Рубрики
Геномика на пути к предиктивной медицине

ПОЛИМОРФИЗМ ГЕНОВ КАК ОСНОВА ПМ

Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близне­цов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, индивидуальные особенности геномов как в их транслируемой части (экзоны), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны), обусловлены мутациями, приводящими к генетическо­му полиморфизму (ГП.) Последний обычно определяют как менделевский признак, встречающийся в популяции, по крайней мере, в двух вариантах с частотой не менее 1 % для каждого [10]. ГП может быть количественным либо ка­чественным.

Количественный ГП представлен факультативными элементами, на долю которых приходится до 50 % все­го генома. Это микро — и минисателлитная ДНК, а также образующая тандемные повторы (STR — Short Tandem Repeats), ретротранспозоны, повторы большей протяжен­ности с вариабельной по нуклеотидному составу коровой последовательностью — VNTR (Variable Number Tandem Repeats). Наконец, в последние годы, благодаря новым методам ДНК-анализа (сравнительные геномные вариа­ции — CNV — Copy Number Variation) и полногеномному скринингу ассоциаций — GWAS — Genome Wide Association Studies), в геноме человека показано наличие полиморфиз­
ма по большим фрагментам ДНК (1-50 МгБ), т. н. варьирую­щее число копий (Copy Number Variation — CNV).

Качественный ГП представлен преимущественно одно­нуклеотидными заменами (ОНЗ) — single nucleotide poly­morphism (SNP). Это самый частый ГП — встречается при­мерно через каждые 300-400 п. о. Соответственно, общее число SNP во всем геноме человека оценивается величиной порядка 10-13 • 106. Геномы разных людей по этому ГП об­наруживают удивительное сходство (99.9 %). Стабильные сочетания нескольких соседних аллелей — SNP на одной нити ДНК (гаплотип) позволили использовать их как спе­цифические молекулярные маркеры в программе HapMap (Гаплоидная карта) (см. ниже).

Предполагается, что около половины всех SNP (5 млн) приходится на смысловую (экспрессирующуюся) часть генома. Именно эти замены нередко представляют собой аллельные варианты генов, вызывающих или ассоцииро­ванных с различными заболеваниями. Им принадлежит основная роль в ГП человека [5, 7, 8, 9].

На сегодняшний день хорошо известно, что полимор­физм характерен практически для всех генов человека. Установлено, что он имеет выраженную этническую и по­пуляционную специфику. Полиморфизмы, затрагивающие кодирующие части генов, нередко приводят к замене ами­нокислот и к появлению белков с новыми функциональны­ми свойствами. Существенное влияние на экспрессионную активность генов могут оказывать замены или повторы ну­клеотидов в регуляторных (промоторных) областях генов. Наследуемые изменения генов играют решающую роль в определении уникального биохимического профиля каж­дого человека, в его наследственной предрасположенности к различным МФЗ.

1. ПРОГРАММА «ГАПЛОИДНАЯ КАРТА (HAPMAP)»

Решающ;ая роль в изучении ГП принадлежит международ­ному проекту по изучению гаплоидного генома человека — Гаплоидная карта (HapMap).

Цель проекта — получить генетическую карту распре­деления однонуклеотидных замен (SNP) в гаплоидном на­боре всех 23 хромосом человека [11]]. Суть проекта состояла в том, что при анализе распределения уже известных SNP у индивидуумов нескольких поколений соседние или близ­ко расположенные в ДНК одной хромосомы SNP наследу­ются блоками. Такой блок SNP представляет собой гапло­тип — набор аллелей, расположенных на одной хромосоме (отсюда и название проекта НарМар). При этом каждый из картированных SNP выступает как самостоятельный молекулярный маркер. По сцеплению таких SNP-маркеров с исследованным признаком (болезнью, симптомом) опре­деляются наиболее вероятные места локализации генов — кандидатов, мутации (полиморфизмы) которых ассоции­рованы с тем или иным МФЗ. Обычно для картирования выбирают 5 или 6 SNP, тесно сцепленных с уже известным менделирующим признаком. Хорошо охарактеризованные ОНЗ с частотой редких аллелей не менее 5 % получили на­звание маркерных SNP (tagSNP). Предполагается, что, в конечном счете, из примерно 10 миллионов SNP, присут­ствующих в геноме каждого человека, в процессе выполне­ния проекта будут отобраны только около 500 000 tagSNP. Но и этого числа вполне достаточно, чтобы перекрыть кар­той ОНЗ весь геном человека с целью картирования и иден­тификации новых генов, а также поиска генов-кандидатов, ассоциированных (сцепленных) с различными МФЗ [12].

Благодаря НарМар, которая включает SNP не только уже известных генов, но и SNP еще не идентифицирован­ных генов, ученые получили в руки мощный универсаль­ный навигатор, необходимый для углубленного анализа ге­нома каждого индивидуума, для быстрого и эффективного картирования генов, аллельные варианты которых пред­располагают к различным МФЗ (см. ниже).

Как говорит Фрэнсис Коллинс, директор Национально­го Института по изучению генома человека (США): «Уже при обсуждении программы «Геном человека» 20 лет на­зад я мечтал о времени, когда геномный подход станет ин­струментом для диагностики, лечения и предупреждения тяжелых распространенных болезней, которыми страдают больные, переполняющие наши клиники и кабинеты вра­чей. Успехи НарМар-проекта позволяют сделать серьез­ный шаг навстречу этой мечте уже сегодня».

2. ГЕНЫ И БОЛЕЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Согласно исследованиям заболеваемости у близнецовых пар и данным медицинской генетики только около 1.5 % болезней человека напрямую связаны с мутациями. Это т. н. наследственные болезни. Точность молекулярной диа­гностики наследственных болезней очень высока и при­ближается к 100 %.

Все остальные болезни, в т. ч. и такие частые, как сердечно-сосудистые, онкологические, психические и даже инфекционные, являются результатом сочетанного эффекта неблагоприятных внешних факторов и индиви­дуальных особенностей генома, каким-то образом предрас­полагающих конкретного человека к заболеванию. Отсюда и их название — мультифакторные (сочетанные или ком­плексные) заболевания (МФЗ).

Благодаря расшифровке генома человека, разработке удобных методов картирования новых генов (общее чис­ло генов у человека оценивается величиной около 22 000), а также методов идентификации мутаций, проблему диа­гностики многочисленных и в первую очередь самых ча­стых моногенных наследственных болезней человека (му­ковисцидоз, гемофилии, миодистрофия Дюшенна/Бэйкера, спинальная мышечная атрофия, иммунодефциты и мн. др.) можно считать решенной [13, 14, 15]. Значительно слож­нее обстоит дело с идентификацией генов, вовлеченных в генез МФЗ, т. н. генов «предрасположенности». Согласно существующему определению, «гены предрасположенно­сти» — это мутантные гены (аллели), которые совме­стимы с рождением и жизнью, но при определенны. х не­благоприятных условиях способствуют развитию того или иного МФЗ [14].

В зависимости от участия в метаболических цепях и ас­социации с МФЗ гены предрасположенности условно под­разделяют на несколько групп, среди которых выделяют гены системы детоксикации («внешней среды»), гены «ме­таболические шунты» (гены-триггеры), гены клеточных рецепторов, гены воспаления и иммунной защиты, гены, ассоциированные с конкретными МФЗ [Баранов, 2000, Ба­ранов и др., 2000]. Неблагоприятные аллельные варианты этих генов могут быть причиной атеросклероза, ишемиче-

БОЛЕЗНИ — ГЕНЫ

Круги — болезни; размер круга пропорционален числу известных генов-кандидатов, задействованных в МФ. Линии — гены-кандидаты, ассоциированные с разными МФЗ, толщина линии пропорциональна числу общих генов. Число генов — шкала генов, вовлеченных в МФЗ

‘ / ®-

Число генов

• z*^ —О ■ °ж X f

О о 8 о 8 о

41

34

30

25

21

15

10

5

1

Болезни

*№Ч(||*ММ ф(чгкит

1Н1*«еч1

• РЧсКйс

Ov’eaiHrt

ГЕНЫ — БОЛЕЗНИ

Круги — гены; размер круга пропорционален числу болезней, с которыми ассоциирован ген-кандидат. Линии — связи между генами, общими для разных заболеваний.

Болезни — шкала изученных болезней; цвет — тип заболевания; серый цвет — ген ассоциирован со многими МФ3 болезни

Рис.1. Генные сети некоторых частых мультифакторных (сочетан­ных) заболеваний

Рис. 2. Функциональные генетические модули разных МФЗ

Ской болезни сердца (ИБС), остеопороза, диабета, бронхи­альной астмы, опухолей и пр. Сочетания аллельных вари­антов различных генов, обеспечивающих метаболические процессы в норме или вовлеченных в развитие конкрет­ной мультифакториальной патологии, получили название «генных сетей» [16]. В каждой из таких сетей выделяют главные (центральные) гены и дополнительные (вспомога­тельные) гены, т. н. гены-модификаторы. Дальнейшее раз­витие концепция генных сетей получила в исследованиях Функциональных генетических модулей МФЗ. С этой це­лью в серии исследований были сопоставлены различные МФЗ и гены, продукты которых участвуют в этиологии и патогенезе этих болезней [17, 18, 19]. Была сформирована сеть МФБ и генов, общих для этих заболеваний, — human disease network — HDN (рис. 1)И, наоборот, генов, вовле­ченных в различные болезни,

Disease genetic network

DGN (Рис. 2). Совмещение HDN — и DGN-карт позволило создать карту т. н. Дизизасом — отражающую топологию ме­таболических сетей и генетики МФЗ (рис. 3). В результате масштабного исследования 1264 МФЗ и ассоциированных с ними 1777 генов [17] было установлено: 1) для каждого МФЗ характерен свой специфический набор генов — ген­ная сеть или т. н. Функциональный генетический модуль (ФГМ), в нем различают центральные и периферические гены; 2) большинство МФЗ связаны между собой многими разными генами; 3) 516 МФЗ обнаруживали массу генных связей, т. е. были ассоциированы со многими генами (глухо­та — 41 ген, лейкемия — 37, рак толстого кишечника — 34); 4) мутации различных генов могут приводить к одинаковым МФЗ, мутации (полиморфизмы) одного гена могут быть ассоциированными с разными МФЗ; 5) мутации централь­ных (эссенциальных) генов ФГМ чаще ассоциированы с опухолями и являются причиной ранней гибели; 6) мута­ции (полиморфизмы) периферических генов ФГМ играют основную роль в фенотипической изменчивости и развитии МФЗ; 7) наличие перекрывающихся ФГМ МФЗ доказыва­ет патогенетическую близость разных МФЗ и свидетель­ствует в пользу представлений о «синтропии» — сочетании патогенетически родственных «семейных» МФЗ; 8) гены, входящие в состав ФГМ, по сути являются «синтропными» генами [20], которые функционально близки, но не всегда идентичны генам «предрасположенности». Совпадение многих МФЗ по большому числу ассоциированных ге­нов наглядно продемонстрировано при сравнении генов — кандидатов, ассоциированных с различными аутоиммун­ными заболеваниями (рис. 4).

Около трети выявленных локусов ассоциированы с дву­мя, тремя и более заболеваниями. Наличие более 5 % общих генов-кандидатов, ассоциированных с целиакией, болезнью Крона, рассеянным склерозом, псориазом, ревматоидным артритом, системной красной волчанкой, сахарным диабе­том I типа, неспецифическим язвенным колитом, доказы­вает патогенетическое сходство этих аутоиммунных забо­леваний [21, 22] и позволяет их рассматривать как единую группу синтропных болезней.

Выяснение ФГМ каждого МФЗ, идентификация в ней центральных генов и генов-модификаторов, анализ ас­социации их аллелей с заболеванием, разработка на этой основе комплекса профилактических мероприятий для лиц из групп высокого риска, а впоследствии и для кон­кретного пациента является основной задачей преди­ктивной (предсказательной) медицины. [5].

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *