Эффективность и безопасность терапии с применением лекарственных препаратов (ЛП) во многом зависят от индивидуальных различий между пациентами. Это становится важной проблемой современной фармакотерапии, поскольку до 50% индивидуальной вариабельности фармакологического ответа может зависеть от генетического статуса организма. Выбор ЛП и подбор их доз с учетом молекулярно-генетических особенностей пациента составляют предмет изучения фармакогенетики [1, 2], цель которой — поиск эффективной и безопасной дозы ЛП для данного пациента [3].

Одним из фармакогенов, детально изученных с клинической точки зрения, является суперсемейство цитохромов CYP450, в котором ген CYP2C19 отличается высоким полиморфизмом. Фермент CYP2C19 участвует в биотрансформации широкого спектра ЛП, включая клопидогрел, омепразол, лансопразол, пропранолол, диазепам, имипрамин и некоторые другие антидепрессанты [4]. Показано, что CYP2C19*2 и CYP2C19*3 ассоциированы со снижением метаболической активности фермента [5], а CYP2C19*17 (rs12248560) — с ускоренным метаболизмом субстратов фермента [5]. Ярким примером ЛП с разработанными клиническими рекомендациями по коррекции схемы и дозы терапии является клопидогрел. У носителей «нормального» генотипа *1/*1 его применяют в дозах в соответствии с инструкцией. Генотипы *1/*2, *1/*3, *2/*17, *3/*17 отличаются меньшим снижением агрегации тромбоцитов, чем в норме, и более высокой остаточной агрегацией тромбоцитов, а также увеличением риска возникновения сердечно-сосудистых событий. При накоплении в генотипе «медленных» аллелей (*2/*2, *2/*3, *3/*3) обнаруживается низкая эффективность клопидогрела и высокая остаточная реактивность тромбоцитов. Для группы «ультрабыстрых» метаболизаторов (*1/*17, *17/*17) характерно усиление антиагрегантной активности и снижение остаточной агрегации тромбоцитов, что может быть связано с риском развития кровотечений [5]. Частота носительства разных SNP-маркеров CYP2C19 и ассоциированная с ними резистентность к клопидогрелу носит ярко выраженную этнорасовую гетерогенность [6]: CYP2C19*2 встречается у 15% европеоидов, у 17% негроидов и значительно чаще у монголоидов Восточной Азии (31%). Противоположный тренд выявлен для CYP2C19*17: он широко распространен у европеоидов (22%) и редок (1,5%) у монголоидов Восточной Азии [6]. Вариант CYP2C19*3 редок — в среднем 1,4% в мировой популяции [6]. В русских популяциях CYP2C19*2 составляет около 11%, CYP2C19*3 — 0,34%, CYP2C19*17 — 27% [7].

Принципы прецизионной, превентивной и персонализированной медицины предполагают использование генетической информации при принятии клинических решений. Однако широкое применение фармакогенетического тестирования (ФГТ) в клинической практике имеет ряд ограничений. ФГТ все еще остается недоступной опцией в регионах с недостаточным финансированием системы здравоохранения. Немаловажную роль играет и время получения результатов ФГТ, что может быть актуально при оказании неотложной медицинской помощи [8].

Один из путей решения проблемы дает популяционная геногеография, выявляющая закономерности в распространении биомаркеров фармакогенетики [9–13]. Ее данные могут играть важную роль при принятии клинических решений в такой многонациональной стране, как Россия. Поэтому в России изучение частоты носительства полиморфных генов является неотъемлемым условием развития и имплементации принципов персонализированной медицины. Изучение и выявление паттернов распределения значимых фармакогенетических маркеров среди населения России позволяют выделить этнические группы и регионы, где проведение ФГТ широкому контингенту пациентов может быть клинически и клинико-экономически выгодным решением: в таких регионах решение о необходимости ФГТ для персонализации терапии может быть принято в зависимости от этнической принадлежности пациента.

Цель данной работы — определить частоты встречаемости в народонаселении России основных ДНК-маркеров суперсемейства цитохромов CYP2C19 (*1, *2, *3, *17) и выявить тренды в их геногеографической изменчивости.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе проанализированы частоты вариантов CYP2C19*1, CYP2C19*2, CYP2C19*3, CYP2C19*17 (далее обозначаемых как *1, *2, *3, *17) и их генотипов в коренном народонаселении Северной Евразии и других регионов. Эти четыре варианта (*1, *2, *3, *17) относятся к разным SNP-маркерам гена CYP2C19 и не являются аллелями одного SNP, их частоты рассчитаны с помощью программного обеспечения PLINK 1.9 [14] и Python 3. Вариант *1 является суммой 11 SNP «нормальных» вариантов. Из них в базах данных с репрезентативными частотами присутствовали 7 SNP, и частота *1 рассчитана как квадратный корень из суммы частот семи гомозигот. Частоты генотипов рассчитаны по частотам вариантов *1, *2, *3, *17, исходя из равновесия Харди–Вайнберга.

Для анализа использовали созданную коллективом базу данных «Фармакогенетика популяций России и сопредельных стран» и базу данных GG-base (популяции мира) [15], организованные в соответствии с [16] и изученные по различным панелям SNP-маркеров [9–13]. Популяции с выборкой n < 25 образцов включены в крупные метапопуляции вместе с другими популяциями в соответствии с общностью их этногенеза или региона. Данные по народам Кавказа в масштабе Северной Евразии представлены четырьмя субрегиональными выборками. Суммарные выборки для SNP-вариантов гена CYP2C19 составили: *1 — n = 2261 образец; *2 — n = 6346; *3 — n = 7517; *17 — n = 3313. Результаты представлены и в табличном виде (частоты SNP-вариантов и их генотипов в 53 метапопуляциях 13 регионов мира), и в виде геногеографического атласа, включающего карты пространственной изменчивости частот SNP-маркеров, их генотипов и корреляционные карты, показывающие связь между географической изменчивостью частот всех SNP-маркеров. Приводятся следующие показатели изменчивости SNP-вариантов: q — частота варианта или генотипа; q̇ — средняя частота; G_ST — межпопуляционные различия по данному варианту (G_ST является аналогом F_ST для двуаллельных случаев); H_S — уровень гетерозиготности.

Геногеографические карты CYP2C19 построены с помощью программного обеспечения GeneGeo [17] методом средневзвешенной интерполяции с второй степенью весовой функции, радиусом влияния 1500 км для Северной Евразии и 5000 км для мира. В таблицах каждой популяции присвоен номер, который указан на картах, что позволяет четко индентифицировать и различать все изучаемые популяции на картах. Для метапопуляций значение частоты признака проецировалось на все географические координаты входящих локальных популяций. Карты частот генотипов рассчитаны для каждого узла карты по значениям частоты в каждом узле на картах вариантов *1, *2*, *3, *17 в соответствии с равновесием Харди–Вайнберга. В специальном окне легенды каждой карты указаны ее статистические показатели: K — число исходных популяций для построения карты; min — минимальная частота признака; max — максимальная частота признака; avr — средняя частота признака; G_ST — межпопуляционные различия по данному признаку; H_S — уровень гетерозиготности.

 Корреляционные карты созданы методом плывущего окна размером 1100 км с применением рангового коэффициента Кэндалла. Показатель корреляции двух признаков рассчитывался для всех узлов, попадающих в заданное окно, и присваивался центральному узлу. Затем это окно сдвигалось на один узел и расчет повторялся. Таким образом проведен расчет значений корреляции для всех узлов сетчатой цифровой модели карты (81 259 узлов), на которой строится визуальное отображение корреляционных паттернов.

Ограничения исследования

Определенные ограничения исследования связаны с небольшой выборкой исследованных биообразцов в некоторых популяциях (объемы выборок указаны в табл. 1, табл. 2).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Геногеография CYP2C19*1 (рис. 1; табл. 1, табл. 2)

Знание геногеографии «нормального» варианта *1 (рис. 1) полезно для выявления закономерностей в изменчивости генотипов, важных для фармакотерапии.

Основной долготный тренд — увеличение частоты *1 с запада на юго-восток — сочетается с широтной изменчивостью в азиатской части региона. Средняя частота *1 (q̇ = 0,58) намного выше, чем у вариантов *2, *3, *17 (0,04 < q̇ < 0,15). Поэтому для сопоставимости всех карт (рис. 1–рис. 4) для варианта *1 использован общий для всех карт интервал частоты (0,125), но в ином ее диапазоне (0,41 < q < 0,75).

Долготный тренд падения частоты с запада на юговосток сопровождается многими нарушениями. Низкие частоты (q < 0,44) сосредоточены не на западе региона, а в полосе, тянущейся от русских Вологодской и Костромской областей к народам Волго-Уральского региона, далее к южным русским популяциям и затем к народам Центрального и Восточного Кавказа. Второй центр низких частот обнаруживается на севере Дальнего Востока (0,37 < q < 0,45). Но при движении от него к югу частота резко возрастает до максимальных значений (0,70 < q < 0,78) у эвенков Охотского побережья и народов Амура. Народы Сибири отличаются большим генетическим разнообразием *1: в Восточной Сибири (якуты) и на юге Западной Сибири (сибирские татары) преобладают высокие частоты (0,61 < q < 0,66), которые снижаются (0,52 < q < 0,56) на севере Западной Сибири и в Южной Сибири.

Сочетание долготной и широтной изменчивости *1 еще ярче проявляется на карте «нормального» гомозиготного генотипа *1/*1 (рис. 1Б) и «медленной» гетерозиготы *1/*2 (рис. 1В). Для «ультрабыстрой» гетерозиготы *1/*17 (рис. 1Д), связанной с риском развития кровотечений, характерен очень четкий, но противоположный вектор: падение частоты с запада (q = 0,40) на восток (q = 0).

Геногеография CYP2C19*2 (рис. 2; табл. 1, табл. 2)

Геногеографическая изменчивость варианта *2 сходна с *1. При значительно меньших частотах (0 < q < 0,43, q̇ = 0,15; рис. 2А) вновь обнаруживается наложение двух трендов. Основной тренд вновь долготный с повышением частоты *2 с запада на юго-восток, где основной максимум приходится на Центральную Азию (0,20 < q < 0,31) с всплеском частоты в Приамурье (q = 0,43). Широтный тренд проявляется в Сибири: увеличение частоты *2 с севера к Центральной Азии. Оба тренда изобилуют нарушениями.

В европейской части анализируемого ареала на северо-западе обнаруживается дополнительный максимум частоты *2 (0,19 < q < 0,24) у вепсов, саамов, северных карел, финнов-ингерманландцев. Частоты выше средней (0,17 < q < 0,18) обнаруживаются и у народов, говорящих на индоевропейских языках: на Русском Севере и на западе европейской части региона (Балканы, Белоруссия, запад России, Молдавия, Украина).

В русских популяциях частота *2 меняется в широком диапазоне (0,02 < q < 0,18, q̇ = 0,12). В Приуралье при q̇ = 0,11 она варьирует в более узких пределах (0,06 < q < 0,15).

В Зауралье у обских угров обнаружены неожиданно большие различия между хантами (q = 0,05) и манси (q = 0,18). На Северном Кавказе частоты *2 варьируют в очень широком диапазоне: от q = 0,08 в Дагестане до q = 0,19 у чеченцев и ингушей. Вполне ожидаемое повышение частоты у калмыков (q = 0,26) обусловлено сохранением у них генетической памяти о центральноазиатской прародине.

В азиатской части региона тренд становится широтным: частота возрастает при движении с севера на юг. Ареал популяций с низкими значениями частоты огромен — от хантов на западе (q = 0,05) до Камчатки (q = 0,07) и Чукотки (q = 0) на востоке. На юг он простирается до Южной Сибири (q = 0,05) и Прибайкалья (q = 0,06). Повышение частоты отмечено у бурят и якутов (q = 0,16). Центральноазиатский максимум на западе охватывает дунган, киргизов и уйгуров (q = 0,25), монголов, северных алтайцев и шорцев (q = 0,22), сибирских татар и узбеков (q = 0,20). В Приамурье у нанайцев, орочей и эвенков частота *2 ниже (0,18 < q < 0,19), но дает неожиданно резкий всплеск в объединенной популяции наиболее древних народов Дальнего Востока — негидальцев, нивхов и ульчей (q = 0,43).

Геногеография фармакогенетически значимых генотипов *2/*2 (рис. 2Б) и *2/*3 (рис. 2Г) однообразна. Гомозигота, меняясь в широких пределах (0 < q < 0,19), распространена по всему региону с низкой частотой (q = 0,03), незначительно возрастая к Центральной Азии ^– и достигая максимума на Дальнем Востоке. Гетерозигота *2/*3 практически отсутствует в Европе, на Урале и в Западной Сибири, достигая невысоких частот (q = 0,07) в Монголии и в Приамурье.

Геногеография CYP2C19*3 (рис. 3; табл. 1, табл. 2)

Пространственная изменчивость варианта *3 отличается от предыдущих намного более ярко выраженным трендом (рис. 3А). Поэтому уровень межпопуляционных различий у них такой же (G_ST = 0,02), несмотря на огромные различия как в показателях гетерозиготности вариантов *3 (H_S = 0,04) и *2 (HS = 0,13), так и в размахе их частот (для *3 — 0 < q < 0,1; для *2 — 0 < q < 0,4).

При этом максимальные частоты *3 вновь сосредоточены на юго-востоке региона (0,08 < q < 0,12) в Забайкалье, у монголов-халха и в Приамурье. Некоторое повышение частоты проявляется у охотских эвенков и чукчей (q = 0,06), продолжаясь на запад до ряда народов Южной Сибири (0,06< q <0,07) и Центральной Азии (0,05 < q < 0,06). Исключением из этой закономерности является резкое повышение частоты у манси (q = 0,12).

В европейской части региона вариант *3 или отсутствует, или крайне редок. В славянских популяциях заметная частота обнаружена только у белорусов, русских Архангельской области (q = 0,03), русских Ярославской области, а также на Центральном Кавказе (q = 0,02). Геногеография фармакогенетически значимых генотипов рассмотрена в других разделах (для *2/*3 см. рис. 2Г; для 3/*17 см. рис. 4Г).

В целом для варианта *3 характерно постепенное возрастание частоты от нулевых значений на западе Северной Евразии до небольшой частоты (q = 0,12) на востоке и юго-востоке региона. Однако эти невысокие частоты оказываются максимальными в мировом масштабе (рис. 5А): высокие мировые частоты сосредоточены в Восточной Азии с максимумом в Приамурье.

Геногеография CYP2C19*17 (рис. 4; табл. 1, табл. 2).

Тренд изменчивости варианта *17 выражен намного ярче и противоположен по направлению вектора: закономерное падение частоты от максимальных значений (q = 0,32) на западе Северной Евразии до нулевой частоты на востоке и юго-востоке региона. Столь четкая изменчивость даже при невысокой средней частоте (q̇ = 0,13) приводит к показателю межпопуляционных различий (G_ST = 0,08), в 4 раза превышающему показатели для других вариантов.

Диапазон наибольших частот (0,27 < q < 0,32) включил 12 популяций из 35 изученных по этому SNP-маркеру: все славянские популяции (белорусов, русских, украинцев), марийцев и чувашей Уральского региона, а также народы Закавказья.

Следующий интервал (0,20 < q < 0,25) объединил финноязычные народы (все западные финноязычные популяции и коми-пермяки), обских угров, тюрков Урала (башкир и поволжских татар), а также народы Дагестана.

Среди других популяций с частотами выше средней (0,13 < q < 0,18) обнаружены лишь две европейские популяции (удмурты и народы Южной Европы), а тренд смещается на юго-восток: наряду с популяциями Западного и Центрального Кавказа уже присутствуют народы Казахстана, Памира и Средней Азии.

Среди популяций с частотами ниже средней (0 < q < 0,12) уже встречаются только народы Азии: Южной Сибири (алтайцы, тофалары, тувинцы, шорцы), Байкальского региона (эвенки), Дальнего Востока (нанайцы, народы Камчатки, эвенки, эвены, чукчи), Восточной и Центральной Азии.

Оба генотипа «ультрабыстрых» метаболизаторов (*17/*17, рис. 4Б; *1/*17, рис. 4В), характеризуются тем же трендом изменчивости — четкого падения частоты с запада на восток. Но диапазон их изменчивости различен: для варианта *17/*17 он мал (0 < q < 0,10), а для *1/*17 в 4 раза выше (0 < q < 0,40).

Гетерозигота *3/*17 (рис. 4Д), кодирующая метаболизаторы промежуточной активности, обнаружена с крайне низкими частотами (0 < q < 0,05) и практически отсутствует как на западе, так и на востоке Северной Евразии. География ее своеобразна: ареал наличия *3/*17 тянется непрерывной полосой от обских угров на севере до народов Средней Азии, уходя затем на восток в Монголию и Восточную Азию.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Народонаселение Северной Евразии является зоной древнейшего — со времен палеолита — взаимодействия крупнейших расовых стволов человечества: западного (европеоиды) и восточного (монголоиды). Это взаимодействие нашло убедительное отражение на картах SNP-маркеров CYP2C19 (рис. 1–рис. 4). Но при этом не менее убедительно показано, сколь жестким и неточным является сведение реальной картины изменчивости этих вариантов к прямолинейной схеме двух расовых полюсов.

Информация о том, что CYP2C19*2 встречается у европеоидов (15%) в два раза реже, чем у монголоидов Восточной Азии (31%) [5], явно недостаточна. Подлинная ситуация намного сложнее — реальная изменчивость *2 (рис. 2) является наложением на общий долготный вектор изменчивости широтного вектора в Сибири и дополнительного максимума в Европе. Поэтому для применения в фармакогенетике столь востребовано использование конкретных данных о генофондах народов России и сопредельных стран. Такие данные о частотах четырех вариантов CYP2C19 во многих этносах или их группах приведены в табл. 1: для варианта *2 эта информация охватывает 79 популяций с суммарной выборкой 6346 индивидов. И при размахе изменчивости частоты *2 от q = 0 до q = 0,43, как ее минимум (чукчи, q = 0), так и ее максимум (негидальцы, нивхи, ульчи; q = 0,43) находятся в одном регионе — на Дальнем Востоке России. Такой прецедент свидетельствует о невозможности оперировать обобщенными этнорасовыми категориями и необходимости дифференцированного подхода. В русских популяциях частота CYP2C19*2 составляет около 11% [6], но при этом она варьирует в очень широких пределах: от q = 0,02 в Нижегородской области до q = 0,18 в Архангельской, Брянской и Смоленской областях.

Для варианта *17 в литературе указаны более резкие этнорасовые различия: от q = 0,22 у европеоидов до q = 0,02 у монголоидов Восточной Азии [5]. Для европейских популяций в публикациях отмечено повышение частоты *17 в Центральной и Восточной Европе (0,25 < q < 0,33) при ее понижении на севере (0,19 < q < 0,22), на юге (до q = 0,18) и на западе (q = 0,17) Европы [18, 19]. Полученные нами данные о частоте варианта *17, представленные в табл. 1 для 35 популяций с суммарной выборкой 3313 индивидов, демонстрируют близкий евразийский диапазон частоты *17 (0 < q < 0,32). При этом у европеоидов она варьирует в пределах от q = 0,15 у народов Южной Европы до q = 0,32 на севере у русских Архангельской области. У широкого круга популяций, условно относимых к монголоидам, размах изменчивости столь же велик: от q = 0 на Дальнем Востоке до q = 0,31 у марийцев Предуралья. Поэтому столь необходим анализ реальной картины геногеографической изменчивости вместо использования прямолинейной схемы «европеоиды-монголоиды».

Представленные в работе данные (табл. 1, табл. 2) несут важную информацию о многих этнических группах России и сопредельных стран, население которых массово мигрировало в Россию. И все же эти данные охватывают лишь часть генетического разнообразия народов нашей страны. Именно поэтому столь важно знание геногеографической изменчивости (рис. 1–рис. 5), которая дает прогноз о частоте клинически значимых вариантов CYP2C19 для тех народов, информация о которых пока отсутствует в базах данных и публикациях.

Из общих закономерностей прежде всего подчеркнем, что четкость геногеографического тренда не зависит от частоты встречаемости того или иного варианта CYP2C19 и размаха его изменчивости (рис. 1–рис. 4).

Для вариантов *2 и *17 характерен сходный размах изменчивости (0 < q < 0,4) и сходный уровень средней гетерозиготности (0,11 < H_S < 0,12). Но если *17 демонстрирует ярко выраженный тренд убывания частоты с запада на восток (рис. 4), то изменчивость *2 значительно сложнее (рис. 2). На это явное различие между *2 и *17 указывает и показатель межпопуляционной изменчивости G_ST: межпопуляционные различия *2 (G_ST = 0,02) в 4 раза меньше, чем *17 (G_ST = 0,08). При этом у более редкого (0 < q < 0,1) маркера *3 тренд выражен очень четко (рис. 3), что и приводит к тому же размаху межпопуляционных различий (G_ST = 0,02), что и для *2.

Корреляционные карты (рис. 5) указывают на зоны сходства в паттернах изменчивости частот *1, *2, *3, *17 (положительная корреляция отражена на корреляционных картах красными тонами) и на области противоположных векторов их изменчивости (отрицательная корреляция показана на корреляционных картах синими тонами). Совокупность шести корреляционных карт (рис. 5Б–Ж) демонстрирует, что при общем сходстве между паттернами изменчивости частот *1, *2, *3, *17 всегда присутствуют регионы, в которых общая закономерность сменяется на противоположный знак корреляции.

Очевидно сходство между геногеографией *1 и *2 (рис. 5Б) по их сочетанию долготного и широтного трендов (красные тона), но на севере обнаруживается ряд исключений с отрицательной корреляцией между картами *1 и *2 (синие тона). Ярко выраженное сходство между паттернами карт *2 и *3 (рис. 5Д) нарушено на северовостоке региона (синие тона отрицательной корреляции). Хотя в целом векторы изменения частоты *3 и *17 противоположны (отрицательная корреляция), но далеко не всегда альтернативны: в части регионов (Зарубежная Европа, обские угры, Средняя Азия, Южная Сибирь, север Дальнего Востока) наблюдается положительная корреляция между этими двумя картами (рис. 5Ж). В целом корреляционные карты убедительно показывают, что, даже обнаружив общие тренды в изменчивости биомаркеров фармакогенетики, необходимо продолжать изучение каждого из народов многонациональной России. Сколь эта изменчивость может быть велика, будет показано для народов Кавказского региона в планируемой публикации. Именно поэтому столь необходимо приближение к реальной картине геногеографической изменчивости фармакогенетических биомаркеров и создание их картографических атласов для разных регионов России.

ВЫВОДЫ

В работе приведены данные о частотах SNP-маркеров CYP2C19*1, *2, *3, *17 и их фармакогенетически значимых генотипах в основных этнических группах России и сопредельных стран. Геногеографическая изменчивость CYP2C19*1 (по данным о 2261 индивидах из 53 популяций) совмещает долготный тренд увеличения частоты с запада на юго-восток Северной Евразии и широтную изменчивость роста частоты с севера на юг в азиатской части региона. Пространственная изменчивость CYP2C19*2 (6346 индивидов, 79 популяций) характеризуется сходной изменчивостью с *1, но оба тренда — и долготный, и широтный — нарушаются локальными экстремумами. Геногеография CYP2C19*3 (7517 индивидов, 92 популяции) имеет более ярко выраженный долготный тренд закономерного возрастания частоты от 0 на западе до 12% на востоке и юго-востоке Северной Евразии. Этот максимум является мировым: область высоких частот сосредоточена в Восточной Азии с пиком частоты в Приамурье. Геногеографическая изменчивость CYP2C19*17 (3313 индивидов, 35 популяций) отличается от предыдущих выразительным долготным трендом с противоположным направлением — падения частоты с запада на юго-восток. Корреляционные карты частот вариантов CYP2C19*1, *2, *3, *17 указывают регионы, в которых нарушено сходство между основными паттернами изменчивости частот этих вариантов гена CYP2C19. Для практического использования в фармакогенетике важно, что до тех пор, пока современные данные охватывают не все народы России, карты геногеографической изменчивости впервые дают прогноз о частоте вариантов CYP2C19*1, *2, *3, *17 и их фармакогенетически значимых генотипах для тех популяций, информация о которых отсутствует.