Вариабельность генов разобщающих белков UCP1 и UCP3 в связи с климатом в популяциях коренного населения Сибири и Дальнего Востока

Аннотация

Введение. Рядом исследований была показана связь работы генов, регулирующих действие разобщающих белков человека (UCP), с климатическими факторами. Однако внутри- и межпопуляционное разнообразие распределения аллельных частот и генотипов UCP1 и UCP3 на территории России изучено недостаточно. Цель работы – на материале населения северо-восточной территории России исследовать внутри- и межэтническую вариабельность генетических детерминант активности разобщающих белков UCP1 и UCP3 и оценить связь распределения генных частот с климатическими характеристиками локализации популяций.

Материалы и методы. Проведено генотипирование образцов биоматериалов 1698 индивидов, представляющих 22 группы населения Европейской России, Сибири и Дальнего Востока РФ. Собрана информация о комплексе географических и климатических (за период с 1940 по 2023 год) характеристик мест сбора образцов.

Результаты и обсуждение. Распределение вариантов генетических детерминант активности разобщающих белков UCP1, UCP3 проявляет связь с суровостью природных условий. Построены три регрессионных модели, где зависимыми переменными являлись частоты аллелей, а предикторами - климатические характеристики. Модели статистически значимы (p<0,05 во всех случаях) и объясняют 39%, 36% и 64% изменчивости частот аллелей UCP1 (rs6536991, rs1800592) и UCP3 (rs1800849) соответственно. Это подтверждает адаптивность генов UCP в коренном населении Северной Евразии.

Заключение. Полученные данные согласуются с материалами научных публикаций и существенно их дополняют. Мы установили, что частоты аллелей и генотипов UCP1 (rs6536991, rs1800592) и UCP3 (rs1800849) указывают на связь с географической широтой, высотой над уровнем моря и суровостью природных условий: количеством осадков, контрастностью климата, индексом «суровости климата» Бодмана. Для лучшего понимания факторов, влияющих на формирование вариабельности генов UCP, необходимы дальнейшие исследования с участием большего числа этнических и территориальных групп. © 2024. This work is licensed under a CC BY 4.0 license

Литература

Козлов А.И., Вершубская Г.Г., Боринская С.А. Дивергенция генетических характеристик у антропологически родственных популяций при разных типах хозяйствования // Вестник Московского университета. Серия XXIII. Антропология, 2020. № 4. С. 99–110. DOI: 10.32521/2074-8132.2020.4.099-110.

Козлов А.И., Парфентьева О.И., Гасанов Е.В. Влияние экологических факторов на распространенность «экономных генотипов» как предикторов метаболических нарушений // Вопросы питания, 2023. Т. 92, № 6. С. 18–27. DOI: 10.33029/0042-8833-2023-92-6-18-27.

Роккина А.Н., Праведникова А.Э., Шидловский Ю.В., Попова Е.В., Задорожная Л.В., Хомякова И.А. Индексы подкожного и висцерального жироотложения и их связь с комплексом эндогенных и экзогенных факторов в группе взрослого населения Республики Алтай // Вестник Московского университета. Серия XVI. Биология, 2021. Т. 76, № 1. С. 33–40.

Сонькин В.Д., Кирдин А.А., Андреев Р.С., Акимов Е.Б. Гомеостатический несократительный термогенез у человека: факты и гипотезы // Физиология человека, 2010. Т. 36, № 5. С. 121–139.

Тупов С.С., Королева Е.Г., Пашков С.В. Биоклиматические показатели в региональных медико-географических исследованиях // Вестник ВГУ. Серия: География. Геоэкология. 2023. № 4. С. 98–108. DOI: 10.17308/geo/1609-0683/2023/4/98-108.

Bezaire V., Hofmann W., Kramer J. K., Kozak L.P., Harper M.E. Effects of fasting on muscle mitochondrial energetics and fatty acid metabolism in Ucp3 (−/−) and wild-type mice. Amer. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 2001, 281 (5), рр.975-982. DOI: 10.1152/ajpendo.2001.281.5.E975.

Bhopal R.S. Genetic explanations 1: the thrifty genotype and its variants. Epidemic of Cardiovascular Disease and Diabetes: Explaining the Phenomenon in South Asians  Worldwide. Oxford, 2019; online edn. Oxford Academic, pp. 38–57. DOI: 10.1093/med/9780198833246.003.0002.

Boss O., Samec S., Kuhne F., Bijlenga P., Assimacopoulos-Jeannet F. et al. Uncoupling protein-3 expression in rodent skeletal muscle is modulated by food intake but not by changes in environmental temperature. J. Biol. Chem., 1998, 273 (11), pp. 5–8. DOI: 10.1074/jbc.273.1.5

Brondani L.A., Assmann T.S., de Souza B.M., Boucas A.P., Canani L.H., Crispim D. Meta-analysis reveals the association of common variants in the uncoupling protein (UCP) 1–3 genes with body mass index variability. PloS ONE, 2014, 9 (5), e96411. DOI: 10.1371/journal.pone.0096411 PMID: 24804925

Brondani L.A., Assmann T.S., Duarte G.C., Gross J.L., Canani L.H. et al. The role of the uncoupling protein 1 (UCP1) on the development of obesity and type 2 diabetes mellitus. Arq. Bras. Endocrinol. Metabol., 2012, 56 (4), pp. 215–225.

Cardona A., Pagani L., Antao T., Lawson D.J., Eichstaedt C.A., et al. Genome-wide analysis of cold adaption in indigenous Siberian populations. PLoS ONE, 2014, 9, e98076. DOI: 10.1371/journal.pone.0098076.

Esterbauer H., Oberkofler H., Liu Y-M., Breban D., Hell E., et al. Uncoupling protein-1 mRNA expression in obese human subjects: the role of sequence variations at the uncoupling protein-1 gene locus. J. Lipid Res., 1998, 39, pp.834–844.

Fick S.E., Hijmans R.J. WorldClim 2: new 1km spatial resolution climate surfaces for global land areas. Intern. J. Climatol., 2017, 37 (12), pp. 4302–4315. DOI: 10.1002/joc.5086.

Hancock A.M., Clark V.J., Qian Y., Di Rienzo A. Population genetic analysis of the uncoupling proteins supports a role for UCP3 in human cold resistance. Mol. Biol. Evol., 2011, 28 (1), pp. 601–614.

Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Biavati G., Horányi A., et al. ERA5 monthly averaged data on single levels from 1940 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS), 2023. DOI: 10.24381/cds.f17050d7.

Hilse K.E., Kalinovich A.V., Rupprecht A., Smorodchenko A., Zeitz U., et al. The expression of UCP3 directly correlates to UCP1 abundance in brown adipose tissue. Biochim. Biophys. Acta, 2016, 1857 (1), pp. 72–78. DOI: 10.1016/j.bbabio.2015.10.011.

Jia J.J., Tian Y.B., Cao Z.H., Tao L.L., Zhang X., et al. The polymorphisms of UCP1 genes associated with fat metabolism, obesity and diabetes. Mol. Biol. Rep., 2010, 37 (3), pp. 1513–1522. DOI: 10.1007/s11033-009-9550-2.

Kozlov A., Vershubsky G., Kozlova M. Indigenous peoples of Northern Russia: Anthropology and health. Oulu: Circumpolar Health Supplements, 2007 (1). 184 p.

Krupnik I. Arctic adaptations. Native whalers and reindeer herders of North Eurasia. University Press of New England, Hanover & London, 1993. 355 p.

Luan J.A., Wong M.Y., Day N.E., Wareham N.J. Sample size determination for studies of gene-environment interaction. Int. J. Epidemiol., 2001, 30, pp. 1035–1040.

Musa C.V., Mancini A., Alfieri A., Labruna G., Valerio G., et al. Four novel UCP3 gene variants associated with childhood obesity: effect on fatty acid oxidation and on prevention of triglyceride storage. Intern. J. Obes., 2012, 36 (2), pp. 207–217. DOI: 10.1038/ijo.2011.81.

Nagai N., Sakane N., Fujishita A., Fujiwara R., Kimura T., et al. The−3826A –> G variant of the uncoupling protein-1 gene diminishes thermogenesis during acute cold exposure in healthy children. Obes. Res. Clin. Pract., 2007, 1, pp. 99–107. DOI: 10.1016/j.orcp.2007.02.001.

Nagai N., Sakane N., Ueno L.M., Hamada T., Moritani T. The -3826 A-G variant of the uncoupling protein-1 gene diminishes postprandial thermogenesis after a high fat meal in healthy boys. J. Clin. Endocr. Metab., 2003, 88, pp. 5661–5667.

Nikanorova A.A., Barashkov N.A., Pshennikova V.G., Nakhodkin S.S., Gotovtsev N.N., et al. The role of nonshivering thermogenesis genes on leptin levels regulation in residents of the coldest region of Siberia. Int. J. Mol. Sci., 2021, 22 (9), p. 4657. DOI: 10.3390/ijms22094657.

Nikanorova A.A., Barashkov N.A., Pshennikova V.G., Gotovtsev N.N., Romanov G.P., et al. Relationships between uncoupling protein genes UCP1, UCP2 and UCP3 and irisin levels in residents of the coldest region of Siberia. Genes., 2022, 13 (9), p. 1612. DOI: 10.3390/genes13091612.

Nishimura T., Katsumura T., Motoi M., Oota H., Watanuki S. Experimental evidence reveals the UCP1 genotype changes the oxygen consumption attributed to non-shivering thermogenesis in humans. Sci. Rep., 2017, 7 (1), pp. 1–7. DOI: 10.1038/s41598-017-05766-3.

Oliveira B.A., Pinhel M.A., Nicoletti C.F., Oliveira C.C., Quinhoneiro D.C., et al. UCP1 and UCP3 expression is associated with lipid and carbohydrate oxidation and body composition. PLoS ONE. 2016, 11 (3), e0150811. DOI: 10.1371/journal.pone.0150811.

Oppert J.M., Vohl M.C., Chagnon M., Dionne F.T., Cassard-Doulcier A.M., et al. DNA polymorphism in the uncoupling protein (UCP) gene and human body fat. Int. J. Obes. Relat. Metab. Disord., 1994, 18, pp. 526–531.

Raghavan M., Steinrücken M., Harris K., Schiffels S., Rasmussen S. et al. Genomic evidence for the Pleistocene and recent population history of Native Americans. Science, 2015, 349 (6250), aab3884. DOI: 10.1126/science.aab3884.

Saito M., Matsushita M., Yoneshiro T., Okamatsu-Ogura Y. Brown adipose tissue, diet-induced thermogenesis, and thermogenic food ingredients: from mice to men. Front. Endocrinol. (Lausanne), 2020, 11, p. 222. DOI: 10.3389/fendo.2020.00222.

Salopuro T., Pulkkinen L., Lindstrom J., Kolehmainen M., Tolppanen A.M., et al. Variation in the UCP2 and UCP3 genes associates with abdominal obesity and serum lipids: the Finnish Diabetes Prevention Study. BMC Med. Gen., 2009, 10 (1), pp. 1–13. DOI: 10.1186/1471-2350-10-94.

Schrauwen P., Hesselink M. UCP2 and UCP3 in muscle controlling body metabolism. J. Experiment. Biol., 2002, 205, pp. 2275–2285.

Sellayah D. The impact of early human migration on brown adipose tissue evolution and its relevance to the modern obesity pandemic. J. Endocrine Soc., 2019, 3 (2), pp. 372–386. DOI: 10.1210/js.2018-00363.

Shephard R.J., Rode A. The health consequences of "modernization": Evidence from circumpolar peoples. Cambridge University Press, 1996. 306 pp.

Stepanov V.A., Kharkov V.N., Vagaitseva K.V., Bocharova A.V., Popovich A.A., et al. Search for genetic markers of climatic adaptation in populations of North Eurasia. Russian Journal of Genetics, 2017, 53, pp. 1172–1183. DOI:10.1134/S1022795417110114.

Trayhurn P. Origins and early development of the concept that brown adipose tissue thermogenesis is linked to energy balance and obesity. Biochimie, 2017, 134, pp. 62–70. DOI:10.1016/j.biochi.2016.09.007.

Watanabe M., Risi R., Tafuri M.A., Silvestri V., D’Andrea D. et al. Bone density and genomic analysis unfold cold adaptation mechanisms of ancient inhabitants of Tierra del Fuego. Sci. Rep., 2021, 11 (1), p. 23290. DOI: 10.1038/s41598-021-02783-1.

Wijers SL, Saris WH, van Marken Lichtenbelt WD. Individual thermogenic responses to mild cold and overfeeding are closely related. J. Clin. Endocrinol. Metab., 2007, 92 (11), pp. 4299–4305.