ГС ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС)

Актуальность

Анализ РААС на молекулярно-генетическом уровне является одним из приоритетных направлений в исследованиях патогенеза артериальной гипертонии и других сердечно-сосудистых заболеваний. Теоретическая работа в данной области основана главным образом на биоинформатическом анализе ключевых элементов РААС (гены, РНК, белки, метаболиты), на расчетах и прогнозах о взаимодействии продуктов экспрессии генов между собой, о механизмах регуляции экспрессии генов РААС и т.д. На основе анализа большого массива данных проводят реконструкцию ассоциативной генной сети, в которой можно проследить, какие белки связаны друг с другом, как осуществляется регуляция звеньев РААС и какие биологические процессы включены в работу РААС. Комплексный биоинформатический анализ генной сети РААС позволяет выявить новые диагностические маркеры и терапевтические мишени, возможные молекулярные механизмы развития болезней, ассоциированных с РААС, взаимодействие лекарств и их токсичность. Важно рассматривать не только ключевые компоненты РААС, собственно ренин, ангиотензин, альдостерон и другие, но и те гены, белки которых оказывают влияние на экспрессию целевых генов РАА-системы. Это транскрипционные факторы (ТФ), которые представляют особый интерес в генетической детерминации работы РААС. Модулируя уровень транскрипции, ТФ могут повышать (активаторы) или понижать (репрессоры) уровень экспрессии значительного количества генов, оказывая влияние на работу соответствующих генных сетей в целом.

Методы

Реконструкцию и анализ ассоциативной генной сети РААС, описывающей молекулярно-генетические взаимодействия между генами и белками, поиск замкнутых регуляторных контуров, анализ на основе критериев центральности и степени близости осуществляли с помощью графической интерфейс-программы ANDVisio, которая является программным обеспечением информационной системы ANDSystem. Также были проанализированы регуляторные контуры в генных сетях с помощью инструмента Pathway Wizard из пакета программ ANDSystem. Мы реконструировали ассоциативную генную сеть РААС для 145 генов, в которой отражены связи с кодируемыми белками, а также с транскрипционными факторами, которые регулируют экспрессию генов РААС. Более детальный анализ и поиск регуляторных контуров в сети РААС включал дополнительные запросы, которые позволили выделить генные сети меньшего размера. Эти подсети отражают специфические регуляторные связи в замкнутых петлях белок-белковых и ген-белковых взаимодействий, что говорит о механизмах саморегуляции данного сигнального пути. Механизмы такой обратной связи стабилизируют активность сигнального пути, регулируют уровни экспрессии генов и обеспечивают адаптивный ответ клеток на изменения внутриклеточной и внешней среды. На основе полученной информации о локализации потенциальных сайтов связывания транскрипционных факторов с помощью сервиса ANDSystem были реконструированы сети регуляции транскрипции генов РААС.

Ассоциативная генная сеть РААС

На основании списка из 145 генов, связанных по литературным данным с РААС, а также списка непосредственных участников РААС была реконструирована ассоциативная генная сеть, включающая в себя 145 генов, столько же белков и обогащенная такими взаимодействиями (1457), как регуляция активности, катализа, расщепления, деградации, транспорта белков и экспрессии генов (Рисунок 1).

Компоненты данной сети были проанализированы на основании критерия центральности по посредничеству и степени вершины. Белки или гены с наибольшими значениями центральности по посредничеству оказывают более сильное влияние на передачу информации между другими компонентами сети. Чем выше этот показатель у вершины, тем большее количество наикратчайших путей между другими компонентами проходит через неё. Степень вершины отражает количество связей этой вершины с другими компонентами сети. Чем больше связей, тем больше воздействие вершины на объекты сети. На основании этого можно предположить, что компоненты сети с высокими показателями центральности по посредничеству и степени вершины оказывают наибольшее влияние на регуляцию РААС. В результате анализа параметров этой сети были выявлены следующие особо значимые белки: IL6 (интерлейкин 6), EDN1 (эндотелин 1), TNFA (фактор некроза опухолей), MK01 (митоген-активируемая протеинкиназа 1), LEP (лептин) и JUN (транскрипционный фактор JUN). Все они участвуют в процессах воспаления, иммунного ответа, вазоконстрикции, апоптоза и клеточного роста.

Мы выделили в полученных подсетях гены и белки, которые являются непосредственными участниками РААС – её «ядра», это гены ACE, ACE2, AGTR1, AGTR2, AGT, MAS1, REN, CYP11B2, CMA1 и их белки ACE, ACE2. AGTR1, AGTR2, ANGT, MAS, RENI, C11B2, CMA1. А также белки, образующиеся в результате ферментативных превращений: Ang I, Ang II, Angiotensin 1-7, Angiotensin 1-9. С помощью инструмента Pathway Wizard была построена сеть (Рисунок 2) по следующему шаблону: гены «ядра» РААС → экспрессия → белки человека → взаимодействия (interactions), экспрессия и её регуляция → гены человека → экспрессия → белки исходной сети РААС. Данная сеть содержит 21 ген, столько же белков и 63 взаимодействия. Регуляторные контуры полученной сети повторяют построенную ранее генную сеть РААС, позволяя более детально рассмотреть взаимодействия регуляции экспрессии интересующих нас генов с их партнёрами в биохимических реакциях клетки. Белки RENI и ACE2 являются наиболее центральными белками сети, оказывающими влияние на экспрессию нескольких генов сети РААС, тогда как AGTR1 значимо влияет на экспрессию генов «ядра» РААС, но не на другие гены сети. В конечном звене цепи регуляторного контура транскрипционных факторов обнаружено не было. Так как прямой связи между «ядром» РААС и ТФ не было обнаружено, мы построили другую сеть по шаблону, который учитывает посредников между генами «ядра» РААС и ассоциированных с РААС генами (Рисунок 3): гены «ядра» РААС → экспрессия → белки человека → регуляция экспрессии генов, активности белков, катализа, распада и транспорта, взаимодействия → белки человека → экспрессия и её регуляция → гены, ассоциированные с РААС. Данная сеть содержит 83 гена, 55 белка, 611 взаимодействий, 1 метаболит и 2 метаболических процесса. Здесь показано осуществление регуляции генами «ядра» РААС с помощью каскада реакций через белки-посредники практически всех исследуемых транскрипционных факторов (кроме FOSB). Для гена FOXO1 это белки IGF1 и P53, для VDR – TGFB1, для ZBTB16 – P53, для GATA3 – IL15, IL33 и SCF, для RELA – TGFB1, для PPARG – Substance P, Ang II и MMP9, для NR3C2 – Ang II, для JUN – TF65, MYC и OCLN, для NFKB2 – белок MYC. Дополнительная генная сеть согласуется с литературными данными о том, что исследуемые транскрипционные факторы связаны с функционированием РААС. Проведенный анализ списка генов ассоциативной сети РААС выявил в них 10 генов, кодирующих транскрипционные факторы человека. Для всех 10 ТФ в промоторах генов, входящих в ассоциативную сеть РААС, были прогнозированы потенциальные ССТФ, выявлены кластеры генов, потенциально регулируемые этими ТФ и реконструированы сети регуляции транскрипции (Рисунок 4). Анализ сетей регуляции транскрипции, построенных на основе анализа коровых [-300;1] промоторов, показывает, что ТФ формируют кластера от 3-х (для гена ZBTB16) до 26 (для гена PPARG) регулируемых генов. 7 из 10 ТФ имеют ССТФ, локализованные в промоторах генов других ТФ. При этом JUN и RELA имеют собственные ССТФ в коровых промоторах своих генов и могут обладать авторегуляцией; JUN и FOSB имеют потенциальные ССТФ в промоторах генов друг друга и могут обладать взаимной регуляцией. Больше всего (3) сайтов связывания различных ТФ имел промотор JUN.

Рисунок 1. Ассоциативная генная сеть РААС, расширенная взаимодействиями между компонентами сети и включающая отрицательную и положительную регуляции активности и деградации, катализ, распад, транспортную регуляцию.

Рисунок 2. Регуляторные контуры взаимодействия регуляции экспрессии генов и белков ассоциативной сети РААС

Рисунок 3. Регуляторные контуры в сети посредников между генами «ядра» РААС и ассоциированных с РААС генами.

Рисунок 4. Регуляторные контуры в сети посредников между генами транскрипционных факторов РААС и ассоциированных с РААС генами

Vishnevsky O., Kuzminykh K., Yatsyk I., Kondratyuk E., Chadaeva I. Transcription factors in the associative gene network of the renin-angiotensin-aldosterone system in humans. Gene Expression. 2025. 25(1):e00050. DOI: 10.14218/GE.2025.00050