При обозначении сплайсинговых мутаций записывают номер

2115. При обозначении сплайсинговых мутаций записывают номер

крайнего нуклеотида в ближайшем к мутации экзоне, число нук-

леотидов (со знаком "+" в случае 3' конца экзона и со знаком

"-" в случае 5' конца) и характер нуклеотидной замены.

(Рис.4.1, Таб.4.2). Например, 711+5G-T обозначает замену G

на Т в 5-м основании интрона, следующего за экзоном, закан-

чивающимся 711 нуклеотидом.

Раздел 4.4. Идентификация структурных мутаций, изоляция му-

тантных ДНК.

Идентификация мутантных аллелей, то есть обнаружение

нарушений в первичной нуклеотидной последовательности ДНК,

является самым прямым методом молекулярной диагностики

наследственных заболеваний. Большие перестройки - делеции,

дупликации, инверсии, транслокации - размером более 1 Мb,

затрагивающие целые гены или даже несколько генов, могут

быть обнаружены на цитологических препаратах с использовани-

ем техники высокого разрешения хромосомного анализа (анализ

дифференциально окрашенных прометафазных хромосом). Еще боль-

шая разрешающая способность (до 50 кb) может быть достигнута

при работе на специальным образом приготовленных (растяну-

тых) интерфазных хромосомах с использованием техники гибри-

дизации in situ (FISH - Глава II).

Мутации, изменяющие длину рестрикционных фрагментов,

могут быть выявлены путем блот-гибридизации рестрицированной

геномной ДНК с соответствующими ДНК-зондами на стадиях гене-

тического анализа, предшествующих молекулярному клонированию

гена. К числу таких мутаций относятся достаточно протяжен-

ные, но не идентифицируемые цитогенетически, внутригенные

делеции, инсерции и дупликации, а также точечные мутации,

локализованные в сайтах рестрикции. Непременным условием ре-

ализации метода блот-гибридизации для поиска подобных мута-

ций является наличие ДНК-зонда, являющегося либо частью ге-

на, либо тесно сцепленной с этим геном клонированной

ДНК-последовательностью. При поиске таких мутаций геномную

ДНК от здорового донора и больного обрабатывают часто щепя-

щими рестриктазами, подвергают электрофорезу, блот-гибриди-

зации с меченым ДНК-зондом по стандартной схеме (Глава I) и

проводят сравнительный анализ расположения бэндов на ради-

оавтографе. Особенно информативными обычно оказываются рест-

риктазы Msp1 и Taq1, которые узнают сайты CGGG и TGGA, соот-

ветственно. Благодаря наличию СpG последовательностей эти

сайты особенно часто подвергаются спонтанному мутированию

(см.раздел 4.5). Наличие протяженных делеций, либо точечных

мутаций в сайтах рестрикции приводит к изменениям размеров

рестрикционных фрагментов. Целенаправленный поиск других то-

чечных мутаций (не затрагивающих сайты рестрикции) и неболь-

ших структурных аномалий возможен только для клонированных

генов с известной нуклеотидной последовательностью смысловых

участков ДНК. Методы идентификации подобных мутаций основа-

ны, главным образом, на использовании полимеразной цепной

реакции в её различных модификациях (см.Главу I, а также

разделы 4.5 и 4.6).

Для анализа мутантных аллелей, прежде всего, необходимо

иметь изолированные последовательности мутантного гена, ко-

торые могут быть получены либо путем клонирования или ампли-

фикации мутантной кДНК, либо за счет специфической амплифи-

кации отдельных экзонов, их частей и регуляторных областей

гена с использованием в качестве матрицы геномной ДНК паци-

ентов (Рис. 4.2). В первом случае отбирают клонированные

к-ДНК-последовательности мутантного гена, проводя скрининг

кДНК-овых библиотек, сконструированных из специфических тка-

ней или культур клеток больного. При этом в качестве зондов

используют кДНК-овые последовательности нормального гена.

Другим источником кодирующих последовательностей мутантного

гена может служить мРНК, изолированная из экспрессирующих

тканей или клеток больного. Мутантную кДНК получают путем

специфической амплификации перекрывающихся последователь-

ностей кодирующих областей гена, используя в качестве матри-

цы тотальную кДНК, полученную при обратной транскрипции изо-

лированной мРНК. Преимуществом этого подхода является то,

что праймеры для амплификации выбирают из экзонных областей,

нуклеотидные последовательности которых, как правило, стано-

вятся известны вскоре после идентификации и клонирования ге-

на. В ряде случаев изоляция мутантной мРНК затруднена в свя-

зи с недоступностью образцов тканей или органов, в которых

происходит экспрессия нужного гена (мозг, печень и др.). Од-

нако, обнаружение следовых количеств, так называемой, неза-

конной или эктопической мРНК во многих клетках и тканях, в

том числе в клетках крови, позволяет преодалевать и эти

трудности (Kaplan et al., 1992). Успех подобной процедуры

получения мутантной кДНК связан, в первую очередь, с разра-

боткой эффективных методов выделения и обратной транскрипции

мРНК с сохранением всех типов кДНК, включая те, для которых

соответствующие мРНК присутствуют в ничтожных концентрациях

(например, мРНК дистрофина при мышечной дистрофии Дюшенна

(см.Главу X). Единственным принципиальным ограничением мето-

дов детекции мутаций в кДНК-овых последовательностях явля-

ются невозможность выявления мутаций в регуляторных и инт-

ронных частях гена. Подобные мутации могут быть выявлены

только при анализе геномной ДНК пациента.

Получение геномной мутантной ДНК обычно не представляет

сложностей, так как она может быть изолирована из любых кле-

ток или тканей больного независимо от характера экспрессии

исследуемого гена. Однако, амплификация целых экзонов воз-

можна только при знании нуклеотидных последовательностей

фланкирующих интронных областей, из которых и производят

подбор специфических олигопраймеров. Секвенирование интронов

представляет собой достаточно трудоемкую задачу, решенную

далеко не для всех клонированных генов. Таким образом, к ог-

раничениям этого подхода следует отнести необходимость

достаточно полной информации о структуре гена и о его пер-

вичной нуклеотидной последовательности. Кроме того, объектом

тестирования могут быть лишь сравнительно небольшие области

гена, отсюда для получения более полной информации необходи-

ма амплификация многих экзонов.

Стратегия идентификации мутаций может быть различной и,

в конечном счете, определяется тем, имеем ли мы дело с ранее

неизвестными мутациями, либо целью анализа является скрини-

рование уже известных мутаций. В первом случае обектом

исследования чаще всего служат клонированные или амплифици-

рованные кДНК-овые последовательности, тогда как при молеку-

лярной диагностике известных мутаций, как правило, анализи-

руют амплифицированные фрагменты геномной ДНК.

Раздел 4.5. Первичная идентификация точечных мутаций.

Любые типы мутаций могут быть обнаружены путем прямого

секвенирования мутантной кДНК или отдельных экзонов и часто

первичный поиск нарушений в кодирующих областях гена осу-

ществляют именно таким образом. Сам метод секвенирования уже

был рассматрен ранее ( см.Главу I,раздел 1.6). Для некоторых

генов, имеющих небольшие размеры, метод прямого секвенирова-

ния с успехом применяется как основной метод сканирования

мутаций. Так, в частности, особенно удобным оказалось его

применение для детекции мутаций в сравнительно небольших по

размеру генах, таких, например, как ген фактора IX свертыва-

ния крови (гемофилия В). Использование эктопической мРНК для

получения амплифицированных кДНК-овых фрагментов открывает

особенно широкие возможности для применения метода прямого

секвенирования.

Разработаные в последние годы модификации методов ПЦР

значительно облегчили секвенирование амплифицированных фраг-

ментов и повысили его эффективность. Так, в частности, пред-

ложен вариант ассиметричной ПЦР, когда при амплификации кон-

центрация одного из олигопраймеров в несколько десятков раз

превосходит концентрацию другого праймера, в результате чего

синтезируется преимущественно только одна, нужная для секве-

нирования цепочка ДНК. Для этой же цели (получения одноцепо-

чечной ДНК) предложено использование магнитных частиц с

фиксированным на их поверхности стрептавидином. При этом

один из праймеров для проведения ПЦР метится биотином. Затем

к продуктам амплификации добавляют магнитные частицы с при-

шитым стрептавидином. Благодаря прочному связыванию биотин -

стрептовидин, меченая биотином последовательность ДНК фикси-

руется на магнитных частицах. С помощью щелочного лизиса с

частиц удаляют вторую немеченую комплементарную последова-

тельность ДНК, которую и используют для секвенирования. Еще

в одном варианте амплификацию проводят в присутствии прайме-

ров, несущих сайт узнавания для фермента Т7 - РНК полимера-

зы. После амплификации в системе in vitro проводят

транскрипцию амплификата с помощью Т7-РНК полимеразы и обра-

зовавшуюся одноцепочечную РНК используют для секвенирования

- метод GAWTS (genome amplification with transcript

sequences).

Однако, в общем случае секвенирование полноразмерной

кДНК или всех экзонов для генотипирования мутаций у отдель-

ных пациентов достаточно трудоемко, дорого и требует много

времени. Поэтому на практике чаще проводят предварительный

отбор более простыми методами амплифицированных, а иногда

клонированных фрагментов ДНК, предположительно содержащих

мутации, а затем секвенируют только эти участки ДНК. Методы

поиска фрагментов ДНК, предположительно содержащих мутации,

основаны на сравнительном анализе мутантных и нормальных

последовательностей по целому ряду физических и химических

характеристик, которые в значительной степени варьируют в

зависимости от типа мутационного повреждения. Следует под-

черкнуть, что независимо от метода детекции мутации и прак-

тически независимо от её природы (замены нуклеотидов, деле-

ции, дупликации и пр.) точные молекулярные характеристики

каждой мутации могут быть получены только путем прямого сек-

венирования. При наличии в амплифицированном фрагменте из-

вестных сайтов рестрикции положение мутации может быть пред-

варительно уточнено. Для этого продукты амплификации разре-

зают соответствующей эндонуклеазой и исследуют более корот-

кие фрагменты.

Наиболее просто обнаруживаются мутации, изменяющие дли-

ну амплифицированных фрагментов, так как подобные нарушения

легко выявляются при электрофоретическом анализе. Так, про-

тяженные делеции, захватывающие целые экзоны, могут быть вы-

явлены по изменению длины рестрикционных фрагментов, гибри-

дизующихся со специфическими ДНК-зондами. Более простая и

эффективная методика выявления таких мутаций в генах, сцеп-

ленных с полом, основана на одновременной амплификации раз-

личных экзонов, наиболее часто вовлекаемых в подобные пе-

рестройки, так называемый мультиплексный вариант ПЦР. Разни-

ца в размерах и числе амплифицированных фрагментов позволяет

легко идентифицировать такие мутации на электрофорезе

(Рис.4.2). Особенно широко этот метод используется для иден-

тификации делеций в гене дистрофина, на долю которых прихо-

дится около 60% всех мутаций, приводящих к миодистрофии Дю-

шенна (см.Главу X). При отсутствии делеций все амплифициро-

ванные фрагменты после электрофоретического разделения и ок-

рашивания можно наблюдать в виде отдельных полос. Если в

исследуемой ДНК какие-то из экзонов делетированы, будут

отсутствовать и соответствующие им полосы на электрофорег-

рамме (Рис.4. 2). Выбирая специфические участки гена для ам-

плификации, можно оценить размер делеции с точностью до от-

дельных экзонов, а также определить ее внутригенную локали-

зацию.

Метод этот, однако, не обнаруживает подобные делеции,

находящиеся в гетерозиготном состоянии или локализованные в

аутосомных генах, так как нормальная гомологичная последова-

тельность геномной ДНК может служить матрицей для амплифика-

ции любых фрагментов. Данный подход применим к анализу деле-

ций в аутосомных генах только в тех случаях, когда возможно

дополнить ПЦР количественной оценкой результатов амплифика-

ции - так называемая количественная ПЦР. Оригинальный метод

идентификации подобных делеций у гетерозигот основан на

использовании в качестве матричной ДНК для ПЦР кДНК, полу-

ченной путем обратной транскрипции из эктопической мРНК или

из мРНК, изолированной из экспрессирующих данный ген тканей

или культур клеток пациента. В отличие от нормального гомо-

лога, в мутантной молекуле кДНК граничащие с делецией экзоны

сближены. Если в качестве олигопраймеров для ПЦР будут выб-

раны последовательности из этих областей гена, только му-

тантная кДНК будет служить матрицей для амплификации неболь-

шого участка между праймерами из фланкирующих делецию экзо-

нов. В нормальной последовательности кДНК этот участок может

быть слишком велик, для того чтобы прошла амплификация.

Практически, для обнаружения гетерозигот по протяженным

внутригенным делециям проводят мультиплексную ПЦР с исполь-

зованием системы олигопраймеров, обеспечивающих амплификацию

фрагментов, полностью перекрывающих всю молекулу кДНК. Нали-

чие делеции регистрируют по появлению продуктов амплификации

необычного размера.

Небольшие делеции и вставки нуклеотидов не приводят к

отсутствию амплифицированных фрагментов ДНК, но изменяют их

размеры. Эти изменения могут быть зарегистрированы при

электрофорезе продуктов амплификации в полиакриламидном или

агарозном гелях (Рис.4.3). Именно этот метод используется

для детекции наиболее часто встречающейся мутации в гене му-

ковисцидоза - делеции трех нуклеотидов ^F508. После выявле-

ния различий между нормальной и мутантной ДНК по длине рест-

рикционных или амплифицированых фрагментов гена необходимо

провести секвенирование необычного фрагмента, с целью опре-

деления изменений в первичной структуре мутантной ДНК после-

довательности по сравнению с нормальной.

При мутациях гена, представляющих собой замену одного

или нескольких нуклеотидов, длины амплифицированных фрагмен-

тов остаются постоянными, однако, некоторые физико-хими-

ческие свойства мутантных молекул ДНК меняются. Так, напри-

мер, при гибридизации однонитевых ДНК, комплементарных нор-

мальной и мутантной нитям ДНК, возникают структурные наруше-

ния в месте негомологичного спаривания. С учетом этих осо-

бенностей разработаны различные варианты поиска мутантных

фрагментов ДНК и идентификации в них точечных мутаций. Веду-

щими из этих методов являются: метод анализа конформационно-

го полиморфизма однонитевой ДНК - SSCP, денатурирующий гра-

диентный гель-электрофорез - DGGE, метод химического расщеп-

ления некомплементарных сайтов (CMC), метод гетеродуплексно-

го анализа (HA) и, наконец, собственно метод секвенирования

Основные характеристики этих методов приведены в Табл.4.3

Таблица 4.3. Преимущества и недостатки основных методов пер-

вичной идентификации мутаций.

-------T---------T--------T------------T----------------¬

¦метод ¦ размер ¦ %% ¦ точность ¦ сканирование ¦

¦ ¦фрагмента¦детекции¦картирования+---------T------+

¦ ¦ (п.о.) ¦мутаций ¦ мутации ¦ экзонов ¦ кДНК ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+------+---------+--------+------------+---------+------+

¦SSCP ¦ 250 ¦ 80% ¦ нет ¦ +++ ¦ + ¦

¦DGGE ¦ 600 ¦ 95% ¦ нет ¦ ++ ¦ ++ ¦

¦СМС ¦ 1700 ¦>95% ¦ да ¦ + ¦ +++ ¦

¦PCR DS¦ 500 ¦>99% ¦ да ¦ ++ ¦ ++ ¦

¦НА ¦ 300 ¦ 80% ¦ нет ¦ ++ ¦ + ¦

L------+---------+--------+------------+---------+-------

"+" - применимость метода для сканирования геномной ДНК и

кДНК

SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism) - метод

анализа конформационного полиморфизма однонитевой ДНК, пред-

ложенный (Оrita et al.1989, Сlavac, Dean, 1993) основан на

регистрации различий в электрофоретической подвижности одно-

нитевых ДНК, одинаковых по величине, но различающихся

вследствие нуклеотидных замен по пространственной организа-

ции молекул (Рис 4.4). Скручивание или конформация небольших

однонитевых ДНК существенно зависит от их нуклеотидной

последовательности, так что замена даже одного основания в

молекулах одинакового размера приводит к изменению их прост-

ранственной структуры. Метод включает амплификацию специфи-

ческих сегментов ДНК размером от 50 до 300 пар оснований,

обычно в присутствии меченых трифосфатов, денатурацию обра-

зовавшихся продуктов ПЦР и нативный высокоразрешающий элек-

рофорез в полиакриламидном геле. Иногда амплификацию прово-

дят без использования метки, но тогда для лучшего разделения

ДНК и однозначной идентификации бэндов на электрофореграмме

используют специальные гели - Hydrolink либо MDE (AT

Biochem,USA), а также более чувствительные по сравнению с

этидиумом бромидом методы окрашивания, такие как окраска се-

ребром. На процесс конформации оказывают влияние различные

внешние факторы - температура, концентрация акриламида и

глицерина в геле, ионная сила буферных растворов

(Сlavac,Dean,1993). Оптимальный подбор этих параметров поз-

воляет эффективно разделять амплифицированные фрагменты ДНК,

различающиеся даже всего на один нуклеотид. Конформационный

метод выявления точечных мутаций быстро получил широкое

распространение благодаря своей простоте и возможности обна-

руживать любые типы замен. Эффективность детекции мутаций

при размерах амплифицируемого фрагмента менее 200 п.о.

составляет 70-95%, но при длине фрагмента, превышающей 400

п.о., вероятность обнаружения мутаций уменьшается до 50%.

DGGE (Denaturation Gradient Gel Electrophoresis) - ме-

тод денатурирующего градиентного гель-электрофореза, основан

на зависимости свойств плавления (или денатурации) небольших

двухнитевых молекул ДНК от их нуклеотидной последователь-

ности, а точнее от соотношения A-T и G-C пар в исследуемых

фрагментах (Майерс и др.,1990; Fodde, Losekoot, 1994). Объ-

ясняется это тем, что G-C связь более прочная по сравнению

со связью между нуклеотидами A и T. Подобные различия в ди-

намике плавления могут быть выявлены путем сравнения подвиж-

ности нормальных и мутантных двухнитевых фрагментов ДНК при

их электрофорезе в денатурирующих условиях ( Рис.4.5). Гра-

диент денатурации достигается разницей температур, различной

концентрации мочевины или формальдегида в гелях. При этих

условиях одинаковые по величине двухнитевые молекулы ДНК,

отличающиеся по нуклеотидной последовательности, денатуриру-

ют по -разному . Разработан компьютерный алгоритм, позволяю-

щий предсказывать характер плавления в зависимости от нукле-

отидной последовательности (Lerman, Silverstein, 1987). При

электрофорезе амплифицированных двухнитевых фрагментов ДНК в

геле с линейно возрастающим градиентом концентраций денату-

рирующих агентов плавление нитей ДНК происходит в строго

специфичной для данной последовательности области, эквива-

лентной температуре плавления - tm, то есть такой температу-

ре, при которой каждая пара оснований с 50%-ой вероятностью

может соединиться или разойтись. После начала плавления

продвижение двухнитевого фрагмента ДНК в геле резко замедля-

ется вследствие сложной пространственной конфигурации моле-

кул, причем эта задержка будет длиться до тех пор, пока не

наступит полная денатурация ДНК. В результате происходит

разделение фрагментов ДНК, различающихся по нуклеотидному

составу. Таким способом удается идентифицировать лишь около

50% однонуклеотидных замен в фрагментах ДНК длиной от 50 до

нескольких сотен нуклеотидов. Связано это с тем, что при

прохождении ДНК через гель может начаться частичная денату-

рация концов молекул еще до достижения оптимальной области

плавления. Поэтому мутации, локализованные вблизи концов ам-

плифицированных участков ДНК, оказывают меньшее влияние на

процесс плавления и поэтому могут не выявляться. Эффектив-

ность обнаружения мутаций с помощью градиентного денатуриру-

ющего электрофореза может быть существенно повышена за счет

присоединения к концам амплифицированной геномной ДНК синте-

тических фрагментов GC-нуклеотидов, длиной в несколько

десятков пар оснований. Такие монотонные тугоплавкие концы

выполняют роль своеобразных зажимов и резко увеличивают

шансы обнаружения для всех точечных мутаций, независимо от

их локализации внутри исследуемого фрагмента ДНК. Эта моди-

фикация делает метод очень чувствительным (см.Таб.4.2). В

отличии от SSCP он пригоден для более крупных амплифициро-

ванных фрагментов ДНК. При исследовании фрагментов до 600

п.о. эффективность выявления мутаций этим методом достигает

95%. Чаще всего DGGE -метод применяется для скрининга мута-

ций в амплифицированных экзонах, при этом в качестве матрицы

используют геномную ДНК. Этот метод может быть с успехом

применен также для анализа индуцированных мутаций, так как

позволяет улавливать точечные мутации, возникшие даже в од-

ной из 100 обработанных мутагеном клеток. К недостаткам ме-

тода следует отнести техническую сложность получения равно-

мерного градиента денатурирующего агента в полиакриламидном

геле, а также высокую стоимость искусственно синтезированных

GC-концов.

HA (Неteroduplex analysis) - гетеродуплексный анализ поз-

воляет идентифицировать мутации, находящиеся в компаунде или

в гетерозиготном состоянии. Следует заметить, что у подавля-

ющего большинства пациентов с генными болезнями, наследуемы-

ми по аутосомно-рецессивному типу, мутации в гомологичных

хромосомах находятся в компаунде, то есть в каждом из гомо-

логичных генов имеются функционально значимые нарушения, но

их молекулярная природа и внутригенная локализация различны.

Исключение составляют лишь мажорные мутации, частота которых

в популяции достигает десятков процентов. Примерами таких

мутаций являются ^F508 в гене муковисцидоза или R408W мута-

ция в гене фенилкетонурии. Принцип HA-метода заключается в

том, что при амплификации относительно небольших фрагментов

генов гетерозигот или гомозиготных компаундов мутация может

быть локализована лишь в одной из гомологичных нитей матрич-

ной ДНК. Поэтому в амплификационной смеси наряду с двумя ти-

пами гомодуплексов образуются гетеродуплексы между нормаль-

ной и мутантной цепочками ДНК. Такие гетеродуплексные моле-

кулы ДНК имеют иную электрофоретичеcкую подвижность по срав-

нению с гомодуплексами (не отличающимися между собой по под-

вижности) за счет конформационных особенностей в местах

несовпадения нуклеотидов (mismatch) (Рис.4.6). Эти различия

могут быть обнаружены при электрофорезе в обычном полиакри-

ламидном геле. Значительно более эффективное разделение гомо-

и гетеродуплексов может быть достигнуто при использовании

новых вариантов гелей - Hydrolink либо MDE. Вероятность

идентификации точечных мутаций этим способом на фрагментах

ДНК менее 300 п.о. достигает 80-90%. Детекция мутаций осу-

ществляется как изотопным, так и неизотопными методами

(Grompe, 1993).

CMC (Chemical Mismatch Cleavage) - метод химического

расщепления некомплементарных сайтов, основан на способности

некоторых химических агентов специфически разрывать нить ДНК

в месте локализации неспаренного основания (Рис.4.7). Так,

цитозин чувствителен к действию гидроксиламина, а тимин - к

действию тетроксида осмия. Некоторые модификации метода

используют чувствительность тимина и гуанина к карбодиимиду.

Последующая обработка пиперидином приводит к полному разрыву

молекулы ДНК в модифицированном сайте. Выявление мутаций

осуществляют с помощью меченых ДНК-зондов, соответствующих,

как правило, нормальным вариантам последовательности ДНК.

Такими зондами могут быть синтезированные олигонуклеотиды,

клонированные последовательности ДНК или амплифицированные

фрагменты (Cotton, 1990; Cotton, Malcolm, 1991).

При проведении исследования эталонную меченую ДНК сме-

шивают с избытком тестируемой ДНК (или РНК). Тестируемыми

образцами ДНК могут служить клонированные ДНК, обработанные

соответствующими эндонуклеазами, либо амплифицированные

фрагменты. Смесь нагревают до полной денатурации двухнитевых

молекул и затем охлаждают, чтобы создать условия для образо-

вания дуплексов. При наличии мутаций в тестируемых образцах

ДНК в гетеродуплексах, возникших в результате гибридизации

между однонитевыми молекулами эталонной и тестируемой ДНК,

образуются места негомологичного спаривания. После обработки

соответствующими химическими агентами идентификация и лока-

лизация мутантных сайтов в исследуемых участках ДНК прово-

дится путем электрофореза и авторадиографии. Появление уко-

роченных фрагментов ДНК на электрофореграмме (а точнее нео-

бычных бэндов в нижней части геля) свидетельствует о наличии

мутантного сайта, а определение размера укороченных фрагмен-

тов однозначно определяет локализацию этого сайта в исходной

тестируемой молекуле ДНК. Современные модификации метода

CMC позволяют идентифицировать до 95-100% мутаций

(Grompe,1993). Большими преимуществами этого метода являются:

(1) возможность исследовать протяженные участки ДНК - до 2

кб, (2) способность одновременно выявить и локализовать

несколько мутаций в одном фрагменте ДНК и (3) возможность

одновременно использовать несколько ДНК-зондов для поиска

мутаций - мультиплексный вариант методики. К числу недостат-

ков можно отнести высокую токсичность используемых хими-

ческих реактивов. Последняя может быть частично ослаблена

использованием карбодиимида для идентификации GT гетеродуп-

лексов.

Весьма близким по принципу к CMC- методу является метод

расщепления гетеродуплексов РНКазой А. С этой целью созда-

ются условия для образования гетеродуплексов между тестируе-

мой ДНК и комплементарной ей радиоактивно меченой РНК про-

бой. При обработке РНКазой А происходит разрезание молекул

РНК в местах нарушения спаривания оснований. Места точечных

мутаций определяются как и в случае СМС, по размерам образо-

вавшихся фрагментов после электрофореза и авторадиграфии.

Необходимость использования радиоактивно меченой РНК- пробы

и возможность детекции только около 50% точечных мутаций ли-

митируют широкое применение метода (Grompe, 1993).

Первичная идентификация мутаций может быть осуществлена

путем анализа нарушений не в нуклеотидной последовательности

гена, а в аминокислотной последовательности соответствующего

полипептидного продукта. Для этого выделяют тотальную мРНК

из лейкоцитов крови, проводят обратную транскрипцию, ампли-

фицировуют специфические экзоны кДНК (метод RT-PCR), встраи-

вают амплифицированную область ДНК в экспрессионную систему

и анализируют образовавшийся продукт. Этот метод особенно

эффективен при детекции мутаций в протяженных генах, содер-

жащих большое число экзонов, таких как ген миопатии Дюшенна

или ген нейрофиброматоза 1.

Раздел 4.6. Молекулярное сканирование известных мутаций.

Рассмотренные выше методы обнаружения мутаций предпола-

гают обязательное секвенирование содержащих их сегментов ДНК

с целью точной идентификации нуклеотидных нарушений, оценки

их фенотипического проявления и определения причастности к

развитию болезни. Поэтому они редко используются в практи-

ческой диагностике и при популяционном скрининге гетерози-

гот. После описания мутации появляется возможность ее анали-

за более простыми способами, не требующими секвенирования.

Как упоминалось выше, мутации, изменяющие длину амплифициро-

ванных фрагментов, могут быть выявлены с помощью нативного

электрофореза в полиакриламидном или агарозном гелях.

Из миссенс мутаций наиболее просто диагностируются те

замены нуклеотидов, которые приводят к исчезновению или об-

разованию сайта узнавания для какой-нибудь из рестриктаз.

Они выявляются по изменению длины амплифицированного фраг-

мента ДНК после его обработки соответствующей эндонуклеазой.

Поэтому сразу после идентификации мутации проводится компь-

ютерный поиск возможных сайтов рестрикции в месте локализа-

ции замены основания. Вероятность такого события довольно

велика, так как для каждой из нескольких сотен известных в

настоящее время рестрикционных эндонуклеаз сайтом узнавания

служит своя специфическая последовательность ДНК, средние

размеры которой составляют 5 - 6 нуклеотидов.

Если естественных рестрикционных сайтов в месте мутации

найти не удается, то такие сайты могут быть созданы

искусственно. В частности, разработана методика создания с

помощью ПЦР новых сайтов рестрикции в мутантных аллелях, но

не в аллелях дикого типа - метод ПЦР-опосредованного

сайт-направленного мутагенеза ( Ng et al., 1991; Eiken et

al.,1991). Для этого амплифицируемый участок ДНК выбирают

таким образом, чтобы 3'-конец одного из праймеров непосред-

ственно примыкал к мутантному сайту (Рис.4.8). Именно этот

праймер неполностью комплементарен матричной ДНК. В нем из-

меняют один из нуклеотидов с 3'-конца так, чтобы в сочетании

с нуклеотидом мутантного, но не нормального сайта в этом

месте образовывался сайт рестрикции для какой-нибудь из эн-

донуклеаз. Тогда после рестрикции и электрофореза продуктов

амплификации геномной ДНК у индивидуумов, не содержащих дан-

ную мутацию, на электрофореграмме будет присутствовать один

нерестрицированный фрагмент, у гетерозигот появится два до-

полнительных фрагмента, соответствующих по длине рестрициро-

ванным сегментам ДНК, и у гомозигот по мутации будут

присутствовать только эти два фрагмента.

Концептуально близким к этому варианту является метод

получивший название "амплификация рефрактерной мутационной

системы"- amplification refractory mutation system - ARMS. В

основе метода лежит неспособность Taq1 термофильной полиме-

разы к амплификации фрагмента при наличии несоответствия

(mismatch) между матричной ДНК и 3'-концом одного из олигоп-

раймеров (Newton et al.,1989; Bottema et al.,1990 ). Суть

метода заключается в оновременном проведении двух ПЦР, для

каждой из которых одним из праймеров служит аллель-специфи-

ческая мутантная или нормальная олигонуклеотидная последова-

тельность, соответственно. При этом в качестве второго прай-

мера для проведения двух реакций выбирают одну и ту же оли-

гонуклеотидную последовательность, так что в обоих случаях

могут амплифицироваться участки ДНК одинаковой протяжен-

ности.Мутантный сайт в аллель-специфических праймерах распо-

ложен не в центре, а ближе к 3'-концу, и чаще всего занимает

предпоследнюю позицию. При определенных условиях, важнейшим

из которых является концентрация ионов магния в растворе,

наличие сайта негомологичного спаривания в 3'-области прай-

мера препятствует началу синтеза ДНК. Таким образом, при на-

личии мутации в исследуемой матричной ДНК амплифицированные

фрагменты образуются только в том случае, если в качестве

аллель-специфического праймера выбирается мутантная последо-

вательность, тогда как при использовании нормального олиго-

нуклеотидного праймера ПЦР блокируется (Рис.4.9.). Метод на-

шел широкое применение для детекции мутаций при фенилкетону-

рии, бета-талассемии, муковисцидозе, при типировании генов

HLA системы. Однако, сложности в подборе праймеров и в выбо-

ре оптимального режима ПЦР ограничивают широкое применение

этого метода. Вместе с тем, его несомненным преимуществом

является возможность применения полностью автоматического

сканирования.

Таким же преимуществом обладают и методы детекции

состояния гена, основанные на лигировании синтетических оли-

гонуклеотидных зондов- OLA (oligonucleotide ligation assay).

При проведении этих реакций специфические ДНК или РНК после-

довательности исследуют путем использования их в качестве

матрицы для ковалентного связывания двух пар олигонуклеотид-

ных зондов (Landegren,1993). ДНК-зонды для лигирования под-

бирают таким образом, чтобы они были полностью комплементар-

ны нормальному фрагменту ДНК в области локализации мутации,

причем сама нуклеотидная замена должна находиться на стыке

двух праймеров. Обычно в один из зондов вводят радиоактивную

или флюоресцентную метку, а другой - метят биотином. После

гибридизации при строго стандартных условиях синтезированные

олигонуклеотидные последовательности сшивают ДНК-лигазами из

термофильных микроорганизмов. Такие ферменты работают при

высоких температурах и сохраняют свою активность в условиях,

необходимых для проведения денатурации молекул ДНК. При на-

личии мутации в тестируемой молекуле ДНК на конце одного из

зондов образуется сайт некомплементарного спаривания, не-

посредственно примыкающий к месту лигирования. Наличие тер-

минального неспаренного основания в смежно расположенных

последовательностях ДНК-зондов резко снижает скорость лиги-

рования и при определенных условиях проведения реакции сшив-

ки между зондами в этом случае не происходит. Метод включает

несколько последовательных циклов гибридизации, лигирования

и денатурации. Начиная со второго цикла, матричной ДНК для

гибридизации зондов наряду с тестируемой пробой служат также

лигированные последовательности. В дальнейшем проводят

электрофоретический анализ меченых однонитевых фрагментов

ДНК. Система успешно апробирована на мутациях глобиновых ге-

нов при серповидно-клеточной анемии и на мутации delF508 при

муковисцидозе.

Универсальным методом детекции замен оснований является

метод аллель-специфических олигонуклеотидов - ASO, который

включает амплификацию фрагментов ДНК и последующую дот- или

слот-гибридизацию с мечеными аллель-специфическими олигонук-

леотидами (Reiss, 1991). Для этого синтезируют два типа оли-

гонуклеотидных последовательностей обычно размером 19 пар

оснований, в которых мутантный сайт занимает центральное по-

ложение. Каждый из этих олигонуклеотидных зондов комплемен-

тарен нормальному или мутантному вариантам ДНК, соот-

ветственно. Условия гибридизации подбирают таким образом,

чтобы дуплексы образовывались только при полной комплемен-

тарности гибридных пар. В этих условиях амплифицированные

фрагменты ДНК без мутации будут гибридизоваться только с

нормальным зондом, ДНК гомозигот по мутации - только с му-

тантным и ДНК гетерозигот - с обоими олигонуклеотидами

(Рис.4.10). Для уменьшения перекрестной аллель-специфической

гибридизации в реакционную смесь добавляют 30-кратный избы-

ток конкурентного немеченого олигонуклеотидного ДНК-зонда.

Разработаны удобные модификации метода ASO с использованием

аллель-специфических ДНК-зондов, меченых биотином или пе-

роксидазой хрена (Лебедева и др.,1994).

Наиболее быстрым, экономичным и удобным методом скани-

рования точечных мутаций является модифицированный вариант

ASO, так называемая гибридизационная система обратного

дот-блота (reverse dot-blot hybridisation system) (Saiki

et.al.,1989). Метод позволяет одновременно скринировать сра-

зу много точечных мутаций и доступен автоматизации

(Chebab, 1993). В этом случае проводят гибридизацию меченых

продуктов ПЦР, обычно представляющих собой отдельные экзоны,

с фиксированными на нейлоновых фильтрах аллель-специфически-

ми олигонуклеотидными зондами (ASO). Предварительную иммоби-

лизацию мутантных и нормальных ASO-зондов на мембранах осу-

ществляют за счет присоединения гомополимерных T-хвостов с

дезоксирибонуклеотид-трансферазой на конце. При этом олиго-

нуклеотидные последовательности остаются свободными и могут

участвовать в гибридизации с мечеными амплифицированными

фрагментами ДНК. После отмывки несвязавшихся молекул ДНК ра-

диоавтографические или цветные пятна на фильтрах становятся

заметными только в местах локализации олигонуклеотидов, пол-

ностью комплементарных тестируемой геномной ДНК. Реакцию,

обычно проводят в присутствии ионов тетра-алкиламмония,

уменьшающих зависимость температуры плавления от композиции

оснований. Это позволяет использовать одинаковые условия

гибридизации для различных олигонуклеотидов, то есть вести

поиск сразу нескольких типов мутаций, локализованных в одном

и том же экзоне гена. Данный метод положен в основу разра-

ботки специальных систем, предназначенных для одновременной

детекции наиболее распространенных мутаций в исследуемом ге-

не. Система представляет собой ленточный фильтр (стрип) с

нанесенными пятнами олигопраймеров, каждый из которых соот-

ветствует определенной мутации. Стрип помещают в раствор со

смесью тех меченых амплифицированных экзонов, которые могут

содержать тестируемые мутантные аллели и создают условия для

аллель-специфифческой гибридизации. Таким способом сканируют

одновренно 42 мутации, ответственные за серповидноклеточную

анеми, 34 мутации при муковисцидозе (Сhebab,1993)

Очень простой метод обнаружения и идентификации

описанных ранее мутаций в амплифицированных фрагментах ДНК

основан на анализе характера электрофоретического разделения

продуктов ПЦР в MDE-гидросвязывающих гелях в присутствии

высоких концентраций мочевины. Эти гели способствуют форми-

рованию гетеродуплексов в процессе электрофореза, причем

расположение дуплексов очень специфично для различных му-

тантных аллелей, локализованных в одном и том же амплифици-

рованном фрагменте. Это позволяет не только выявлять, но с

высокой степенью вероятности идентифицировать известные му-

тации. В мультиплексном варианте методики возможен одновре-

менный поиск мутаций в нескольких амплифицированных фрагмен-

тах. Простота и высокая скорость анализа способствуют разра-

ботке на основе разделения в MDE-гелях схем максимальной ав-

томатизации процесса поиска и идентификации известных мута-

ций у пациентов и гетерозиготных носителей мутаций

Итак, методы выявления мутаций довольно разнообразны и

постоянно совершенствуются. В первую очередь, молекулярному

анализу подвергают те гены, повреждения которых сопровожда-

ются развитием наиболее частых заболеваний. Исследования

проводят либо в семьях высокого риска, где уже имеются боль-

ные с тем или иным моногенным заболеванием с целью выявления

гетерозиготных носителей, либо непосредственно в популяциях,

где имеется большая выборка больных и можно предполагать

высокую частоту гетерозиготных носителей мутаций. При этом

выбор конкретных схем идентификации мутантных аллелей, за-

частую, определяется диагностическими возможностями лабора-

торий и стоимостью анализов. Особое внимание уделяют поиску

тех аллелей, которые встречаются в популяциях с высокой

частотой. Именно для таких мутаций разрабатывают более

простые и эффективные методы молекулярной диагностики, поз-

воляющие тестировать больных и проводить скрининг гетерози-

гот среди их родственников или среди определенных групп

населения.

Важнейшей характеристикой мутантного аллеля является

его корреляция с тяжестью течения заболевания, то есть фе-

нотипическое выражение мутации в гомозиготном и в гетерози-

готном состоянии, а также в компаунде с другими мутантными

аллелями того же гена. Для многих моногенных болезней обна-

ружено большое число аллелей, которые по своему клиническо-

му проявлению могут быть подразделены на различные группы,

от очень мягких, оказывающих незначительный повреждающий

эффект, до летальных или полулетальных, обусловливающих

смерть пациентов в раннем возрасте. Таким образом, молеку-

лярная диагностика мутаций может иметь определяющее значе-

ние для прогнозирования развития заболевания и выбора адек-

ватной тактики лечения. Подобные скринирующие программы в

настоящее время разработаны и успешно осуществляются во

многих странах для таких распространенных заболеваний как

серповидноклеточная анемия, муковисцидоз (Rene et

al.,1994). Реализация этих программ наряду с большой меди-

цинской пользой приносит и массу социальных проблем, неко-

торые из которых будут рассмотрены ниже.

ВВЕДЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНУЮ ДИАГНОСТИКУ И ГЕНОТЕРАПИЮ

НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ.

В.Н.Горбунова, В.С.Баранов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СТРУКТУРА И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДНК.

Раздел 1.1 Общие представления, центральная догма, гене-

тический код.

Раздел 1.2 Выделение ДНК, ее синтез и рестрикция.

Раздел 1.3 Блот-гибридизация по Саузерну, гибридизация

in situ.

Раздел 1.4 ДНК-зонды, клонирование, векторные системы.

Раздел 1.5 Геномные и к-ДНК-овые библиотеки генов, их

скрининг.

Раздел 1.6 Секвенирование последовательностей ДНК.

Раздел 1.7 Полимеразная цепная реакция.

ГЛАВА II. ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, СТРУКТУРА ГЕНОВ.

Раздел 2.1 Определение генома и его основных элементов.

Раздел 2.2 Повторяющиеся последовательности ДНК.

Раздел 2.3 Мультигенные семейства, псевдогены, онкоге-

ны.

Раздел 2.4 Современное определение понятия "ген",

транскрипция, регуляторные элементы генов.

Раздел 2.5 Изменчивость генома, полиморфные сайты рест-

рикции, ПДРФ-анализ.

Раздел 2.6 Вариабильные микро- и минисателлитные ДНК.

Раздел 2.7 Мобильность генома, облигатные и факультатив-

ные элементы генома.

Раздел 2.8 Изохоры, метилирование, гиперчувствительные

сайты.

ГЛАВА III. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ, ПОЗИЦИОННОЕ КЛОНИРОВАНИЕ.

Раздел 3.1 Классификация генетических карт, оценка

сцепления.

Раздел 3.2 Соматическая гибридизация, цитогенетический

анализ, картирование анонимных последова-

тельностей ДНК.

Раздел 3.3 Генетические индексные маркеры.

Раздел 3.4 Хромосом-срецифические библиотеки генов,

пульсирующий гель-электрофорез.

Раздел 3.5 Позиционное клонирование, прогулка и прыжки

по хромосоме, идентификация и изоляция ге-

нов.

Раздел 3.6 Каталог генов и генных болезней МакКьюсика.

Международная программа "Геном человека".

ГЛАВА IY. ТИПЫ И НОМЕНКЛАТУРА МУТАЦИЙ. МЕТОДЫ ДНК-

ДИАГНОСТИКИ.

Раздел 4.1 Мутантные аллели, характеристика и типы му-

таций.

Раздел 4.2 Генетическая гетерогенность наследственных

заболеваний.

Раздел 4.3 Номенклатура мутаций.

Раздел 4.4 Идентификация структурных мутаций, изоляция

мутантных ДНК.

Раздел 4.5 Первичная идентификация точечных мутаций.

Раздел 4.6 Молекулярное сканирование известных мутаций.

ГЛАВА Y. ПОПУЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МУТАЦИЙ. ЭНДОГЕННЫЕ

МЕХАНИЗМЫ СПОНТАННОГО МУТАГЕНЕЗА.

Раздел 5.1 Популяционный анализ мутаций, полиморфизм,

неравновесность по сцеплению.

Раздел 5.2 Частоты спонтанного мутагенеза.

Раздел 5.3 Эндогенные механизмы возникновения мутаций.

Раздел 5.4 Механизмы поддержания и распространения му-

таций в популяциях.

ГЛАВА YI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ.

Раздел 6.1 Дифференциальная активность генов, выбор

адекватных биологических моделей.

Раздел 6.2 Анализ регуляторных элементов гена, изоляция

и исследование мРНК, искусственные

транскрипционные системы.

Раздел 6.3 Анализ трансляции, ДНК-экспрессионные систе-

мы.

ГЛАВА VII. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕНАТАЛЬНОЙ

ДИАГНОСТИКИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ.

Раздел 7.1 Прямые и косвенные методы молекулярной диаг-

ностики.

Раздел 7.2 ДНК-диагностика при различных типах наследо-

вания.

Раздел 7.3 Группы риска, поиск гетерозиготных носите-

лей мутаций.

Раздел 7.4 Особенности применения молекулярных методов

в пренатальной диагностике моногенных болез-

ней.

Раздел 7.5 Доимплантационная диагностика, общая схема

пренатальной диагностики, точность прогнози-

рования.

ГЛАВА YIII. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

ЧЕЛОВЕКА.

Раздел 8.1 Генетические линии животных.

Раздел 8.2 Трансгенные животные.

Раздел 8.3 Экспериментальное моделирование.

Раздел 8.4 Конструирование модельных генетических ли-

ний животных.

Раздел 8.5 Методы направленного переноса генов.

ГЛАВА IX. ГЕННАЯ ТЕРАПИЯ.

Раздел 9.1 Определение, историческая справка, программы

генной терапии.

Раздел 9.2 Типы генотерапевтических вмешательств, выбор

клеток-мишеней.

Раздел 9.3 Методы генетической трансфекции в генной те-

рапии.

Раздел 9.4 Конструирование векторных систем и совер-

шенствование методов трансформации клеток че-

ловека.

9.4.1 Основные векторные системы.

9.4.2 Методы физического переноса чужеродной ДНК в

клетки эукариот.

9.4.3 Липосомный метод трансфекции.

9.4.4 Рекомбинантные вирусы.

9.4.5 Перспективы создания "идеальных" векторных

систем.

Раздел 9.5 Генотерапия моногенных наследственных заболе-

ваний.

Раздел 9.6 Генотерапия ненаследственных заболеваний:

опухоли, инфекции.

Раздел 9.7 Некоторые этические и социальные проблемы ген-

ной терапии.

ГЛАВА X. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ

МОНОГЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ.

Раздел 10.1 Хромосомная локализация и принципы класси-

фикации генов наследственных болезней.

Раздел 10.2 Метаболические дефекты лизосомных фермен-

тов. Болезни накопления.

Раздел 10.3 Болезни экспансии, вызванные "динамически-

ми" мутациями.

Раздел 10.4 Моногенные наследственные болезни, диаг-

ностируемые молекулярными методами в России.

10.4.1 Муковисцидоз.

10.4.2 Миодистрофия Дюшенна.

10.4.3 Гемофилия А.

10.4.4 Гемофилия B.

10.4.5 Болезнь Виллебранда.

10.4.6 Фенилкетонурия.

10.4.7 Синдром Леш-Нихана.

10.4.8 Болезнь Вильсона-Коновалова.

10.4.9 Адрено-генитальный синдром.

10.4.10 Спинальная мышечная атрофия.

10.4.11 Атаксия Фридрейха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ГЛАВА Y.

ПОПУЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МУТАЦИЙ. МЕХАНИЗМЫ СПОНТАННОГО

МУТАГЕНЕЗА.

Раздел 5.1 Полиморфизм, неравновесность по сцеплению.

Молекулярная идентификация мутантных аллелей и разра-

ботка эффективных методов их диагностики у больных и у гете-

розиготных носителей являются той экспериментальной базой,

которая позволяет исследовать распространенность мутаций в

различных этнических группах и популяциях. Одновременно воз-

можен анализ сцепления мутантных аллелей с другими генети-

ческими маркерами и оценка на этой основе предполагаемых ме-

ханизмов возникновения и поддержания в популяциях наблюдае-

мого уровня изменчивости. Но прежде чем перейти к описанию

основных целей и методов популяционного анализа мутаций оп-

ределим более точно два основных понятия, часто используемых

при проведении подобных исследованиях - это понятия полимор-

физма и неравновесности по сцеплению.

Генетическая изменчивость локуса в определенной попу-

ляции измеряется уровнем полиморфизма, и количественным вы-

ражением этой меры служат частоты аллелей. В однолокусной

двухаллельной системе частоты двух вариантов аллелей - А1 и

А2, обозначаются буквами p и q, соответвственно, и (p+q=1).

Когда мы говорим, что в популяции существует полиморфизм по

мутации, это значит, что ее частота выше определенного выб-

ранного в соответствии с какими-то причинами условного уров-

ня, чаще всего выше 5%. Высокополиморфными считаются локусы

с близкими значениями частот аллелей. В больших популяциях

со случайным характером скрещивания, то есть в панмикти-

ческих популяциях, действует закон Харди-Вайнберга, согласно

которому частоты гомозиготных особей в популяции равны p!2 и

q!2, соответстенно, а доля гетерозигот равна 2pq. Таким об-

разом, в двухаллельной модели частота гетерозигот в популя-

ции по полиморфным локусам составляет от 10% и более, а по

высокополиморфным локусам может достигать 50%. Если число

аллелей в локусе больше двух, общая частота гетерозигот в

популяции равна 1 - (p1!2 + p2!2 + ... + pn!2), где pk -

частота аллеля Ak, k = 1, 2, ... n и p1 + p2 +... + pn = 1.

При этом доля гетерозигот в популяции возрастает с увеличе-

нием числа аллелей и достигает максимального предела в каж-

дой группе из n аллелей при равенстве их частот. Таким обра-

зом, при увеличении числа аллелей, встречающихся с равными

вероятностями, частота гетерозигот в популяции будет стре-

миться к единице, то есть подовляющее число особей в популя-

ции будут гетерозиготными по данному локусу. Такая ситуация

характерна для высокополиморфных микросателитных повторов, в

частности STR, что и делает их наряду с другими преимущест-

вами наиболее удобными генетическими маркерами.

Как мы уже упоминали, частыми моногенными наследствен-

ными заболеваниями считаются такие, при которых один больной

ребенок встречается среди 2000 - 10000 новорожденных, то

есть q!2 колеблется в пределах 1 /2000 - 1/10000. Соот-

ветственно, частота мутаций - q, в этих генах составляет от

0.5% до 2.5% и доля гетерозиготных носителей - 2pq, достига-

ет 1% - 5%. Для более редких заболеваний частоты гетерозигот

не превышают десятых долей процента. Тем ни менее, если

учесть, что общее количество различных моногенных заболева-

ний составляет около 5000 нозологий, оказывается, что, в

среднем, каждый человек является носителем мутантных аллелей

около десяти генов. В общем случае, набор этих генов разли-

чен у разных людей, и только в тех семьях, где оба родителя

являются носителями мутаций одного и того же гена появляется

25%-ый риск рождения больного ребенка.

До сих пор мы рассматривали изменчивость в одном локусе

- A. Понятие неравновесности по сцеплению определяет отноше-

ния между изменчивостью в двух локусах - A и B. Ситуация

здесь может быть двоякой. Если изменчивость в этих локусах

независима, то аллели двух локусов встречаются в популяции в

случайных комбинациях. Однако, если аллели различных локусов

в одних комбинациях встречаются чаще, чем в других, то гово-

рят, что существует неравновесность по сцеплению. Количест-

венно эта связь оценивается с помощью детерминанта неравно-

весности по сцеплению - d. Рассмотрим, чему равен детерми-

нант неравновесности по сцеплению в двухлокусной двухаллель-

ной системе. Пусть Pnm, где n=1,2 и m=1,2, частоты четырех

возможных в этом случае типов гамет - A1B1, A2B2, A1B2,

A2B1, а Pn и Rm - частоты аллелей локусов A и B, соот-

ветственно. Если сочетания аллелей в гаметах случайны, то

теоретически ожидаемые частоты гамет четырех типов равны

произведению частот входящих в эти гаметы аллелей, то есть

Pnm=Pn*Rm. В этом случае произведение частот двух типов га-

мет (A1B1 и A2B2), находящихся в состоянии "притяжения",

равно произведению частот гамет в состоянии "отталкивания"

(A1B2 и A2B1), то есть P11*P22 = P1*P2 *R1*R2 = P12*P21. Од-

нако, если сочетания аллелей в гаметах неслучайны, то эти

произведения различны. Их разность служит мерой неравно-

весности по сцеплению - d. Итак d = ¦P11*P22 - P12*P21¦ При

отсутствии неравновесности по сцеплению d = 0. Верхняя гра-

ница d = 0.25. Максимальная неравновесность по сцеплению

достигается при полном отсутствии двух типов гамет, находя-

щихся либо в состоянии "притяжения", либо в состоянии "от-

талкивания", при одновременном равенстве частот оставшихся

двух типов гамет.

Мутации в различных локусах возникают, как правило, не-

зависимо друг от друга и наличие неравновесности по сцепле-

нию, по-видимому, отражает тот факт, что мутация в одном из

локусов возникла в хромосоме, несущей определенный аллель

другого локуса, и далее эта хромосома получила распростране-

ние в популяции. Неравновесность по сцеплению является очень

важной популяционной характеристикой, позволяющей судить о

порядке и примерном времени возникновения различных мутаций,

а также оценивать возможные механизмы их поддержания в попу-

ляции. Обнаружение сильной неравновесности по сцеплению меж-

ду специфическими мутациями гена и определенными аллелями

маркерных локусов имеет важное практическое значение. Часто

наблюдается неравновесность по сцеплению между мутантными

аллелями гена и одновременно несколькими маркерными локуса-

ми. В этом случае анализ маркерных гаплотипов, то есть набо-

ров аллелей различных локусов, локализованных в одной хро-

мосоме, дает возможность с высокой степенью вероятности оце-

нивать характер мутационного повреждения и прослеживать его

наследование в семьях больного.

Раздел 5.3 Частоты спонтанного мутагенеза.

Считается, что средняя частота спонтанного возникнове-

ния мутаций в структурных локусах человека колеблется в пре-

делах от 10(-5) до 10(-6) на одну гамету за каждое поколе-

ние. Однако, эта величина может значительно варьировать для

разных генов, меняясь в пределах от 10(-4) для высокомута-

бильных локусов до 10 (-11) в наиболее устойчивых частях ге-

нома. Эти различия зависят от многих факторов и, в первую

очередь, от характера мутационного повреждения, от механизма

возникновения мутации и локализации нарушения. Большое зна-

чение также имеет сам ген, протяженность его кодирующих об-

ластей и те функции, которые выполняют контролируемые им мо-

лекулы в обеспечении жизнедеятельности клеток и всего орга-

низиа, в целом. Так например, нарушение работы генов, про-

дукция которых необходима на ранних стадиях эмбриогенеза,

может приводить к гибели плода. Такие мутации трудны для ди-

агностики и в практической медицине мы чаще всего имеем дело

только с теми мутациями, которые не проявляют летального эф-

фекта на ранних стадиях эмбрионального развития. Тем ни ме-

нее, не исключено, что ранние эмбриональные летали составля-

ет немалый процент среди мутантных аллелей различных генов и

вносят определенный вклад в снижение репродуктивной функции.

Особого внимания заслуживает проблема мутирования в

STR-сайтах и в VNTR- локусах, часто используемых в настоящее

время для геномной дактилоскопии и молекулярной диагностики.

Эти участки генома, изменчивость в которых обусловлена раз-

личиями в числе тандемных повторов, формально можно отнести

к разряду высокомутабильных. Заметим сразу, однако, что пря-

мое сопоставление темпов мутирования в кодирующих областях

генома и в мини- и микросателлитных последовательностях ДНК,

по-видимому, некорректно, так как физическая основа изменчи-

вости, наблюдаемой в этих функционально и структурно разли-

чающихся локусах совершенно различна. Мутабильность в

STR-сайтах обусловлена нестабильностью числа повторов, при-

чем возникающие мутации затрагивают, как правило, лишь весь-

ма ограниченное число кластерированных копий, чаще всего 1

или 2. Подобные тандемные повторы редко наблюдаются в

смысловых последовательностях ДНК. Исключение составляют

лишь мутации экспансии, но и для них характерно (1) сущест-

вование большого числа аллелей дикого типа, отличающихся

друг от друга небольшим числом копий, и (2) значительные

различия по длине повторяющегося участка между нормальными и

мутантными вариантами гена. Кроме того, изменчивость в

STR-сайтах в основе своей носит нейтральный характер и пото-

му темп мутирования в этих локусах не подвержен жесткому

контролю со стороны естественного отбора.

Прямые исследования показали, что в большинстве случаев

частота возникновения спонтанных мутаций в микросателлитных

STR -сайтах варьирует в пределах от 0.1% до 0.45% на гамету,

что должно учитываться при использовании этих маркеров в

практической медицине. Частота мутирования в вариабильных

(C-A)n -повторах, используемых в качестве индексных маркеров

в Genethon - картах сцепления составляет 0.05% на гамету.

Показано, что для ряда VNTR-локусов (MSB2) частота мутирова-

ния достигает 0.7% на гамету. Для других локусов (М17) обна-

ружено достоверное превышение скорости мутагенеза в зароды-

шевых клетках по сравнению с соматическими. Для многих

достаточно стабильных STR-локусов обнаружены существенные

межпопуляционные различия по частоте аллелей, что позволяет

использовать эту изменчивость для генетической характеристи-

ки отдельных популяций. В то же время другие STR-сайты зна-

чительно чаще подвергаются спонтанному мутированию, что при-

водит к уравновешиванию паттерна аллелей и делает эти марке-

ры малопригодными для популяционных исследований. Имеются

данные, что в наиболее вариабильных STR-локусах частота

спонтанных мутаций может достигать 5% на гамету за поколение

(Jeffreys et al., 1988).

Раздел 5.3. Эндогенные механизмы возникновения мутаций.

Основную часть мутаций, ведущих к наследственным болез-

ням, составляют точечные мутации, делеции и в меньшей степе-

ни инсерции и дупликации. При этом, как показывает детальный

сравнительный анализ, частота, тип и локализация этих мута-

ций отнюдь неслучайны и зависят от многих, пока еще невы-

ясненных эндогенных механизмов мутагенеза. В пользу такого

вывода свидетельствует уникальный характер спектра мутаций

для каждого из многих десятков генов, первичная структура

ДНК и типы мутаций которых уже хорошо изучены. Так, для мно-

гих структурных генов доминирующими по спектру и частоте яв-

ляются точечные мутации (ген трансмембранного регуляторного

белка муковисцидоза, ген фенилаланингидроксилазы, ген факто-

ра IX cвертывания крови, бета-глобиновый ген и мн др.), тог-

да как для других - достаточно протяженные структурные пе-

рестройки типа делеций, дупликаций и инсерций (гены дистро-

фина, фактора VIII свертывания крови, 21-гидроксилазы)

(см.Главу X). К структурным факторам, определяющим эндоген-

ные механизмы мутагенеза, можно отнести (1) наличие прямых и

обратных повторов и симметричных элементов вблизи места пе-

рестройки; (2) высокую концентрация СpG динуклеотидов; (3)

наличие внегенных последовательностей ДНК, гомологичных

фрагментам структурного гена; (4) мобильные элементы генома.

Естественно, что реализация этих структурных факторов в те

или иные типы мутаций возможна лишь в процессе репликации

(1,2) и рекомбинации (3) ДНК хромосом.

Как подробно рассмотрено в серии работ D.N Cooper и

M.Кrawczak (1990, 1991), наличие в первичной структуре ДНК

прямых повторов, идентичных повторяющихся последователь-

ностей, инвертированных повторов, шпилечных структур, квази-

палиндромных последовательностей и симметричных элементов

генома (например CTGAAGTC) нередко ведет к образованию пе-

тель при репликации ДНК вследствие скользящего нарушения

спаривания (slipping mispairing) родительской и дочерней це-

пей ДНК. Эти новые структурные элементы ДНК либо уничтожа-

ются ферментами системы репарации, что ведет к делециям, ли-

бо сохраняются и дублируются, что приводит к дупликациям и

инсерциям, при этом возникшие изменения закрепляются при

последующих раундах репликации. Авторы приходят к следующим

выводам: (1) возникновение подобных мутаций происходит

неслучайно, но зависит от особенностей первичной структуры

ДНК в месте перестройки; (2) в основе структурных перестроек

ДНК лежат ошибки репликации; (3) принципиально сходные моде-

ли эндогенного мутагенеза характерны как для делеций, так и

для инсерций. Считается, что именно механизм скользящего на-

рушения спаривания ответственен за мутации экспансии, приво-

дящие к быстрому увеличению числа тринуклеотидных повторов и

к нарушению работы соответствующих генов, а также за высокую

изменчивость, наблюдаемую во многих местах локализации мини-

и микросателлтных тандемных повторов.

Недавно показано, что повышенной эндогенной мутаген-

ностью обладают вообще все последовательности ДНК, находящи-

еся в определенном конформационном состоянии, а именно в

состоянии изгиба (bent DNA) (Milot et al.,1992). Известно,

что такая конформационная структура ДНК свойственна промо-

торным частям генов, местам начала репликации (origins of

replication), местам контакта хромосом с ядерным матриксом.

Именно эти участки ДНК являются местами посадки ферментов

топоизомераз, вовлеченных в процессы репликации, транскрип-

ции, рекобинации, в том числе, как оказалось, и в процесс

негомологичной (незаконной -illegitimate) рекомбнации. Уста-

новлено, что именно негомологичная рекомбинация может приво-

дить не только к внутригенным делециям, дупликациям и другим

мутациям на молекулярном уровне, но и является одной из

основных причин крупных структурных хромосомных перестроек

типа транслокаций, инверсий и других.

Замены или утраты отдельных оснований в геномной ДНК

могут возникать в результате нарушения процессов репликации

и репарации. Ошибки в ДНК матрице, вызванные действием пов-

реждающих внешних агентов, либо спонтанной деградацией осно-

ваний закрепляются в последующих циклах репликации. Основные

типы спонтанной деградации включают потерю оснований и про-

цесс дезаминирования. Особенно чувствительны к дезаминирова-

нию цитозиновые остатки. Установлено, что у позвоночных поч-

ти половина всех цитозиновых остатков в ДНК метилирована в

5-ом положении. Процесс метилирования особенно часто захва-

тывает области повторов 5'CpG 3', расположенные как внутри

генов, так и в их промоторных частях. При дезаминировании

5-метилцитозин превращается в тимин. В цикле последующей

репликации, возникший в результате дезаминирования мисмэтч

(T-G) может либо коррегироваться в нормальный вариант (С-G),

либо приводить к мутациям типа трансцизий (Т-G) или (С-А).

Естественно, что гены, имеющие в своей структуре большой

процент CpG оснований, особенно часто подвергаются спонтан-

ному мутированию типа трансцизий. В частности, преобладание

подобных точечных мутаций известно для генов факторов IX и

VIII свертывания крови, для гена фенилкетонурии и других.

Так, из 76 мутаций гена фактора IX в 21 случае найдены

трансцизии CpG - TpG или СрА (Green et al.,1990). Преоблада-

ние таких мутаций отмечено и в 22 CpG дуплетах гена фенила-

ланингидроксилазы у больных фенилкетонурией (Abadie et

al.,1989).

Другим важным фактором эндогенного мутагенеза является

наличие тесно сцепленных с генами гомологичных последова-

тельностей ДНК (псевдогенов). В мейозе такая ситуация неред-

ко приводит к неравной гомологичной рекомбинации и, как

следствие этого, к генной конверсии, сопровождающейся струк-

турными перестройками типа делеций, дупликаций и т.п. Подоб-

ный механизм мутаций, как оказалось, является доминирующим

для гена 21-гидроксилазы (Morel, Miller,1991), а также для

гена фактора VIII свертывания крови (Lakich et al.,1993).

Важная роль ошибок рекобинации в этиологии структурных поло-

мок гена особенно очевидна при анализе гена дистрофина, му-

тации которого ведут к миопатии Дюшенна. Известно, что в 60%

случаев мутации этого гена представляют собой делеции, зах-

ватывающие один или несколько соседних экзонов. Известно

также, что подавляющее большинство делеций сосредоточено в

двух "горячих" районах этого гигантского по размерам гена

(2,2 Мб), и при этом частота внутригенных рекомбинаций почти

в 4 раза больше, чем можно предполагать, исходя из его раз-

меров (Oudet et al.,1992). Любопытно отметить, что в одной

из этих горячих точек (интрон 7) недавно обнаружен кластер

транспозоноподобных повторяющихся последовательностей.

Удельный вес мобильных (транспозонподобных) элементов типа

Alu и Line повторов (см. Главу 2) в возникновении генных му-

таций до конца не выяснен. Имеются единичные наблюдения о

реальном перемещнии этих элементов по типу конверсии и их

интеграции в структурные гены аденозиндезаминазы, аполипоп-

ротеина С, факторов VIII и IX свертывания крови, кальмодули-

на (Vidaud et al.,1993).

Раздел 5.4 Механизмы поддержания и распространения му-

таций в популяциях.

Частоты и характер распределения мутаций в популяциях

зависят от многих факторов, главными из которых являются

частоты мутагенеза и давление естественного отбора. Значи-

тельное влияние на этот процесс оказывают также структурные

особенности популяций, такие как размеры, степень географи-

ческой и этнической изолированности, величина инбридинга,

характер миграции населения.

Для всех мутаций, возникающих за счет повышенного уров-

ня спонтанного мутагенеза, характерны следующие особенности

- неслучайный характер внутригенной локализации мутаций,

сходство типов нарушений при отсутствии полной молекулярной

идентичности между ними. В отличие от спонтанных мутаций,

вызыванных эндогенными причинами, для мутаций, индуцирован-

ных действием неблагоприятных факторов внешней среды, про-

мышленными и сельскохозяйственными вредностями, ионизирующим

облучением, химическими агентами и прочим, специфики в типах

мутаций и в характере их локализации не наблюдается. В попу-

ляциях, находящихся в области действия таких неблагоприятных

факторов, будет повышена частота мутаций в различных генах,

однако спектр индуцированных мутаций будет достаточно разно-

образным.

Рассмотрим теперь влияние отбора на процесс поддержа-

ния и распространения мутаций в популяциях. Многие гены мо-

ногенных наследственных заболеваний рецессивны, то есть му-

тации в них в гетерозиготном состоянии не оказывают вредного

влияния на жизнеспособность. Поэтому после возникновения му-

тация может распространяться в популяции до определенной

концентрации, практически не подвергаясь элиминирующему

действию естественного отбора. В дальнейшем частота этой му-

тации достигнет равновесного состояния и не будет повышаться

за счет выщепления гомозиготных особей, жизнеспособность и

репродуктивные качества которых резко снижены. При этом ско-

рость элиминации мутации из популяции резко замедляется при

снижении ее частоты и, практически, после возникновения му-

тация может сохраняться в популяции на протяжении многих

десятков и даже сотен поколений. Различные мутации могут

случайным образом получить большее распространение в изоли-

рованных популяциях или среди групп населения, отличающихся

повышенным уровнем инбридинга. В целом, при отсутствии дав-

ления отбора по отношению к гетерозиготным особям общая кон-

центрация мутантных аллелей в популяции определяется часто-

той их спонтанного возникновения, при этом пул мутаций будет

состоять из большого количества разнообразных аллелей, каж-

дый из которых будет представлен редкими или даже единичными

случаями в различных популяциях.

Однако, специфические мутации могут получить значи-

тельно более широкое распространение в тех случаях, когда

гетерозиготные особи имеют какие-либо селективные преиму-

щества. Таким эффектом может обладать сама мутация, но более

вероятна возможность неравновесности по сцеплению между этой

мутацией и селективными аллелями другого локуса. Гетерозиго-

ты могут получить преимущество при изменении условий окружа-

ющей среды, в каких -то экстремальных ситуациях или среди

определенных групп населения. Так например, мутации, повыша-

ющие устойчивость организма к действию инфекционных агентов,

могут получить широкое распространение в период массовых

эпидемий. Одновременно повысится частота всех аллелей других

локусов, находящихся в неравновесности по сцеплению с данной

мутацией. Мутантные аллели, обеспечивающие селективное преи-

мущество гетерозигот, становятся преобладающими во многих

популяциях, не полностью изолированных друг от друга. При

этом наибольшая частота таких аллелей будет наблюдатся в ра-

йонах, где влияние поддерживающего отбора было максимальным

(например, в эпицентре эпидемии). По мере удаления от этого

района концентрация таких мутантных аллелей будет умень-

шаться, причем их распределение в разных популяциях будет

коррелировать с характером миграции населения. Подобный ха-

рактер распределения определенного мутантного аллеля в

частично изолированных популяциях принято связывать с так

называемым эффектом основателя или родоначальника.

Исследование спектров распределения мутаций в различ-

ных популяциях позволяет делать предположения относительно

возможного происхождения таких повреждений и тех механизмов,

которые лежат в основе их распространения среди населения.

Рассмотрим наиболее вероятные интерпретации различных

вариантов распределения аллелей в популяциях. Мутации,

представленные у единичных больных или в группе родственных

индивидуумов и не имеющие специфической внутригенной локали-

зации, по-видимому, являются следствием естественного мута-

ционного процесса. Если в каких-то популяциях концентрация

мутаций в различных генах повышена, вероятно, они находятся

в зоне действия внешних неблагоприятных факторов, индуцирую-

щих возникновение нарушений в структуре ДНК. В тех случаях,

когда локализация и типы мутаций носят специфический харак-

тер можно предполагать наличие особых молекулярных механиз-

мов контроля повышенного уровня мутагенеза в определеннных

районах генома. Распространение специфических мутаций в изо-

лированных популяциях происходит за счет их ограниченного

размера и повышенного уровня инбридинга (эффект родоначаль-

ника). И, наконец, обнаружение градиентного распределения

мутаций, превалирующих в различных, частично изолированных

популяциях позволяет предполагать селективное преимущество

гетерозиготных носителей мутаций на определенных этапах эво-

люционного развития.

Таким образом, сопоставляя спектры распределения одно-

типных мутаций у жителей разных континентов, разных стран, у

людей, принадлежащих к различным расам и национальностям

можно определить степень генетической близости между всеми

этими группами и реконструировать их филогенетические отно-

шения (Cavalli-Sforza,Piazza,1993). Одним из практических

следствий этих исследований является возможность прогнозиро-

вать наиболее вероятные мутации в различных генах у пациен-

тов разного этнического происхождения, что приводит к суже-

нию спектра поиска специфических мутаций. Особый интерес в

этом смысле представляют наиболее распространенные мутации

(например delF508 при муковисцидозе; R408W - при фенилкето-

нурии и многие другие). Для профилактики наследственных за-

болеваний необходима разработка эффективных и простых мето-

дов молекулярной диагностики таких мутаций как у больных,

так и у гетерозиготных носителей с целью проведения скрини-

рующих программ среди населения и выявления максимально воз-

можного числа семей с повышенным риском рождения больного

ребенка.

ГЛАВА VII.

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕНАТАЛЬНОЙ ДИАГ-

НОСТИКИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ.

Раздел 7.1 Прямые и косвенные методы молекулярной диаг-

ностики.

Локализация и клонирование кДНК-овых последовательнос-

тей генов открывают принципиально новые возможности диагнос-

тики наследственных заболеваний, основанные на исследовании

мутантных аллелей у пациентов, членов их семей или у предпо-

лагаемых гетерозиготных носителей патологических мутаций.

Это в равной мере относится и к пренатальной диагностике,

которая может быть проведена с использованием молекулярных

методов анализа на самых ранних стадиях развития плода

(см.7.5). Эти же подходы вполне приемлемы для диагностики до

появления каких-либо клинических или биохимических симптомов

болезни (досимптоматическая диагностика), что позволяет вы-

работать и начать рациональную тактику лечения (упреждающая

терапия), а также эффективно выявлять гетерозиготных носите-

лей в семьях высокого риска, что является важным фактором

профилактики наследственных болезней. Решающими преимущест-

вами молекулярной диагностики являются её универсальность,

возможность использовать для анализа любые ДН-содержащие

клетки или ткани, причем анализ может быть произведен на лю-

бых стадиях онтогенеза, начиная со стадии зиготы.

Принципиально различают прямую и непрямую ДНК-диагнос-

тику мононогенных наследственных болезней. В общем случае,

использование прямых методов диагностики возможно лишь для

клонированных генов с известной нуклеотидной последователь-

ностью полноразмерной кДНК, при этом необходимо предвари-

тельное генотипирование мутантных аллелей у родителей. В

случае прямой диагностики обьектом молекулярного анализа яв-

ляется сам ген, точнее мутации этого гена, идентификация ко-

торых и составляет основную задачу исследования. Такой под-

ход особенно эффективен при наличии точной информации о при-

роде, частоте и локализации наиболее распространенных (доми-

нирующих по частоте) мутаций соответствующих генов, а также

о наличии в них особенно легко мутирующих "горячих" точек. К

таковым относятся мутация delF508 и ряд других мутаций при

муковисцидозе, делеционные мутации при миодистрофии Дюшенна,

мутация R408W при фенилкетонурии, инверсионная мутация при

гемофилии А, протяженная делеция при адрено-генитальном

синдроме, экспансии триплетных повторов в случае "динамичес-

ких" мутаций при синдроме ломкой X-хромосомы и при ряде дру-

гих нейродегенеративных заболеваний (см. Главы IV и X). Ме-

тоды, используемые для направленного поиска этих мутаций,

подробно рассмотрены в Главе IV. В ряде случаев (муковисци-

доз, фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия) эти методы

удалось автоматизировать, что позволяет одноверменно тести-

ровать сразу несколько (до 30 и более) различных мутаций.

При этом появляется реальная возможность выявлять свыше

95-98% мутантных хромосом, что делает целесообразным и эко-

номически оправданным скринирование всей популяции отдельных

стран на выявление мутантных особей для последующей органи-

зации эффективных профилактических мероприятий, направленных

на предупреждение рождения больных детей. Подобные программы

по муковисцидозу уже успешно проводятся в ряде стран Запад-

ной Европы (Великобритания, Дания, Франция) и Северной Аме-

рики.

Главное преимущество прямого метода - это высокая, до-

ходящая до 100%, точность диагностики и отсутствие необходи-

мости анализа всей семьи на предмет её информативности

(см.ниже). Последнее обстоятельство особенно важно для про-

ведения пренатальной диагностики тяжелых, зачастую летальных

наследственных болезней (муковисцидоз, миодистрофия Дюшен-

на, гемофилия А и др). Такие семьи нередко обращаются за ме-

дико-генетической помощью уже после того как больной ребенок

умер. Так, по нашим наблюдениям до 80% семей с высоким рис-

ком муковисцидоза обращаются по поводу необходимости дородо-

вой диагностики уже после смерти больного ребенка (Baranov

et al., 1992).

Однако, существует огромное количество наследственных

болезней, для которых мутации не описаны либо не найдено ма-

жорных мутаций в исследуемых популяциях. И даже во всех тех

случаях, когда имеются мажорные мутации, наряду с ними, опи-

саны многочисленные редко встречающиеся (вплоть до единичных

случаев), так называемые минорные мутации. Кроме того, всег-

да сохраняется возможность присутствия у пробанда неизвест-

ных мутаций, а клонирование гена больного человека для целей

прямого секвенирования, даже ограниченного только смысловой

его частью - кДНК, далеко не всегда возможно в силу очевид-

ных финансовых и временных ограничений такого подхода. Эти

трудности успешно преодолеваются благодаря наличию непрямых

(косвенных) методов молекулярной диагностики.

Этот исторически более ранний подход основан на исполь-

зовании сцепленных с геном полиморфных маркеров, с помощью

которых проводится идентификации мутантных хромосом (точнее

хромосом, несущих мутантный ген) в семьях высокого риска, то

есть у родителей больного и его ближайших родственников. В

настоящее время косвенные методы молекулярной диагностики

принципиально возможны практически для всех моногенных забо-

леваний с известной локализацией контролирующего гена, для

каждого из которых уже разработана удобная система вне- и

внутригенных полиморфных индексных маркеров (см.Главу III).

Более того, косвенные методы молекулярной диагностики

пригодны даже для тех болезней, гены которых еще не иденти-

фицированы и мутации не известны. Единственным и непременным

условием этого является наличие полиморфных сайтов рестрик-

ции либо коротких тандемных повторов типа STR, находящихся в

непосредственной близости от мутантного гена или, что еще

лучше, внутри него (чаще всего в интронах). При помощи этих

полморфных сайтов удается маркировать мутантные аллели гена

и проследить их передачу потомству (см. Главу 111). Ранние

иследования непрямым методом проводились почти исключительно

с использованием полиморфных сайтов рестрикции - двухаллель-

ной системы, информативная емкость которой не превышает 50%,

а реальное число гетерозигот по данному признаку в популя-

ции, зачастую, оказывается существенно ниже 0.5. Следова-

тельно, в лучшем случае только половина гетерозиготных носи-

телей наследственного заболевания, вызванного рецессивной

мутацией какого-нибудь гена, может быть доступна непрямой

молекулярной диагностике с использованием одного полиморфно-

го сайта рестрикции. Повышение информативности в случае

ПДРФ-анализа могло быть достигнуто только путем увеличения

числа полиморфных сайтов. Как првило, для диагностики необ-

ходим не один, а 3-4 полиморфных сайта, что далеко не во

всех случаях возможно. Многие из полиморфных сайтов локали-

зованы вне генов на расстояниях, при которых кроссинговер

может в заметном проценте случаев исказить результаты диаг-

ностики. Кроме того, практическое использование рестрикцион-

ных сайтов зачастую затруднено из-за отсутствия или большой

стоимостью соответствующих эндонуклеазных рестриктаз.

Все эти недостатки могут быть устранены при использова-

нии в качестве молекулярных маркеров высокополиморфных тан-

демно повторяющихся коротких три- и тетрамерных повторов

(STR) (см. Главу III). Для многих генов найдены уникальные

паттерны полиморфных аллелей, отличающихся по числу "коро-

вых" едининц повторяющихся последовательностей нуклеотидов.

Такие "количественные" полиморфизмы , как уже упоминалось

(см.Главу III), очень широко распространены по всему геному

и присутствуют в интронных и фланкирующих областях многих

генов. Появление в конце 1994г 0.7-сантиморганной карты ге-

нома человека, построенной на базе высокополиморфных динук-

леотидных (C-A)n повторов, сделало реальным маркирование,

практически, любого картированного гена. Особенную диагнос-

тическую ценность представляют внутригенные маркеры, для ко-

торых резко снижена вероятность кроссинговера с мутантными

аллелями гена, а следовательно, особенно высока точность ди-

агностики. Кроме того, как оказалось, многие внутригенные

полиморфные короткие тандемные повторы обнаруживают сильное

неравновесие по сцеплению с определенными мутантными аллеля-

ми гена, что значительно облегчает их идентификацию в отяго-

щенных семьях. Индекс гетерозиготности таких полиаллельных

мини- и микросателитных систем нередко превышает 0.8. Их

применение позволяет маркировать, то есть сделать информа-

тивными (см. 7.4) для ДНК-диагностики практически все семьи

высокого риска при условии наличия больного ребенка или дос-

тупности для молекулярного анализа его патанатомического ма-

териала .

Изучение полиморфных маркеров у больного пробанда и его

родителей и выяснение аллельной природы молекулярного марке-

ра, так называемое "определение фазы сцепления" (см.раздел

7.4), составляет основу для дальнейшей диагностики косвенны-

ми методами (Евграфов, Макаров,1987). Применение косвенных

методов молекулярной диагностики предусматривает также в ка-

честве обязательного предварительного этапа исследование

частоты аллелей соответствующих полиморфных сайтов в анали-

зируемых популяциях, среди больных и гетерозиготных носите-

лей мутаций, а также определение вероятности рекомбинации и

неравновесности по сцеплению между маркерными сайтами и му-

тантными аллелями гена. Такие исследования проводятся с по-

мощью методов блот-гибридизации по Саузерну, либо ПЦР

(см.разделы 1.3.; 1.7; 2,5). В первом случае в распоряжении

исследователя должны быть соответствующие ДНК-зонды, во вто-

ром - должны быть известны нуклеотидные последовательности

районов ДНК, включающие соответствующие полиморфные сайты,

для выбора олигопраймеров (см. Главы II,1V).

Раздел 7.2. ДНК-диагностика при различных типах насле-

дования.

Напомним, что значительное число моногенных заболеваний

наследуется по рецессивному типу. Это значит, что при ауто-

сомной локализации соответствующего гена болеют только гомо-

зиготные носители мутаций. Гетерозиготы клинически здоровы,

но с равной вероятностью передают своим детям мутантный или

нормальный варианты гена. Таким образом, на протяжении дли-

тельного времени мутация в скрытом виде может передаваться

из поколения в поколение. При аутосомно-рецессивном типе

наследования в родословных тяжелых больных, которые либо не

доживают до репродуктивного возраста, либо имеют резко сни-

женные потенции к размножению, редко удается выявить больных

родственников, особенно, по восходящей линии. Исключение

составляют семьи с повышенным уровнем инбридинга, который

возникает либо за счет высокой частоты близкородственных

браков, либо за счет вступления в брак людей из одинаковых

изолированных популяций ограниченной численности. Больные

дети с вероятностью 25 % рождаются в тех семьях, где оба ро-

дителя являются гетерозиготными носителями мутаций одного и

того же гена. Возможно также рождение больного ребенка в та-

кой семье, где только один из супругов несет мутацию, а вто-

рая мутация возникла в гамете его партнера в момент, пред-

шествующий оплодотворению. Доля таких семей в общей группе

риска относительно невелика, а риск повторного рождения в

них больного ребенка не превышает общей частоты спонтанного

возникновения мутаций в данном гене. Для болезней, сцеплен-

ных с полом, то есть контролируемых генами, локализоваными в

Х-хромосоме, характерно то, что болеют преимущественно маль-

чики, тогда как носителями являются девочки.

Y-хромосома содержит очень мало генов, большинство из

которых (около 10) картировано в так называемой псевдоауто-

сомной области короткого плеча, гомологичной таковой на ко-

ротком плече X-хромосомы. Важнейшим истинным геном Y-хромо-

сомы, то есть геном, представленным только на этой хромосо-

ме, является ген SRY (Yp21.1), детерминирующий развитие пола

по мужскому типу. Мутации этого регуляторного гена приводят

к нарушениям половой дифференцировки (XY-женщины), а его пе-

ренос вследствие ошибок рекомбинации псевдоаутосомных райо-

нов на короткое плечо X-хромосомы обусловливает синдром ре-

версии пола- Sex reverse (XX-мужчины) (McElreavey et al.,

1993). Практически важно, что присутствие даже небольшого

околоцентромерного фрагмента длинного плеча Y-хромосомы при

кариотипе XX является безусловным показанием для удаления

зачатков гонад у таких индивидуумов в связи с высокой веро-

ятностью экспрессии гена Gba, ведущего к их злокачественному

перерождению - гонадобластоме (Giquel et al., 1992). В отли-

чие от Y-хромосомы, большая по размеру X-хромосома человека

несет до 5% всех структурных генов, многие из которых уже

идентифицированы (см. Главу III).

Все рецессивные аллели Х-хромосомы у мальчиков проявляют-

ся, так как находятся в гемизиготном состоянии. Девочки мо-

гут болеть в том случае, если они гомозиготны по мутации.

Такая возможность может осуществиться в семье, где болен их

отец, а мать является носительницей мутации и передала доче-

ри свой мутантный аллель. Если отец больной девочки здоров,

можно предполагать, что мутация возникла в той его гамете,

которая участвовала в оплодотворении. Х-сцепленные заболева-

ния у девочек (миодистрофия Дюшенна, гемофилия А) могут быть

следствием сочетанного проявления мутации этих генов у одно-

го из родителей и делеции соответствующих фрагментов хромо-

сом у другого. В этих редких случаях у девочек, как и у

мальчиков, мутации Х-сцепленных генов будут находиться в ге-

мизиготном состоянии

При доминантном наследовании для развития болезни дос-

таточно одного мутантного аллеля. Такие больные с вероят-

ностью 50% рождаются в семьях, где один из родителей болен.

Очень редко больные дети с доминантным типом наследования

могут родиться и у здоровых родителей в результате мутирова-

ния одной из гамет. Однако, вероятность повторного рождения

больного ребенка в такой семье такая же, как и для популяции

в целом. Пренатальная диагностика доминантных болезней про-

водится достаточно редко по ряду причин. Во-первых, такие

болезни составляют относительно небольшой процент среди всех

моногенных заболеваний. Во-вторых, тяжелые болезни, сопро-

вождающиеся летальным исходом в раннем возрасте или приводя-

щие к бесплодию, не передаются по наследству, а появляются

каждый раз заново вследствие мутации при созревании гамет.

Необходимость же предотвращения рождения больных, которые не

только доживают до репродуктивного возраста, но и способны

оставить потомство, является вопросом дискуссионным. Прове-

дение пренатальной диагностики таких заболеваний принимается

с учетом многих конкретных обстоятельств. Актуальность этой

проблемы стала особенно очевидной в последние годы, когда

была открыта многочисленная группа доминантных нейродегене-

ративных заболеваний (см. Главу IV), которые проявляются

сравнительно поздно, нередко уже в репродуктивном возрасте,

тяжело протекают и, по-сути, не имеют сколько-нибудь реаль-

ной терапии. Для таких заболеваний первостепенное значение

приобретают методы досимптоматической диагностики с исполь-

зованием методов ДНК-анализа (см.Главу X).

Значительно больше распространены моногенные болезни с

частичным доминированием и неполной пенетрантностью. Для по-

добных заболеваний риск рождения больного ребенка в отяго-

щенной семье зависит от конкретных значений этих параметров,

которые, в свою очередь, определяются молекулярными механиз-

мами, лежащими в основе формирования такого рода отклонений

от Менделевского типа наследования.

Разработка молекулярных методов диагностики болезней,

вызванных мутациями в митохондриальных генах, как показывают

исследования последних лет (McKusick, 1994), приобретает

особое значение. Как правило, в основе различных митохондри-

альных болезней лежат нарушения в системе окислительного

фосфорилирования. Поскольку некоторые ткани обладают повы-

шенной чувствительностью к подобным нарушениям, сходная кли-

ническая картина заболеваний может наблюдаться вследствие

мутаций разных митохондриальных генов. Наследование таких

болезней значительно отличается от Менделевского типа, в

превую очередь, из-за материнского характера наследований

митохондрий, наличия в зиготе и соответственно во всех клет-

ках организма большого числа копий митохондриальных хромо-

сом, из-за особенностей сегрегации этих хромосом при делении

клеток и, наконец, из-за тех количественных и качественных

изменений в митохондриальной ДНК, которые соровождают про-

цессы онтогенетической дифференцировки клеток и старения ор-

ганизма.

Для всех "митохондриальных болезней" характерен мате-

ринский тип наследования и присутствие мутантных аллелей

только в части хромосом (так называемая гетероплазмия), доля

которых может варьировать в разных тканях. Как правило, су-

ществует определенное пороговое значение доли мутантных хро-

мосом, превышение которого ведет к появлению и прогрессиро-

ванию заболевания. Сокращение числа митохондрий, происходя-

щее в норме при старении, может способствовать увеличению

доли мутантных хромосом в определнных тканях и тем самым

быть причиной болезни. Неслучайно поэтому, что для многих

"митохондриальных болезней", характерно позднее начало. В

силу функциональных особенностей митохондриальных генов час-

то наблюдается кумулятивный эффект двух и более мутаций, ло-

кализованных в разных генах. Важным представляется также то

обстоятельство, что в митохондриальных генах OXPHOS-комплек-

са частота возникновения мутаций выше, чем в ядерных генах,

кодирующих субьединицы окислительного фосфорилирования

(McKusick, 1994).

Раздел 7.3. Группы риска, поиск гетерозиготных носите-

лей мутаций.

Как следует из вышеизложенного, точная диагностика в

сочетании с детальным анализом типа наследования того или

иного заболевания имеет определяющее значение для формирова-

ния групп риска, то есть отбора семей, в которых вероятность

рождения больных детей повышена. Прежде всего, это те семьи,

где уже есть или был ребенок, страдающий каким-либо моноген-

ным наследственным заболеванием. Для аутосомно-рецессивных

болезней с большой долей вероятности можно считать, что оба

родителя этого ребенка являются гетерозиготными носителями

мутантных аллелей соответствующего гена и риск повторного

рождения больного ребенка в такой семье составляет 25%, не-

зависимо от исхода предыдущих родов. Поэтому в таких случаях

рекомендуется обязательная пренатальная диагностика плода

при каждой последующей беременности.

Для сцепленных с полом заболеваний важной практической

задачей является выявление случаев спонтанного возникновения

мутаций в родительском поколении. Для таких распространенных

заболеваний, как миодистрофия Дюшенна и гемофилия А, почти

1/3 всех случаев имеет спонтанное происхождение. При этом

мутации гена дистрофина, как правило, возникают в оогенезе,

то есть у матери, а мутации гена фактора Y111, обычно, появ-

ляются во время сперматогенеза у деда больного ребенка (см.

Главу X). В отличие от тех семей, в которых мать гетерози-

готна, вероятность повторного рождения больного ребенка в

семьях со спонтанной мутацией не превышает среднепопуляцион-

ной частоты, и потому нет необходимости проводить пренаталь-

ную диагностику плода при последующих беременностях. Специ-

ального рассмотрения в этой связи заслуживает,однако, вопрос

гонадного мозаицизма, то есть наличия в гонадах матери гене-

тически нормальных и мутантных ооцитов. Особенно велик риск

такого состояния в случае миодистрофии Дюшенна. Гонадный мо-

зацизм в силу своей органной специфики достаточно трудно до-

казать или опровергнуть. Между тем, считается что 6,7% спо-

радических случаев иодистрофии Дюшенна обусловлена гонадным

мозаицизмом у матери (Essen et al.,1992).

Подробное медико-генетическое консультирование семей, в

которых зарегистрированы спонтанные случаи рождения детей с

Х-сцепленными заболеваниями в сочетании с соответствующими

лабораторными, в том числе и молекулярными исследованиями,

как правило, позволяют ответить на вопрос о происхождении

мутации. Так,гетерозиготное носительство у матери может быть

заподозрено, в частности, по содержанию соответствующих бел-

ковых продуктов (например, фактора Y111 свертывания крови

при гемофилии А; дистрофина в мышцах и креатинкиназы в сыво-

ротке крови при миодистрофии Дюшенна) либо при помощи специ-

альных ДНК-методов, позволяющих идентифицировать мутантный

аллель у матери. Если дифференцировка этих случаев невозмож-

на или доказано, что мутация у больного ребенка не является

спонтанной, следует предпологать, что мать является гетеро-

зиготной носительницей и с 50%-ой вероятностью будет переда-

вать болезнь своим сыновьям. В этом случае пренатальная ди-

агностика обязательна и должна сопровождаться определением

пола плода. Следует, однако, подчеркнуть, что установление

мужского пола плода на сегодняшний день отнюдь не является

показанием для прерывания беременности, поскольку в 50% слу-

чаев они получают от матери X-хромосому с нормальным аллелем

гена и являются вполне здоровыми. Определить, какую именно X

-хромосому (с нормальным или мутантным аллелем) получил бу-

дущий мальчик, и является задачей молекулярной диагностики.

С помощью прямых и непрямых методов ДНК-диагностики эта за-

дача уже практически решается для очень многих сцепленных с

полом заболеваний (см.Главу X).

Наиболее эффективной мерой профилактики наследственных

заболеваний является выявление гетерозиготных носителей му-

таций, так как при этом удается предотвратить рождение пер-

вого больного ребенка в семьях высокого риска. Родственники

больного с большой вероятностью могут быть гетерозиготными

носителями мутантных аллелей, поэтому в тех случаях, когда

это возможно, они подлежат обследованию в первую очередь.

Для болезней, сцепленных с полом, это родственники по женс-

кой линии - сестры, дочери и тетки пробанда. Их диагностика

особенно важна, так как вероятность рождения больных сыновей

в потомстве носительниц мутаций очень высока и не зависит от

генотипа супруга. При аутосомно-рецессивных заболеваниях по-

ловина сибсов родителей и 2/3 здоровых сибсов больного будут

гетерозиготными носителями мутации. Поэтому в тех семьях,

где принципиально возможна молекулярная идентификация му-

тантных аллелей, необходимо обследовать максимальное число

родственников больного пробанда для выявления гетерозиготных

носителей. Иногда в больших семьях с разветвленными родос-

ловными удается проследить наследование неидентифицируемых

мутаций с помощью косвенных методов молекулярной диагности-

ки.

Для заболеваний, распространенных в определенных попу-

ляциях или в каких-то этнических группах и обусловленных

присутствием одного или нескольких преобладающих и легко

идентифицируемых мутантных аллелей, возможно проведение то-

тального скрининга на гетерозиготное носительство этих мута-

ций среди определенных групп населения, например, среди бе-

ременных женщин или среди новорожденных. Считается, что по-

добный скрининг экономически оправдан в том случае, если при

проведении процедуры выявляются аллели, составляющие не ме-

нее 90 - 95 % всех мутаций данного гена в исследуемой попу-

ляции. Выявленные при подобных обследованиях носители мута-

ций также составляют группу риска, и в последующем должны

быть аналогичным образом протестированы их супруги. Однако,

даже в том случае, если мутация найдена только у одного из

родителей, вероятность рождения больного ребенка несколько

выше популяционной частоты, но, конечно, значительно меньше

25%. Конкретное значение этого риска зависит от общей часто-

ты мутаций соответствующего гена в популяции. В таких семьях

по желанию родителей также может быть проведена пренатальная

диагностика и прослежено наследование мутантного аллеля. При

отсутствии этой мутации у плода прогноз считается благопри-

ятным, независимо от того, какие аллели ребенок получит от

второго супруга.

Раздел 7.4 Особенности применения молекулярных методов

в пренатальной диагностике моногенных болез-

ней.

Следующим шагом после отбора нуждающейся в пренатальной

диагностике семьи является комплексное молекулярное обследо-

вание ее членов - родителей и, если есть такая возможность,

больного ребенка. Эти исследования могут быть достаточно

длительными и поэтому желательно их проводить до наступления

беременности. Результаты молекулярного обследования семьи

служат основой для назначения и выбора способов проведения

пренатальной диагностики. После этого семья планирует бере-

менность, и в определенные сроки женщина поступает в клинику

для проводения процедуры, обеспечивающей забор необходимых

для диагностики тканей плодного происхождения. При этом сле-

дует учитывать, что определение конкретных сроков этой про-

цедуры зависит от многих медицинских показаний (в превую

очередь, акушерских), обеспечивающих максимальную безопас-

ность подобного инвазивного вмешательства как для матери,

так и для будущего ребенка (Баранов и др.,1994; Бара-

нов,1994).

Наиболее объективная информация о наличии моногенного

наследственного заболевания у плода может быть получена при

анализе его ДНК и обнаружении мутационных изменений в коди-

рующих или регуляторных последовательностях соответствующих

генов. Практическая диагностика мутантных аллелей в семьях

высокого риска проводится для заболеваний с известным спект-

ром наиболее часто встречающихся мутаций. При этом для каж-

дой болезни разрабатываются относительно простые и наиболее

эффективные методы идентификации мутантных аллелей. В насто-

ящее время насчитывается уже несколько сотен таких заболева-

ний и количество их быстро увеличивается (Baranov,1993; Ба-

ранов,1994; см.Главу X).

Для генотипирования мутаций, то есть для выяснения при-

роды мутантных аллелей у больного и его родителей использу-

ются различные стандартные методы, подробно изложенные в

главе IV. Выбор конкретного метода зависит от типа предпола-

гаемых мутаций и от методических возможностей диагностичес-

ких центров. При отсутствии у пробанда наиболее частых и ра-

нее описанных мутаций его ДНК может быть направлена в специ-

ализированные молекулярно- генетические лаборатории для бо-

лее тщательного анализа с использованием всего комплекса ме-

тодов идентификации мутаций вплоть до получения и секвениро-

вания мутантных кДНК- вых последовательностей гена. Однако,

подобные исследования очень дороги, требуют много труда и

времени и потому в обычной клинической практике используются

достаточно редко. В этих случаях чаще прибегают к косвенным

методам молекулярной диагностики (см. раздел 7.1). Для мно-

гих заболеваний, эти методы все еще остаются единственно

возможными (см.Главу X). Однако, как уже указывалось, они

требуют обязательного обследования полной семьи, включая

больного ребенка. При его отсутствии молекулярное маркирова-

ние мутантных генов у гетерозиготных родителей становится

невозможным, а, следовательно, невозможна и пренатальная ди-

агностика.

Идентификацию мутантных генов осуществляют путем срав-

нения маркерных генотипов родителей и больного ребенка. Если

не произошел кроссинговер между маркерным локусом и геном,

все больные дети в семье должны иметь одинаковый маркерный

генотип. Поэтому при проведении пренатальной диагностики

сходство генотипов плода и пробанда является необходимым,

однако в ряде случаев, вовсе не достаточным условием для

подтверждения наличия заболевания. Так, например, у гомози-

готных по маркеру родителей все дети будут иметь одинаковый

генотип по этому локусу независимо от присутствия мутантных

аллелей гена. Необходимым условием дифференцировки нормаль-

ных и мутантных генов у носителей мутаций является их сцеп-

ление с разными аллелями маркерного локуса. Поэтому, дискри-

минация мутантных генов у родителей возможна только с по-

мощью гетерозиготных маркеров. При этих условиях мутантные

гены родителей могут быть определены по тем маркерным алле-

лям, которые присутствуют у больного ребенка. Однако, иден-

тификация по маркерным аллелям обоих мутантных генов возмож-

на лишь в тех случаях, когда родители гетерозиготны, а про-

банд (больной) гомозиготен по маркерному локусу.

Возможность идентификации мутантных генов родителей на

основе анализа маркерных генотипов определяет информатив-

ность семьи по отношению к данному маркеру. На Рис.7.1

представлены возможные маркерные генотипы в полностью и час-

тично информативных, а также в неинформативных семьях при

определении их путем блот-гибридизации с ДНК-зондом. Анало-

гичные схемы могут быть составлены и в тех случаях, когда

маркерные генотипы определяются путем анализа содержащих по-

лиморфные локусы амплифицированных фрагментов ДНК. В инфор-

мативных семьях маркерный генотип больного ребенка отличает-

ся от маркерных генотипов обоих родителей и здорового сибса,

поэтому можно проследить наследование мутантных генов при

каждой беременности. В этом случае сходство маркерных гено-

типов пробанда и плода достаточно для неблагоприятного прог-

ноза, а носители мутации будут иметь родительский генотип. В

частично информативных семьях идентифицируется только один

из мутантных генов, так как маркерный генотип больного ре-

бенка совпадает с генотипом одного или даже обоих родителей.

В этом случае при сходстве маркерных генотипов плода и про-

банда вероятность болезни будущего ребенка составляет 50%.

Все дети с другим маркерным генотипом будут здоровы, но по-

ловина из них будет нести один из мутантных аллелей. Неин-

формативный маркер не пригоден для идентификации мутантных

генов, а следовательно, и для проведения молекулярной диаг-

ностики в данной семье. При отсутствии полной информативнос-

ти необходимо исследовать другие сцепленные с геном поли-

морфные локусы и выбрать в качестве маркеров те из них, ко-

торые у родителей пробанда находятся в гетерозиготном состо-

янии. В частично информативных семьях можно проводить прена-

тальную диагностику с такой же степенью достоверности, как и

в полностью информативных семьях, при одновременном исполь-

зованием двух полиморфных локусов, каждый из которых марки-

рует разные мутантные гены обоих родителей. Информативными

оказываются также те семьи, в которых один из мутантных ал-

лелей может быть идентифицирован прямым анализом соответс-

твующего участка гена, а наличие другого мутантного аллеля

доказывается с помощью маркерного локуса. Для многих моно-

генных наследственных заболеваний количество идентифициро-

ванных высокополиморфных локусов, тесно сцепленных с контро-

лирующим геном, достаточно для того, чтобы более 90% семей

высокого риска оказались полностью информативными, а значит,

пригодными для проведения в них пренатальной диагностики с

использоваанием молекулярных методов тестирования состояния

плода.

Таким образом, при отсутствии возможности прямой иден-

тификации соответствующих мутантных аллелей, анализ информа-

тивности семьи следует начинать с наиболее полиморфных мар-

керных локусов. так как при этом больше вероятность того,

что родители больного ребенка окажутся гетерозиготами по

выбранному маркеру. При последующем выборе маркеров важно

также учитывать наличие между ними неравновесности по сцеп-

лению, так как чаще всего информативность семей в отношении

маркеров, находящихся в сильном неравновесии по сцеплению,

будет одинакова. Действительно, неслучайный характер цис- и

транс-расположения аллелей в неравновесных по сцеплению ло-

кусах обуславливает повышенную вероятность таких событий,

при которых гомозиготы по одному из маркеров оказываются го-

мозиготными и по другому. То же самое справедливо и в отно-

шении гетерозигот. Поэтому при анализе информативности

семьи, в первую очередь, следует выбирать маркерные локусы,

находящиеся между собой в равновесии по сцеплению.

Следует также учитывать, что определенные аллели поли-

морфных сайтов, расположенных близко к мутации, возникшей

однократно много лет назад и распросранившейся в популяции,

будут оставаться в очень тесном неравновесии по сцеплению.

Примером может служить неравновесность между delF508 (ориен-

тировочный возраст возникновения 30-50 000 лет) и 6-ти член-

ным тетрамерным повтором TAGG в интроне 6 гена муковисцидоза

(Chebab et al., 1993; Агбанглы и др., 1994). Поэтому в семь-

ях высокого риска с большой долей вероятности, конкретное

значение которой определяется детерминантом неравновесности

по сцеплению, гомозиготы по этому маркерному аллелю, окажут-

ся также гомозиготами и по мутации, то есть будут больны.

Конечно, пренатальный диагноз не может быть основан только

на этой информации, однако, её следует учитывать при выра-

ботке комплексного заключения относительно здоровья будущего

ребенка.

Во всех случаях при использовании косвенных методов мо-

лекулярной диагностики необходимо также помнить, что маркер-

ный генотип плода определяет наличие мутантных генов с точ-

ностью до вероятности кроссинговера между мутантным аллелем

и маркерным локусом. Поэтому, чем ближе расположен маркер по

отношению к мутантному аллелю, тем меньше вероятность ошибки

при проведении пренатальной диагностики. Для того чтобы пол-

ностью избежать или, по крайне мере, резко снизить вероят-

ность такой ошибки, желательно использовать внутригенные

маркеры или проводить одновременное тестирование ДНК плода с

помощью двух маркерных локусов, фланкирующих мутантный ал-

лель. Последний подход особенно оправдан при работе с очень

протяженными генами ( например геном дистрофина длиной около

2,2 миллионов пар оснований), где вероятность внутригенного

кроссинговера по некоторым данным может достигать 2-2,5%.

Раздел 7.5 Доимплантационная диагностика, точность прог-

нозирования.

Следует подчеркнуть, что общий подход к молекулярному

тестированию, практически, не зависит от формы нозологии,

так как для анализа генов и мутантных аллелей используется

один и те же методы (см. Глава IV). При наличии у больного

или у его родителей идентифицируемых мутаций или при нахож-

дении информативных для данной семьи ДНК-маркеров проведение

пренатальной диагностики становится возможным на любой ста-

дии развития и при любом сроке беременности.

ДНК-диагностика на начальных этапах развития человека,

безусловно, имеет свои методические особенности и тесно соп-

ряжена с приемами экстракорпорального оплодотворения и

трансплантации зародышей. Эти обстоятельства позволяют выде-

лить ее в самостоятельное научно-практическое направление -

доимплантационную диагностику генных и хромосомных болезней

(Verlinsky, Kuliev, 1993). Несмотря на очевидные успехи в

этой области, достигнутые в ряде зарубежных лабораторий (до-

имплантационная диагностика муковисцидоза, некоторых X-сцеп-

ленных заболеваний - миодистрофии Дюшенна, синдрома ломкой X

-хромосомы, гемофилии), данное направление исследований все

еще находится на уровне научных разработок и не имеет широ-

кого применения. Объектом ДНК-диагностики на этих стадиях

развития могут служить полярные тельца овулировавших яйцек-

леток и отдельные бластомеры зародыша, полученные методом

микрургии (Рис.7.2). Недостатком этого подхода является

сравнительно невысокий процент (до 30%) приживаемости опери-

рованных зародышей после их искусственной трансплантации в

матку. Подробно с методами доимплатационной диагностики, её

современным состоянием и перспективами можно ознакомиться в

уже цитированной монографии (Verlinsky, Kuliev, 1993). Есть

определенные основания считать, что в связи с быстрым ростом

числа центров экстракорпорального оплодотворения в Рос-

сии, заметным увеличением эффективности их работы, оценивае-

мой по числу наступивших беременностей и родов, методы доим-

плантационной диагностики наследственных болезней будут

привлкать к себе все большое число исследователей. Однако,

практическая значимость такого подхода в виду его высокой

стоимости и недостаточной надежности еще сравнительно долго

будет оставаться проблематичной, по крайней мере, в нашей

стране.

Обобщенный опыт различных молекулярных диагностических

центров мира свидетельствует о том, что оптимальным для пре-

натальной диагностики является первый триместр беременности

(10-12- недели), поскольку при неблагоприятном прогнозе бе-

ременность может быть прервана обычным медицинским абортом.

Зачастую молекулярную диагностику проводят и во втором три-

местре беременности (обычно на 17-21 неделях). Необходимые

для анализа образцы ДНК плода выделяют из биоптатов хориона

(плаценты), клеток амниотической жидкости (амниоцитов) или

из лимфоцитов пуповинной крови при помощи соответствующих

инвазивных процедур - хорионбиопсия, плацентобиопсия, амнио-

центез или кордоцентез, которые проводятся под контролем уль

тразвука (Рис. 7.3). Подробнее об этих методах, их преиму-

ществах и недостатках можно узнать в соответствующих моног-

рафиях и обзорах (Рарр,1992; Баранов, 1994; Баранов и др.,

1994). Диагностика во 2-м триместре беременности нередко по-

казана для неинформативных семей в случае тех нозологий,

пренатальная диагностика которых принципиальна возможна пу-

тем биохимического тестирования первичных нарушений (напри-

мер муковисцидоз) или оценки каких-либо иных проявлений бо-

лезни у плода.

Основным источником ДНК для диагностики в постнатальном

периоде являются лимфоциты крови. Реже для этих целей ис-

пользуют другие ткани и биологические жидкости, содержащие

клеточные элементы (слюна, кости, моча). Если семья частично

информативна (идентифицируется либо доступен молекулярной

маркировке лишь один мутантный аллель), также рекомендуется

диагностика в 1-м триместре беременности, так как она позво-

ляет отвергнуть диагноз у 50% всех плодов при аутосомно-ре-

цессивных заболеваниях, что доказывается отсутствием иденти-

фицируемого мутантного аллеля. В противном случае дальнейшая

тактика определяется исходя из пожеланий женщины и возмож-

ностей для уточнения диагноза на более поздних сроках разви-

тия (II-й триместр беременности). Так, в случае пренатальной

диагностики муковисцидоза результаты молекулярных исследова-

ний могут быть дополнены биохимическим тестированием фермен-

тов амниотической жидкости на 18- 20-й неделях беременности

(Горбунова и др., 1991; Baranov et al., 1992); в случае ге-

мофилии А - прямым серологическим исследованием активности

фактора Y11 свертывания крови (Aseev et al., 1994); в случае

миодистрофии Дюшенна - иммуноцитохимическим анализом дистро-

фина в биоптатах мышц плода (Hoffman et al., 1992) и т.д.

Следует однако подчеркнуть, что современный уровень молеку-

лярных знаний о природе гена, его мутациях и полиморфизмах

позволяет в идеале проводить молекулярную диагностику наибо-

лее частых моногенных заболеваний, практически, во всех слу-

чаях. Возможности молекулярной диагностики в России пока

весьма ограничены ( Baranov, 1993 ;см. Глава X). Кроме того,

ситуация осложняется сравнительно поздним (часто, уже во

время беременности) обращением семей высокого риска на пре-

натальную диагностику, что не позволяет провести молекуляр-

ные исследования ее информативности в полном обьеме. Связано

это, в первую очередь, с плохой информированностью населения

о работе соответствующих медико-генетических служб.

Из всех существующих способов пренатальной диагностики

методы, основанные на анализе ДНК, являются наиболее точны-

ми, так как они выявляют первичные нарушения в структуре ге-

нов. Это прежде всего относится к тем заболеваниям, диагнос-

тика которых осуществляется путем прямой идентификации му-

тантных аллелей. Тем ни менее, даже в этом случае оконча-

тельное заключение о здоровье будущего ребенка хотя и приб-

лижается к абсолютному, но все же носит вероятностный харак-

тер. Основным источником ошибок при проведении пренатальной

диагностики служит возможная контаминация материала плода,

используемого для постановки диагноза, другими тканями, в

первую очередь, материнского происхождения. Поэтому сразу

после взятия диагностического материала путем биопсии хорио-

на, амниоцентеза или кордоцентеза проводят тщательную его

оценку с использованием разнообразных лабораторных методов.

Отличие молекулярных методов тестирования от биохимических

или любых других заключается в их повышенной чувствительнос-

ти и огромной разрешающей способности. Загрязнение материала

особенно опасно в тех случаях, когда прогноз дается на осно-

ве анализа амплифицированных фрагментов ДНК. Попавшие в тес-

тируемые образцы клетки чужеродного происхождения могут пос-

лужить источником донорской ДНК для ПЦР и тогда может быть

получено несоответствующее действительности заключение о

том, что ребенок будет здоров. Риск подобных ошибок может

быть значительно уменьшен при работе в стерильных условиях и

при постановке анализов в нескольких параллельных пробах.

Конечно, в любом диагностическом центре возможны лаборатор-

ные ошибки чисто технического порядка, не зависящие от ис-

пользуемых методов тестирования. Однако, достоверность прог-

нозирования, основанного на прямом анализе мутантных аллелей

плода, обычно, превышает 99%. При использовании косвенных

методов молекулярной диагностики появляется дополнительный

риск ошибки, связанный с возможностью рекомбинации между му-

тантным аллелем и маркерным локусом (особенно при больших

размерах гена, как, например, в случае гена дистрофина).

Конкретное значение этого риска зависит от взаимного распо-

ложения используемых для диагностики маркеров и соответству-

ющих мутантных аллелей. Обычно, для молекулярной диагностики

используют маркеры, частота рекомбинации которых с мутантны-

ми аллелями гена не превышает десятых, а иногда и сотых до-

лей процента.

В случае неблагоприятного прогноза в отношении здоровья

будущего ребенка решение о прерывании или продолжении бере-

менности принимают родители на основании предоставленного в

их распоряжение общего заключения. После рождения ребенка

или прерывания беременности желательно проводить верификацию

диагноза всеми доступными для этого методами, включая и те,

которые были использованы для постановки пренатального диаг-

ноза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При всем разнообразии тем, затронутых в монографии,

весь изложенный в ней материал, по-сути, касается трех

основных проблем : 4(1) 0генетическое картирование и геном че-

ловека,  4(2) 0молекулярная диагностика генных болезней,  4(3)

генокоррекция наследственных дефектов и генотерапия. В реше-

нии каждой из названных проблем достигнуты серьезные успехи.

Напомним некотрые из них.

Известно, что первый ген человека (ген цветной слепо-

ты-дальтонизма) картирован на Х-хромосоме человека в

1911г. Первый аутосомный ген - только в 1968г. К 1973 на

всех хромосомах человека было картировано всего 64 гена, а к

1994г. на генетических картах уже локализовано свыше 60 000

маркерных ДНК последовательностей (главным образом, фрагмен-

тов кДНК экспрессирующихся генов-EST см.Главу III.), а также

4более 05 000 полноразмерных структурных генов. Благодаря мно-

гочисленным полиморфным сайтам и, главным образом, микроса-

теллитным молекулярным маркерам, созданы подробные (1,5-2

сантиморганные) генетические карты для каждой хромосомы че-

ловека. Это позволило перейти от функционального к позицион-

ному картированию, т 4о 0е 4сть  0картированию новых генов не-

посредственно на физической карте ДНК целого генома.

По мнению авторитетных специалистов по генетическому

картированию таких как Питер Гудфеллоу, Поль Вайссенбах и

др 4угих, 0дальнейшее наращивание плотности молекулярных марке-

ров на хромосомах человека уже лишено смысла, тем более, что

в процессе идетификации все новых и новых генов методом EST,

новые полиморфные сайты все равно будут найдены. Не менее

оптимистично обстоят дела и с секвенированием, т 4о 0е 4сть  0вы-

яснением первичной нуклеотидной последовательности всей

двухметровой молекулы ДНК человека. Достаточно заметить, что

первоначальная стоимость секвенирования одной пары нуклеоти-

дов оценивалась в 1 $, сейчас она составляет уже около 40

центов и продолжает снижается. Причина этого - широкая авто-

матизации монотонного процесса секвенирования. Так, 10 робо-

тов фирмы Applied Biosystems за одну неделю секвенируют бо-

лее 30 000 000 п 4ар 0о 4снований.  0Дальнейшее совершенствование

технологии секвенирования 4, 0создани 4е 0принципиально новых под-

ходов (метод "чипов"-Мирзабеков А.Д., Ed.Southern ),

4повышающих в десятки раз 0степен 4ь 0автоматизации этого про-

цесса в высокоспециализированных центрах позволяет наде-

яться, что секвенирование всего генома человека будет завер-

шено в 2 006 году, а вполне вероятно и к 2 000 году!

Однако, само по себе завершение гигантского по замыслу и

грандиозного по реализации научного проекта "Геном человека"

отнюдь не означает, что процесс познания генома завершен.

Уже сейчас становится очевидным, что не существует какого-то

усредненного генома человека, каждый геном как и каждый че-

ловек сугубо индивидуален. Эта индивидуальность генома про-

является не только на уровне отдельной личности, но и на

уровне этнических групп, наций, отдельных популяций и рас

(Cavalli-Sforsa,1994). Геном человека как система динамич-

ная, очень разнообразен. Анализ этого разнообразия

(diversity) - одно из важнейших продолжений программы Геном

человека. Еще более актуальным является выяснение "функцио-

нальной карты генома". Секвенирование позволит расшифровать

порядок всех 3 4.5 0х 10 4! 09 нуклеотидов. Но ведь это только на-

чало. Определить границы генов, выяснить положение много-

численных регуляторных элементов, их интронно-экзонную

структуру и, наконец, функциональное назначение каждого из

60 000 генов, назначение которых пока неизвестно - вот сле-

дующая поистине глобальная задача молекулярной генетики.

Вполне вероятно, что именно на этом пути удастся решить за-

гадку "избыточной ДНК", понять эволюцию (филогенез) генома

человека и ,возможно, расшифровать партитуру симфонии жизни

- т 4о  0е 4сть 0последовательность включения и выключения генов в

ходе онтогенеза.

На генетические карты человека уже в 1994г. нанесено