от съществено значение за разбирането на механизмите на белодробните заболявания, разпознаването на рисковите групи от населението и разработването на целенасочени стратегии за превенция, като същевременно се информират органите в областта на общественото здраве за безопасните нива на експозиция въз основа на чувствителността на населението.
2.1. Биологичен отговор на експозицията на въздушни замърсители
Двата основни подхода към изучаването на генетиката на заболяванията са:
- Подход на кандидат-гените – При него се приема, че генетичната вариация на даден признак се дължи до голяма степен на функционални мутации в специфични гени, за които е известно, че влияят върху развитието. Той се използва широко в изследванията на гените и заболяванията, в проучванията на генетичните асоциации и в идентифицирането на прицелни структуриза лекарства. Подходът на кандидат-гените е мощен и икономически ефективен метод за изследване на сложни признаци и директно откриване на гени. Ефективността му обаче е ограничена от наличните биологични знания, които остават непълни за много признаци. Въпреки идентифицирането на много кандидат-гени, са необходими нови стратегии за преодоляване на това информационно препятствие и за напредване на генетичните изследвания.
- Независими от хипотезата подходи – През последните години изучаването на генетичната основа на сложни заболявания бе революционизирано от технологичния напредък в генотипиранетона SNP, базирани на масиви, и характеризирането на милиони SNP варианти в човешкия геном. Геномно-асоциативните изследвания (GWAS) вече позволяват независим от хипотезата анализ на генетичните фактори в извадки „случай-контрола“ и популационно-базирани извадки. GWAS са идентифицирали статистически значими асоциации за многобройни фенотипове, включително често срещани заболявания и физиологични признаци, предоставяйки ценна информация за биологичните процеси, лежащи в основата на тези състояния. Широкообхватното геномно сканиране обикновено протича без каквито и да било предпоставки относно значението на специфични функционални характеристики на изследваните признаци, но основен негов недостатък е скъпото и ресурсоемко използване.
Научете: Как се извършва генотипиране на SNP на базата на масиви (видео)
Научете: Проучвания на асоциациите в целия геном (видео)
В таблица 10.1 са обобщени основните открития, свързани с изследването на генетичните детерминанти на реакциите спрямо излагането на замърсен въздух. Фокусът е поставен върху това как генетичните вариации влияят върху чувствителността към замърсители като озон, фини прахови частици (ФПЧ) и серен диоксид, както и върху въздействието им върху оксидативния стрес, възпалението и белодробната функция. Разбирането на тези генетични фактори може да помогне за идентифициране на рискови групи от населението и да насочи бъдещите изследвания на превантивни стратегии и персонализирани интервенции.
Таблица 10.1 Генетични детерминанти на реакциите спрямо замърсения въздух: Ключови изводи от проучвания на кандидат-гени и GWAS
| Вид на изследването | Ключови открития | Изводи | Източник |
| Изследване на експозицията на озон | Податливите генотипове показват прекомерно увреждане на ДНК и по-силен оксидативен стрес при излагане на озон | Подчертава необходимостта от целенасочена превенция при генетично податливи лица. Предлага потенциални биомаркери за идентифициране на високорискови групи | Bergamaschi et al., 2001 |
| PM и алергични реакции | Генотиповете с ниско съдържание на антиоксиданти имат засилени назални реакции на IgE и хистамин, които се влошават при пасивно пушене | Индикация за генетично предразположение към по-силни алергични реакции в замърсена среда | Gilliland et al., 2004 |
| Възпалителен отговор и TNF полиморфизми | Генотип TNF-308G, свързан с по-силно намаляване на FEV1 при излагане на озон | Идентифицира възпалителни генетични фактори в чувствителността към замърсяване | Yang et al., 2005 |
| Подход на контролирана експозиция / GWAS при отговор към радиация | Проучване, използващо 277 лимфобластоидни клетъчни линии, идентифицира 50 SNP в 14 локуса, влияещи върху чувствителността към радиация, потвърдени чрез siRNA нокдаун. | Предлага прецизен контрол на нивата и условията на експозиция, което позволява измерване на белодробната функция, възпалението и промените в генната експресия. | Nie et al., 2010 |
| Проучване на консорциумите SPIROMETA и CHARGE | Идентифицирани локуси, свързани с белодробната функция | Предоставят генетични цели за по-нататъшни изследвания на отслабването на белодробните функции | Repapi et al., 2010 |
2.2. Целогеномни подходи за изследване на епигенетичните процеси
Епигенетиката е процес, при който настъпват промени във функциите на гените, без да се променят техните основни ДНК последователности. Освен като част от естественото развитие, такива промени в клетъчните и физиологичните особености могат да бъдат породени и от факторите на околната среда,. ДНК метилирането и хистоновите модификации са два ключови процеса, които променят функциите на гените, без да променят ДНК последователностите (фиг. 10.2).
Метилиране на ДНК (ДНКм)
ДНКм представлява присъединяване на метилови групи към ДНК от ДНК метилтрансферазите (DNMT), обикновено при петия въглероден атом на цитозина, което води до образуването на 5-метилцитозин (5-mC). Деметилирането на ДНК става пасивно, поради липса на поддръжка по време на клетъчното делене, или посредством ензими. При бозайниците ДНКм се проявява предимно в C-G динуклеотиди, наричани CpGs. ДНКм в промоторните области на гените може да допринесе, заедно с хистоновите варианти, хистоновите модификации и некодиращите РНК, за регулирането на генната експресия. ДНКм на CpG местата, разположени в тялото на гена, може да е свързано с инициирането на транскрипцията, ефективността на удължаването и алтернативния сплайсинг.
Фигура 10.2 Епигенетични промени при бозайниците.
(а) Метилиране на ДНК базите, (б) различни видове модификации на хистоновите опашки и (в) намеса на некодиращите РНК (ncRNA) в процеса на генна експресия (Mukherjee et al., 2021)
Въздействието на замърсяването на въздуха върху ДНКм може да бъде изследвано чрез няколко различни подхода:
- Епидемиологично-регресионно изследване на земеползването – Епидемиологичните изследвания оценяват експозицията на замърсенвъздух, като използват регресионни модели на земеползването (land use regression, LUR), базирани на географски и сензорни данни. Доброволци предоставят проби (напр. кръв) и нивата на замърсителите на домашните им адреси се осредняват за различни времеви интервали. Тези оценки се съпоставят с данните за метилиране на ДНК, за да се оценят последиците за здравето. Въпреки че този метод изследва експозицията в реални условия, ограниченията включват контрол на индивидуалните фактори, избор на времеви интервали и ограничени вариации на населението през периода на изследването.
- Популационно изследване– Този подход сравнява индивиди, живеещи в райони с високо и ниско замърсяване, например индустриални и селски райони. След коригиране на различията в населението този метод оценява ефектите върху здравословното състояние от излагането на повишено замърсяване. Затруднения обаче възникват поради контрастните характеристики на участниците, тъй като между тези райони често съществуват социално-икономически и здравни различия.
- Контролирани проучвания на кръстосана експозиция – При тези проучвания доброволците се излагат на определени нива на замърсяване на въздуха в даден обект, след което се провежда контролна експозиция след период на очистване. Този експериментален дизайн намалява смущаващите фактори, тъй като лицата служат като свои собствени контроли. Тези проучвания обаче са скъпи, трудни за изпълнение и могат да бъдат засегнати от остатъчни ефекти, ако периодите на очистванеса твърде кратки.
Данните за ДНКм от различни проучвания се измерват с помощта на стандартизирани платформи и отразяват връзката между транскрипционните фактори и генната експресия. Следователно ДНКм е подходящ инструмент за разбирането на въздействието на замърсяването на въздуха върху геномната функция и последващите мерки, които представляват интерес за здравето. Комбинирането на множество методи на изследване може да осигури по-цялостно разбиране на въздействието на замърсения въздух върху метилирането на ДНК.
Хистоновите модификации и замърсеният въздух
Хистоните също могат да бъдат модифицирани по няколко начина, например ацетилиране, метилиране, фосфорилиране и убиквитиниране. Замърсяването на въздуха влияе върху модификациите на хистоните, но проучванията на големи популации в тази област са ограничени. Проучванията показват, че излагането на замърсители като никел, арсен, желязо и полиароматни въглеводороди променя метилирането и ацетилирането на хистоните, като оказва влияние върху генната експресия и възпалителните реакции. Излагането на бензо[а]пирен също модифицира хистоните и намалява метилирането на ДНК. Sirt1, представител на клас III хистон деацетилаза (HDAC), спомага за регулирането на индуцираното от PM възпаление в белите дробове, докато цигареният дим променя експресията на DNMT и HDAC, което води до възпаление. ФПЧ10 и частиците от дизеловите отходни газове могат да нарушат баланса на хистон-ацетилиране в бронхиалните епителни клетки, допринасяйки за респираторното възпаление.
3. АЛТЕРНАТИВИ (ОБСЪЖДАНЕ)
3.1. Проучвания на взаимодействието в целия геном (GWIS)
Описаният по-горе подход на кандидат-гените не е в състояние да идентифицира нови гени, допринасящи за анализирания фенотип, като по този начин ограничава възможността за вникване в механизмите на заболяването. Макар че подходът GWAS успешно идентифицира генетични варианти за респираторни заболявания, той обяснява само малка част от наследствеността, което вероятно се дължи на взаимодействията между гени и околна среда (GxE) или на по-сложни пътища, включващи множество гени и експозиции. Поради това има значителен интерес към изследването на GxE взаимодействията по независим от хипотезата за целия геном подход в проучвания, в които има информация за експозицията. Такива изследвания са наречени изследвания на взаимодействията в целия геном (genome-wide interaction studies, GWIS). Въпреки това GWIS се сблъсква и с някои предизвикателства, които включват: точна оценка на експозицията, изисквания за големи извадки и хетерогенност между изследванията.
Въпреки тези предизвикателства изследователите използват GWIS за идентифициране на генетични варианти, които са в основата на сложни заболявания. Например Beaty et al., провеждат GWAS за несиндромна цепнатина на небцето – често срещан вроден дефект, който се влияе както от генетични фактори, така и от фактори на околната среда. Въпреки че нито един SNP няма значимост сам по себе си, няколко генни маркера са значими, когато се вземе предвид взаимодействието на GxE с три кумулативни експозиции на майката (пушене, консумация на алкохол и прием на мултивитамини). Това подчертава важността на включването на GxE взаимодействията в генетичните изследвания, тъй като много генетични ефекти могат да станат видими само при излагане на популацията на определено въздействие.
3.2. Експозиция на замърсенвъздух и промени в епигенома
Проучванията на епигенетиката на околната среда, които се основават на прости епидемиологични модели (фиг. 10.3А), показват връзки между експозицията на замърсен въздух и промените в епигенома. Въпреки това, за да се определи дали епигенетичните промени играят причинно-следствена роля в свързаните със замърсяването на въздуха ефекти върху здравето, е необходим по-интегриран подход, съчетаващ механистични, клинични и епидемиологични изследвания. Със задълбочаването на познанията за епигенетичната регулация на гените, изследователите осъзнават, че връзката между експозицията на околната среда и епигенетичната модификация е изключително сложна. Моделът „Семена и почва“ предполага, че вместо да играят една-единствена роля, епигенетичните промени могат да действат като ефекти, модификатори на ефекта или медиатори в различни времеви точки (фиг. 10.3Б). Например проучване на Gregory et al. демонстрира, че излагането на майката на дизелово гориво в един момент от време (t=1) може да промени епигенетичното състояние на новороденото (t=2), което по-късно може да взаимодейства с фактори на околната среда, за да предизвика алергична реакция (t=3). Вместо да се разглеждат тези етапи поотделно, обвързването им дава по-добра представа за оценката на риска, потенциалните здравни интервенции и бъдещите насоки на изследванията. Едно идеално изследване на замърсяването на въздуха и епигенетиката би проследило експозицията, биологичните ефекти (напр. маркери за възпаление) и епигенетичните модификации с течение на времето в продължителен план. Анализът на такива сложни взаимодействия изисква сложни статистически техники и дизайнът на изследването би се възползвал от участието на биостатистици или системни биолози, за да се гарантира точното тълкуване на резултатите.
Фигура 10.3 Концептуална схема на хипотетичните роли на епигенетичната модификация във връзката между експозиция и ефект (McCullough et al., 2017)
4. РЕШЕНИЕ
4.1. Изследване на взаимодействието гени – среда
Развитието и тежестта на белодробни заболявания като астма и ХОББ се влияят от взаимодействието между генетичната и епигенетичната възприемчивост и експозицията на факторите на околната среда, включително замърсяването на въздуха. Някои генетични полиморфизми оказват влияние върху проявите на заболяването само при изложени на въздействието им индивиди, като в някои случаи ефектът им може дори да се обърне в зависимост от условията на околната среда – явление, известно като „flip-flop“ ефект. Ето защо изучаването на GxE взаимодействията е от съществено значение за подобряване на оценката на риска за населението, идентифициране на генетично чувствителни индивиди, извеждане на причинно-следствена връзка чрез Менделеевата рандомизация и разбиране на биологичните пътища, участващи в реакцията към замърсителите, което подпомага разработването на прицелни терапии.
В научните изследвания широко се проучва как генетичните вариации, особено в антиоксидантните гени, влияят върху податливостта към респираторни заболявания, когато са съчетани с излагане на замърсен въздух. Няколко полиморфизма в гени като GSTM1, GSTP1, GSTT1, NQO1, SOD2 (MnSOD) и GPX1 са свързани с астма и ХОББ, като проучванията разкриват взаимодействия между тези гени и експозицията на озон, NO и ФПЧ. В систематичен преглед на Minelli et al. са идентифицирани 12 епидемиологични проучвания и три проучвания за контролирана експозиция, които потвърждават наличието на взаимодействия между GxE. Множество проучвания свързват полиморфизмите на гените GST с астмата и хриповете в детска възраст в замърсена среда. Клинично проучване в Мексико Сити разкрива, че при астматични деца с генотип GSTM1 с ниско антиоксидантно съдържание се наблюдава влошаване на белодробната функция при повишаване на нивата на озон, но приемането на добавки витамин С и Е смекчават този ефект. Това откритие подчертава потенциала за целенасочени интервенции за защита на генетично чувствителните индивиди от респираторни увреждания, свързани със замърсяването на въздуха.
4.2. Епигеномните модификации в изследвания на замърсяването на въздуха
Метилирането на ДНК е една от многото епигенетични модификации и е малко вероятно да е единственият двигател на ефектите от експозицията. Сложността на изследването на епигенетичните модификации може да се окаже предизвикателство поради технологични ограничения и ограничен материал за изследване. Освен това скорошни открития за разнообразните роли на производните на ДНК метилирането в регулирането на генната експресия добавят още един слой комплексност. Стандартните методи за бисулфитна конверсия не са способни да извършат това разграничаване, което затруднява точното им идентифициране. Иновативните техники, като оксидативните бисулфитни масиви, подобряват точността, но са скъпи и изискват повече материал за изследване.
Напредъкът в картографирането на епигенома доведе до създаването на публично достъпни епигеномни търсачки, които спомагат визуализирането на хистоновите модификации в различни клетъчни типове, като по този начин улесняват избора на целеви хистонови модификации. Подобрените ChIP-seq техники с повишена ефективност, възпроизводимост и нормализация направиха анализа на хистоновите модификации по-приложим за токсикоепигенетични изследвания. Въпреки това откриването на епигенетични промени, свързани с експозицията, е само първата стъпка – установяването на причинно-следствена връзка между замърсяването на въздуха, епигенома и неблагоприятните последици за здравето изисква по-фундаментални изследвания.
Традиционните методи за модифициране на епигенетичните белези, като използването на инхибитори с малки молекули или малки интерфериращи РНК (siRNA), обикновено водят до широко разпространени ефекти в целия геном, което затруднява определянето на ролята на специфичните модификации в отделните локуси. Епигенетичното редактиране, базирано на CRISPR, преодолява този проблем, като използва деактивиран Cas9 за прецизно насочване към локуси с транскрипционни фактори, хистон-модифициращи ензими или ДНК метилтрансферази/деметилази. Това дава възможност за контролирани епигенетични модификации в клетъчни и животински модели, като се изяснява ролята на епигенетичните промени, наблюдавани при изследвания при хора. Разработването и прилагането на тези инструменти ще бъде от решаващо значение за подсилване и разширяване на резултатите от широкомащабни проучвания и ще помогне за установяване на причинно-следствените връзки между замърсяването на въздуха, епигенетичните промени и последиците за здравето.
5. ПРЕПОРЪКИ (ЗАКЛЮЧЕНИЕ)
Замърсяването на въздуха продължава да представлява сериозно глобално предизвикателство с широко въздействие върху състоянието на дихателната система. Напредъкът в омичните технологиите доведе до откриването на нови възможности за систематично изследване на това как замърсяването на въздуха влияе на белите дробове на молекулярно ниво. Учените вече могат да проучат връзката между замърсяването на въздуха и генетичните вариации, химичните модификации (епигеном), моделите на генна експресия (транскриптом) и ролята на микроРНК в генната регулация.
Макар че намаляването на нивата на замърсяване на въздуха продължава да бъде основна цел за общественото здраве, също толкова важно е да се разработят стратегии, които да защитават уязвимите групи от населението, например хората с хронични респираторни заболявания или тези, които са изложени на риск от развитие на белодробно заболяване поради продължително излагане на замърсители. Изследвайки геномните реакции към мръсния въздух, изследователите могат да задълбочат разбирането си за механизмите на заболяванията и да проправят пътя за бъдещи клинични изпитвания, насочени към намаляване на вредните ефекти на замърсителите. Тези открития ще бъдат от съществено значение за разработването на насочени интервенции за свеждане до минимум на белодробните увреждания и подобряване на резултатите в областта на общественото здраве.
6. ЛИТЕРАТУРА
Beaty, T. H., Ruczinski, I., Murray, J. C., Marazita, M. L., Munger, R. G., Hetmanski, J. B., Murray, T., Redett, R. J., Fallin, M. D., Liang, K. Y., Wu, T., Patel, P. J., Jin, S.-C., Zhang, T. X., Schwender, H., Wu-Chou, Y. H., Chen, P. K., Chong, S. S., Cheah, F., … Scott, A. F. (2011). Evidence for gene-environment interaction in a genome wide study of nonsyndromic cleft palate. Genetic Epidemiology, n/a-n/a. https://doi.org/10.1002/gepi.20595
Gavito-Covarrubias, D., Ramírez-Díaz, I., Guzmán-Linares, J., Limón, I. D., Manuel-Sánchez, D. M., Molina-Herrera, A., Coral-García, M. Á., Anastasio, E., Anaya-Hernández, A., López-Salazar, P., Juárez-Díaz, G., Martínez-Juárez, J., Torres-Jácome, J., Albarado-Ibáñez, A., Martínez-Laguna, Y., Morán, C., & Rubio, K. (2024). Epigenetic mechanisms of particulate matter exposure: Air pollution and hazards on human health. Frontiers in Genetics, 14, 1306600. https://doi.org/10.3389/fgene.2023.1306600
Gregory, D. J., Kobzik, L., Yang, Z., McGuire, C. C., & Fedulov, A. V. (2017). Transgenerational transmission of asthma risk after exposure to environmental particles during pregnancy. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology, 313(2), L395–L405. https://doi.org/10.1152/ajplung.00035.2017
Holloway, J. W., Savarimuthu Francis, S., Fong, K. M., & Yang, I. A. (2012). Genomics and the respiratory effects of air pollution exposure. Respirology, 17(4), 590–600. https://doi.org/10.1111/j.1440-1843.2012.02164.x
McCullough, S. D., Dhingra, R., Fortin, M. C., & Diaz-Sanchez, D. (2017). Air pollution and the epigenome: A model relationship for the exploration of toxicoepigenetics. Current Opinion in Toxicology, 6, 18–25. https://doi.org/10.1016/j.cotox.2017.07.001
Minelli, C., Wei, I., Sagoo, G., Jarvis, D., Shaheen, S., & Burney, P. (2011). Interactive Effects of Antioxidant Genes and Air Pollution on Respiratory Function and Airway Disease: A HuGE Review. American Journal of Epidemiology, 173(6), 603–620. https://doi.org/10.1093/aje/kwq403
Mukherjee, S., Dasgupta, S., Mishra, P. K., & Chaudhury, K. (2021). Air pollution-induced epigenetic changes: Disease development and a possible link with hypersensitivity pneumonitis. Environmental Science and Pollution Research, 28(40), 55981–56002. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16056-x
Rider, C. F., & Carlsten, C. (2019). Air pollution and DNA methylation: Effects of exposure in humans. Clinical Epigenetics, 11(1), 131. https://doi.org/10.1186/s13148-019-0713-2
Zhu, M., & Zhao, S. (2007). Candidate Gene Identification Approach: Progress and Challenges. International Journal of Biological Sciences, 420–427. https://doi.org/10.7150/ijbs.3.420
