Przebieg i kinetyka reakcji odpowiedzi immunologicznej jest regulowana m.in. przez: zmiany w genomie (tło genetyczne) chorego oraz wpływ innych czynników ryzyka, takich jak palenie papierosów, współwystępujące choroby i zaburzenia – cukrzyca, otyłość, choroby sercowo-naczyniowe. Ponadto czynniki środowiskowe mogą modulować ekspresję wybranych genów poprzez zmiany w tzw. epigenomie obejmującym informację molekularną związaną z metabolizmem genomu, ale zapisaną poza sekwencją nukleotydów podwójnej helisy DNA (np. w postaci specyficznego profilu metylacji DNA, modyfikacji histonów – białek związanych z DNA, czy zmian w profilu cząsteczek mikroRNA) (schemat 1).
POLECAMY
Czynnikami ryzyka genetycznego warunkującymi rozwój większości chorób cywilizacyjnych, w tym także chorób przyzębia, są najczęściej polimorfizmy DNA występujące w genomie człowieka. W 2003 r. zakończył się program „Genom Człowieka” (ang. The Human Genome Project), którego realizacja zaowocowała „odczytaniem” pełnej sekwencji DNA genomu (ok. 6 mld par zasad – 6 × 109). Wciąż jednak nie w pełni zostały poznane różnice pomiędzy genomami poszczególnych osób, grup etnicznych i ras uwarunkowane naturalną zmiennością genomu człowieka, zwaną inaczej polimorfizmem genetycznym. Polimorfizm genetyczny (polimorfizm DNA) to rozpowszechniona w populacji ogólnej zmiana kodu genetycznego warunkująca powstanie dwóch lub więcej form danego genu (wariantów polimorficznych), inaczej alleli. Rozkład wybranych polimorfizmów DNA (czynników ryzyka) w genomie danej osoby stanowi istotny element tła genetycznego. To polimorfizmy DNA determinują indywidualną zmienność odpowiedzi organizmu na leki oraz czynniki środowiskowe, takie jak wirusy, bakterie, toksyny czy substancje chemiczne. Często są wykorzystywane jako markery genetyczne chorób w molekularnej diagnostyce laboratoryjnej.
Do najczęstszych polimorfizmów DNA w genomie należą polimorfizmy pojedynczego nukleotydu (ang. single nucleotide polymorphism – SNP), np. zamiana guaniny (G) na cytozynę (C) lub adeniny (A) na tyminę (T) w jednej nici lub w obu niciach podwójnej helisy DNA (schemat 2). Polimorfizmy pojedynczego nukleotydu występują we wszystkich regionach genomu: w sekwencjach kodujących (egzony), w sekwencjach niekodujących (introny) oraz międzygenowych (regiony regulatorowe promotorów i 3’UTR). Zlokalizowane w egzonach SNP często powodują zmiany w sekwencji aminokwasów prowadzące do zaburzenia struktury i funkcji białka. Niektóre SNP mogą mieć wpływ na procesy związane m.in. ze składaniem genu (ang. splicing) oraz syntezą białek. Polimorfizmy pojedynczego nukleotydu w regionach promotorów mogą modulować ekspresję genów. W ten sposób SNP poprzez zmiany w metaboliźmie komórki staje się czynnikiem ryzyka predysponującym do rozwoju określonej choroby.
Polimorfizmy DNA istotne w rozwoju chorób przyzębia
Pierwsze czynniki ryzyka genetycznego w przewlekłym zapaleniu przyzębia zostały zidentyfikowane w 1997 r. przez Kornmana i wsp. Badacze wykryli podwyższoną częstość występowania dwóch polimorfizmów DNA w genach prozapalnych cytokin: Interleukiny 1 alfa (IL-1A-899) oraz Interleukiny 1 beta (IL-1 B +3953) [1]. U osób niepalących i jednocześnie będących nosicielami allela *2 dla obu SNP (homozygoty alleli IL-1A-899 *2 i IL-1B+3953 *2) ryzyko rozwoju choroby było 7-krotnie wyższe [1].
Tranzycja C (allel *1) na T (allel *2) (C > T) w regionie promotora genu IL-1A w pozycji –889 oraz w egzonie 5 genu IL-1B w pozycji +3953 wiąże się z podwyższoną produkcją prozapalnej cytokiny. U homo- i heterozygot allelu 2 chorych na zapalenie przyzębia obserwowano wyższy poziom cytokin: IL-1A i IL-1B w płynie kieszonki dziąsłowej, co bezpośrednio przekładało się na wzrost intensywności procesów zapalnych w tkance dziąsła [2, 3].
Nadal nie wiadomo, czy i w jakim stopniu tło genetyczne postaci agresywnej różni się od postaci przewlekłej.
Dotychczasowe wyniki badań wydają się wskazywać na istotne różnice. Metaanaliza polimorfizmów DNA w genach najważniejszych cytokin, tj. IL-1A, IL-1B, IL-6 i czynnika martwicy nowotworów α (tumour necrosis factor α-TNF α) przeprowadzona
w grupie ponad 8500 osób (w tym 4178 chorych i 4590 osobników kontrolych) potwierdziła istotną statystycznie asocjację polimorfizmu IL-1B T[-511]C tylko z postacią przewlekłą zapalenia przyzębia [4]. Analiza 10 innych SNP w genach klasteru IL-1 (geny: IL-1A, IL-1B, IL-1RN, CKAP2 L na chromosomie 2q14) przeprowadzona w kohorcie 874 niemieckich i duńskich chorych wykazała brak asocjacji z postacią agresywną zapalenia przyzębia [5]. Ostatnio w kohorcie 130 niemieckich i 45 irlandzkich chorych wykryto silną asocjację agresywnej postaci choroby z regionem p21.3 na chromosomie 9 [6].
Poszukiwania kolejnych czynników ryzyka genetycznego istotnych w rozwoju zarówno postaci agresywnej, jak i przewlekłej chorób przyzębia wciąż trwają. Wśród kilkudziesięciu analizowanych polimorfizmów DNA na uwagę zasługują przede wszystkim zmiany w genach związanych bezpośrednio ze stanem zapalnym i odpowiedzią immunologiczną organizmu chorego (geny m.in.: IL-1A, IL- 1B, IL-4, IL-6, IL-10, TNFA, FcγR, CD14, TLR2, TLR4 i inne) oraz metabolizmem komórkowym tkanek objętych procesami destrukcji w wyniku rozwoju choroby (geny m.in.: Metaloproteinaz Macierzy Komórkowej: MMP1, MMP2, MMP3, MMP9, MMP1, VDR i inne). Szczególnie interesujący wydaje się polimorfizm genu Receptora Witaminy D (VDR; chromosom 12q12-14) związany z metabolizmem kości i funkcjonowaniem układu odpornościowego (biorący udział m.in. w fagocytozie i procesach różnicowania monocytów). Cztery analizowane polimorfizmy długości fragmentów restrykcyjnych, tzw. RLFP (ang. restriction fragment length polymorphism), czyli SNP rozpoznawane przez następujące restryktazy: TaqI (T > C), BsmI (A > G), ApaI (A > G) oraz FokI (G > T) o dokładnie jeszcze niepoznanych efektach molekularnych, wskazywały na asocjację z postacią przewlekłą periodontopatii we wszystkich badanych dotąd populacjach chorych zarówno rasy kaukaskiej, jak i innych grup etnicznych (Chiny, Japonia, Turcja, Brazylia). Podobnie istotne różnice były obserwowane w rozkładzie SNP w genie
Cyklooksygenazy 2 (COX-2) w dwóch różnych kohortach chińskich chorych. Cyklooksygenaza 2 jest enzymem katalizującym konwersję kwasu arachidowego w prostaglandyny inicjujące proces zapalny. W grupie 146 chorych z przewlekłym zapaleniem przyzębia polimorfizm G-1195 A występował znacznie częściej w porównaniu z grupą kontrolną. Podczas gdy polimorfizm G-765 C testowany wśród 343 chorych z postacią przewlekłą i 35 chorych z postacią agresywną występował znacznie rzadziej, co mogłoby wskazywać na pewne działanie ochronne polimorficznego allelu –765 C genu COX-2. Ciekawy, choć dotąd jeszcze nie w pełni potwierdzony, może być związek periodontopatii z genami TLR2 (chromosom 4q32) oraz TLR4 (chromosom 9q32-q33) kodującymi receptory Toll 2 i Toll 4. Z dziewięciu analizowanych SNP w genach TLR2 i TLR4 w populacji japońskich chorych tylko jeden polimorfizm TLR4 C[+3725]T wskazał na możliwą asocjację z postacią przewlekłą choroby przyzębia.
Mimo że w innych badaniach z udziałem chorych z różnych grup etnicznych nie potwierdzono udziału zmienności genów TLR2 i TLR4 w rozwoju choroby, to wiadomo, że niektóre polimorfizmy zmieniają strukturę białka.
Dwa polimorfizmy TLR2: Arg677Trp i Arg753Glu oraz dwa polimorfizmy TLR4: Asp299Gly i Thr399Ile zmniejszają skuteczność działania receptorów związanych z transdukcją sygnału szlaku LPS, co może prowadzić do osłabienia inicjacji procesu zapalnego i zaburzenia prawidłowej odpowiedzi immunologicznej gospodarza na obecność bakterii.
Korelacja genotyp chorego – fenotyp kliniczny
Identyfikacja zmian w genomie człowieka istotnych w rozwoju chorób przyzębia stwarza możliwość presymptomatycznego wyłaniania osób o podwyższonym ryzyku genetycznym. Wykrycie osób zagrożonych rozwojem choroby w okresie przed pojawieniem się pierwszych objawów daje podstawę do wszechstronnych działań profilaktycznych (uwzględniających m.in. wypracowanie odpowiednich nawyków, w tym nawyków żywieniowych). Testowanie genetyczne jest też szansą na optymalizację strategii leczenia opartej na indywidualnym profilu zmienności genetycznej chorego.
Na przykład tranzycja tyminy w cytozynę: T > C
Genotypowanie polimorfizmów DNA w genach IL-1A(-889) i IL-1B(+3953) chorego w kierunku wykrycia allela *2 pozwala określić z dużym prawdopodobieństwem predyspozycję do rozwoju postaci przewlekłej choroby przyzębia. Może też mieć praktyczne zastosowanie w prognozowaniu skuteczności wybranych metod leczenia czy ryzyka odrzucenia implantów. Jednak wyniki dotychczasowych badań nad wpływem obecności allela*2 IL-1A(-889) i IL-1B(+3953) na przebieg choroby i najważniejsze parametry kliniczne, tj. stan zapalny dziąsła (intensywność krwawienia z kieszonki – SBI), stopień utraty tkanek przyzębia (głębokość kieszonek przyzębnych – PPD lub poziom przyczepu nabłonkowo-łącznotkankowego – CAL),
utrata kości wyrostka zębodołowego, utrata zębów, ryzyko utraty implantów nadal pozostają niespójne i niejednoznaczne [7].
Dokładne poznanie szczegółów korelacji genotyp IL-1A/IL-1 B chorego – jego fenotyp kliniczny – wymaga dalszych, pogłębionych analiz.
Nowe kierunki badań nad genetyką chorób przyzębia
Czynniki ryzyka genetycznego zidentyfikowane w chorobach przyzębia nie wyjaśniają w pełni złożoności mechanizmów związanych z rozwojem choroby. Najprawdopodobniej czynniki środowiskowe mają także swój udział w inicjacji procesu zapalnego poprzez modyfikacje epigenetyczne w epigenomie chorego. Wiadomo, że w procesie patogenezy chorób przyzębia ekspresja niektórych genów w tkance dziąsłowej wzrasta (geny cytokin, INF gamma, COX-2), innych zaś maleje (gen Col1A1).
Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za regulację aktywności określonych genów istotnych w rozwoju chorób przyzębia wciąż pozostają nieznane. Istotną rolę w tych procesach może odgrywać tzw. kod epigenetyczny obejmujący m.in. zmiany w profilu i stopniu metylacji DNA w regionach promotorowych wybranych genów, modyfikacje białek chromatyny oraz zmiany w metaboliźmie cząsteczek mikroRNA.
Badania nad molekularnym podłożem periodontopatii wymagają wykorzystania nowych rozwiązań metodycznych w innych dziedzinach nauki, takich jak genomika funkcjonalna, proteogenomika, farmakogenomika, epigenomika czy bioinformatyka.
Identyfikacja nowych genetycznych i środowiskowych czynników ryzyka powinna zaowocować lepszym zrozumieniem podłoża procesów epistazy biologicznej, czyli interakcji między produktami poszczególnych genów (interakcje gen – gen) oraz między czynnikami środowiska a genami (interakcje środowisko – gen), warunkującej złożoną i wieloczynnikową etiologię zarówno postaci agresywnej, jak i przewlekłej chorób przyzębia.
Piśmiennictwo
- Kornman K.S., Crane A., Wang H.Y., di Giovlne F., Newman M.G., Pirk F.W., Wilson Jr. T.G., Higginbottom F.L., Duff G.W. The interleukin-1 genotype as a severity factor in adult periodontal disease. J Clin Periodontol 1997; 24 (1): 72–77.
- Droździk A. Czynniki genetyczne w patogenezie chorób przyzębia – przegląd piśmiennictwa. Czas Stomatol 2005; LVIII (7): 486–492.
- Dybiżbańska E., Brodzikowska N. Wykorzystanie badań nad polimorfizmem genu IL-1 w stomatologii. Czas Stomatol 2007; LX (1): 32–42.
- Nikolopulos G.K., Dimou N.L., Hamodrakas S.J., Bagos P.G. Cytokine gene polymorphisms in periodontal disease: a meta-analysis of 53 studies including 4178 cases and 4590 controls. J Clin Periodontol 2008; 35: 754–767.
- Fiebig A., Jepsen S., Loos B.G., Scholz C., Schafer C., Ruhling A., Nothnagel, Eickholz P., van der Velgen U., Schenk K., Schreiber S., Grossner-Schreiber B. Polymorphisms in the interleukin (IL1) gene cluster are not associated with aggressive periodontitis in a large Caucasian population. Genomics 2008; 92: 309–315.
- Ernst F.D., Uhr K., Teumer A., Fanghanel J., Schulz S., Noack B., Gonzales J., Reichert S., Eickholz P., Holtfreter B., Meisel P., Linden G.J., Homuth G., Kocher T. Replication of the association of chromosomal region 9p21.3 with generalized aggressive periodontitis (gAgP) using an independent case-control cohort. BMC Medical Genetics 2010; 11: 119–128.
- Greenstein G., Hart T.C. Clinical utility of a genetic susceptibility test for severe chronic periodontitis. A critical evaluation. JADA 2002; 133: 452–459.
