Литература - Другое (книга по генетике)

Литература - Другое (книга по генетике)

тифицировать до 98 аллельных вариантов этого полиморфизма

(Mercter et al.,1991). Столь выраженный полиморфизм позволя-

ет с высокой эффективностью маркировать мутантную хромосому

(ген) и проследить её передачу в потомстве.

Сведения о генокоррекции болезни Виллебранда в доступ-

ной литературе не обнаружены.

10.4.6 Фенилкетонурия.

Фенилкетонурия (ФКУ) - одно из наиболее частых аутосом-

но-рецессивных заболеваний, обусловленных наследственным де-

фектом фенилаланингидроксилазы, приводящим при отсутствии

своевременной терапии к тяжелой умственной отсталости. В Ев-

ропе один больной ребенок встречается в среднем среди 10 -

17 000 новорожденных. В Ирландии и Шотландии частота ФКУ

достигает 1 на 4500 новоржденных (DiLella et al., 1986).

Распространена ФКУ также в Польше и в Белоруссии. В России

частота заболевания колеблется в пределах 1 : 8 - 10 000.

Очень важна ранняя диагностика ФКУ, так как при своевремен-

ном назначении пациенту диеты, не содержащей фенилаланин,

умственная ограниченность, как правило, не развивается или

имеет очень стертые формы. Разработаны биохимические скрини-

рующие тесты диагностики ФКУ у новорожденных.

Гидроксилирование фенилаланина является достаточно

сложным процессом, в котором участвуют, по крайней мере, 3

фермента. Фенилаланингидроксилаза (РАН), гомополимерный фер-

мент, состоящий из субъединиц с молекулярным весом 52 кД,

продуцируется клетками печени и регулирует превращение L-фе-

нилаланина в L-тирозин. Его дефицит приводит к накоплению

фенилаланина в сыворотке крови. Гиперфенилаланинемия может

возникать также при дефиците дигидроптеридинредуктазы и при

дефектах синтеза биоптерина. Однако, эти заболевания, хотя и

сопровождаются снижением активности РАН, значительно отлича-

ются от классической ФКУ и не коррегируются диетой, лишенной

фенилаланина.

PAH-ген транскрибируется в гепатоцитах с образованием

мРНК размером 2.4 кб. Наиболее распространенный тип мутаций

- однонуклеотдные замены (миссенс, нонсенс, мутации в сайтах

сплайсинга), причем часто эти мутации являются результатом

транзиций в 22-х обнаруженных в PAH-гене CpG динуклеотидах.

Крупных структурных перестроек не найдено, хотя имеется не-

большой процент точечных делеций. Отмечается неравномерный

характер внутригенной локализации мутаций (Scriver et

al.,1989). Так, наибольшее число миссенс мутаций встречается

в центральной части гена: в экзоне 7, кодирующем участок

связывания белка с кофактором, где располжено 5 CpG дупле-

тов, а также в экзонах 9 и 12. Преимущественный район лока-

лизации делеций - экзоны 1, 2 и 3.

Втури РАН-гена локализованоно более 10 полиморфных сай-

тов рестрикции, причем распределения гаплотипов по этим мар-

керам среди представителей разных рас и этнических групп

значительно различаются. Обнаружено сильное неравновесие по

сцеплению между определенными мутациями в PAH-гене и гапло-

типами по внутригенным сайтам рестрикции. Так, каждая из 5-и

наиболее частых в европейских популяциях мутаций ассоцииро-

вана только с одним из более, чем 70 гаплотипов по 8 рест-

рикционным полиморфизмам (Eisensmith et al., 1992). Мажорная

в западно-европейских популяциях сплайсинговая мутация в до-

норном сайте 12-го интрона сцеплена с гаплотипом 3 (DiLella

et al.,1986). В то же время другая мутация в экзоне 12 -

R408W, наиболее распространенная на востоке Европы, в част-

ности в Белоруссии и России, и не найденная в Японии и Ки-

тае, связана с гаплотипом 2 (DiLella et al.,1987). Мажорная в

Европе мутация R158Q в 40% сцеплена с гаплотипом 4, наиболее

частым среди жителей Японии и Китая. Распространенная в Тур-

ции сплайсинговая мутация в интроне 10, приводящая к

9-и-нуклеотидной инсерции, ассоциирована с "южными" гаплоти-

пами 6, 10 и 36.

Сопоставление частот различных гаплотипов по полиморф-

ным сайтам рестрикции и мутаций в PAH-гене в разных популя-

циях, национальностях и этнических группах позволяет сделать

вывод , что большинство из них, или даже все, произошли уже

после дивергенции рас. Распространение мажорных мутаций гена

РАН в различных популяциях и этнических группах связано с

эффектом основателя. По некоторым оценкам эти мутации воз-

никли однократно от нескольких сотен до нескольких тысяч лет

тому назад. Однако, в ряде случаев распределение мутаций не

может быть обьяснено в генетических терминах, сопоставимых с

демографической историей. Несомненно доказанными являются

примеры независимого и рекуррентного возникновения в разных

популяциях таких мутаций, как R261Q или R158Q. Высокие попу-

ляционные частоты специфических мутаций в PAH-гене связаны,

по-видимому, не только с эффектом основателя и/или с сущест-

вованием эндогенных механизмов повышенного мутагенеза, но и

с преимуществом гетерозигот. Высказано предположение, что

носительство РАН - мутаций повышает устойчивость организма к

токсическому эффекту охратоксина А, продуцируемого некоторы-

ми видами грибковой плесени (Aspergillus, Penicillium), раз-

вивающимися при хранении зерна и других продуктов

(Woolf,1986). Предполагается, что беременные женщины, гете-

розиготные пл РАН -мутациям имеют меньшую вероятность абор-

та, индуцированного действием этих микотоксинов. Возможно,

высокая частота ФКУ в Ирландии и Шотландии частично может

быть обьяснена мягким и влажным климатом этих стран,

способствующем росту таких грибов.

В медицинской практике используется как прямая, так и

косвенная диагностика мутаций в PAH-гене. Разработан очень

быстрый и эффективный метод ПЦР/StyI-диагностики cамой

частой в России (более 70%) мутации R408W (Ivaschenko,

Baranov, 1993; Иващенко и др., 1993). Дигностика других ма-

жорных мутаций в PAH-гене осуществляется методами ПЦР+АСО,

аллель-специфической амплификации (ARMS), методом одноните-

вого конформационного полиморфизма (SSCP) (см. Главу IY).

При первичном обследовании семьи черезвычайно удобно исполь-

зовать три полиморфные нейтральные мутации в кодонах 232,

245 и 385, сцепленные в Кавказских популяциях с определенны-

ми ПДРФ-гаплотипами, а значит и со специфическими мутантными

аллелями. Каждая из этих мутаций создает новый сайт рестрик-

ции и поэтому их аллельное состояние может быть легко проти-

пировано с помощью амплификации и рестрикции (Kalaydjieva et

al., 1991). При анализе семьи, в которой отсутствуют легко

идентифицируемые прямыми методами мутации, молекулярная ди-

агностика может быть проведена с помощью внутригенных поли-

морфных сайтов рестрикции. Удобен, в частности, Msp1-поли-

морфизм в 8-м экзоне, анализ которого может быть осуществлен

методом ПЦР/рестрикции (Wedmeyer et al., 1993). В последнее

время появились даные о наличии высокополиморфных сайтов

внутри интронов гена РАН, которые оказались особенно удобны-

ми для молекулярного маркирования мутантных аллелей (Goltzov

et al.1994).

Генокоррекция ФКУ успешно осуществлена в опытах in

vitro и в настоящее время находится на стадии эксперимен-

тальной разработки (Табл.9.2. Глава IX).

10.4.7 Синдром Леш-Нихана.

Синдром Леш-Нихана - рецессивное сцепленное с полом за-

болевание, обусловленное наследственной недостаточностью ги-

поксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазы (HPRT) и сопровож-

дающееся тяжелыми поражениями центральной нервной системы.

Фермент HPRT участвует в регуляции метаболизма пуринов,

контролируя превращение гуанина и инозина в соответствующие

рибонуклеотиды. Ген HPRT экспрессируется во всех типах кле-

ток с образованием мРНК размером 654 п.о.. Культивируемые

линии клеток, дефектные по HPRT, устойчивы к 8-азагуанину и

6-тиогуанину, и таким образом, могут быть отобраны на соот-

ветствующих селективных средах. Гетерозиготные носители му-

таций по HPRT-гену могут быть легко выявлены по наличию 2-х

типов клеток - устойчивых и чувствительных к 8-азагуанину, в

первичной культуре фибробластов или в клетках волосяных лу-

ковиц. В большинстве мутантных клеточных линий количество

мРНК нормально, а белок отсутствует. У части пациентов хотя

и транскрибируется достаточно много мРНК, но в этих молеку-

лах обнаруживаются структурные и функциональные аномалии. В

небольшом проценте случаев у больных не удается выявить ни

белка, ни мРНК.

В 15% хромосом у больных с синдромом Леш Нихана ген

HPRT вовлечен в крупные структурные перестройки, корторые

могут быть выявлены методами Саузерн или Нозерн блот-гибри-

дизации. Синдром Леш Нихана одно из первых моногенных

наследственных заболеваний, для которых была проведена моле-

кулярная идентификация точечных мутантных аллелей. Именно на

этой моделе впервые был разработан и опробован метод анализа

мутаций, основанный на расщеплении РНК-ДНК гибридов рибонук-

леазой А в местах негомологичноно спаривания (метод расщеп-

ления рибонуклеазой А - см.Главу VI, Gibbs, Caskey, 1987).

Комбинация методов блот-гибридизации и расщепления рибонук-

леазой А позволяет выявить до 50% мутаций. В настоящее время

в гене HPRT найдено более 100 спорадических мутаций, полови-

на которых - однонуклеотидные замены типа миссенс, нонсенс и

в сайтах сплайсинга. Около 40% мутантных хромосом имеют

структурные аномалии, в том числе крупные делеции, нехватки

отдельных зкзонов и микроделеции одного или нескольких нук-

леотидов. В HPRT-гене, практически, отсутствуют мутации, до-

мининирующие по частоте в каких-либо популяциях. Исключение

составляет нонсенс мутация R170TER, которая составляет около

15% всех нуклеотидных замен (Gibbs et al., 1989). Также как

и при гемофилиях мутации гена HPRT чаще возникают в сперма-

тогенезе, чем в оогенезе. Вероятность мутирования возрастает

с возрастом отца. Идентифицировано 3 HPRT-псевдогена в хро-

мосомах 3, 5 и 11 (Stout, Caskey, 1984).

Описаны редкие случаи синдрома Леш Нихана у гетерози-

готных девочек. При этом, как правило, болезнь развивается

вследствие неслучайной инактивации X-хромосомы, не содержа-

щей мутации (Ogasawara et al., 1989). Однако, у 3-х женщин -

облигатных носительниц мутаций в HPRT-гене, селективный тест

не выявил присутствия мутантных клеток в культивируемых фиб-

робластах и волосяных луковицах. В связи с этим высказано

предположение, что определенные мутации гена HPRT находятся

в неравновесном сцеплении с неидентифицированной летальной

мутацией в X-хромосоме, что и приводит к селекции клона кле-

ток только с одной (мутантной или немутантной по гену HPRT)

X-хромосомой (Marcus et al., 1992).

Молекулярная диагностика болезни Леш-Нихана возможна

прямыми и непрямыми методами. Прямой вариант основан на про-

ведении обратной транскрипции мРНК, ее амплификации,

SSCP-анализе одноцепочечных ДНК фрагментов с их последующим

секвенированием (см.Глава VI). Косвенная диагностика пре-

дусматривает маркирование мутантной хромосомы при помощи по-

лиморфных сайтов (в частности, локуса DXS52 - зонд

St14/TaqI).

Как мы уже отмечали (Главы VII,VIII), первая трансген-

ная животная модель наследственного заболевания человека,

сконструированная путем направленного переноса мутациий в

культивируемые эмбриональные стволовые клетки, была получена

для синдрома Леш-Нихана (Hooper et al., 1987; Kuehn et al.,

1987). На этой моделе впервые была проведена генокоррекция

наследственного дефекта in vivo. Эти успехи в значительной

степени связаны с существованием селективных сред, позволяю-

щих вести автоматический отбор мутантных клеток. Вообще,

синдром Леш-Нихана представляет собой идеальную систему не

только для изучения пуринового метаболизма, но и для решения

многих теоретических вопросов биологии и медицины

(Seegmiller, 1989; Maraus et al., 1993; Boyel et al., 1993).

Сложность генокоррекции заболевания, однако, заключается в

необходимости обеспечения эффективной доставки гена HPRT

(или его кДНК) непосредственно в мутантные нервные клет-

ки. Эта проблема еще не решена. Поэтому реальные клинические

программы генотерапии этого заболевания на сегоднешний день

отсутствуют (см.Главу IX).

10.4.8 Болезнь Вильсона-Коновалова.

Болезнь Вильсона-Коновалова (БВК) - гепатолентикулярная

дегенерация - аутосомно-рецессивное заболевание, обусловлен-

ное наследственным дефектом одной из медь-транспортирующих

АТФаз. У больных резко снижена концентрация основного

медь-содержащего белка плазмы крови - церулоплазмина и в

меньшей степени - цитохромоксидазы, еще одного белка, участ-

вующего в метаболизме меди. Выделяют, по крайней мере, 3

формы БВК (Cox et al. , 1972). При редкой атипичной форме,

предположительно Германского происхождения, у гетерозигот

содержание церулоплазмина снижено, по крайней мере, в два

раза. При двух других, типичных формах - славянской и юве-

нильной, содержание церулоплазмина у гетерозигот находится в

пределах нормы. Славянский тип БВК характеризуется сравни-

тельно поздним началом и преимущественно неврологической

симптоматикой. Ювенильная форма чаще встречается в Западной

Европе и ведущими в этиологии заболевания являются печеноч-

ные нарушения. Среди евреев-ашкенази встречается БВК с позд-

ним началом и почти нормальным содержанием церулоплазмина в

сыворотке крови больных.

Ген БВК, идентифицированный в 1993г. независимо сразу в

2х лабораториях США, представляет собой медь-транспортирую-

щую АТФазу P типа с 6-ю металл-связывающими районами. Ген

имеет 60% гомологию по нуклеотидному составу с ранее иденти-

фицированным геном АТФ-азы (АТР7А), мутантном при болезни

Менкеса (Bull et al., 1993; Petruchin et al., 1993; Tanzi et

al., 1993). По аналогии с геном болезни Менкеса, также

обусловленной нарушением транспорта меди, ген БВК назван

АТР7В. Два пациента с БВК оказались гомозиготными по 7-нукле-

отидной делеции в кодирующей области гена ATP7B , что дока-

зывало его идентичность гену БВК (Petruchin et al, 1993).

Ген экспрессируется в клетках печени, мозга, почках, лимфо-

узлах. Типичным для экспрессии АТР7В оказался альтернативный

сплайсинг двух и более экзонов центральной части гена

(6, 7, 8, 12 и 13).

Кодируемый ATP7B-геном белок содержит несколько мемб-

ранных доменов, АТФ-консенсусную последовательность, сайт

фосфорилирования и, по крайней мере, 2 медь-связывающих сай-

та. В мозге, печени, почках и ломфоузлах обнаружены изоформы

белка, соответствующие продуктам альтернативного сплайсинга

гена АТР7В. Их назначение и функции пока неизвесты. В гене

АТР7В идентифицированы полиморфные микросателлитные маркеры,

а также около 10 полиморфных сайтов рестрикции. В настоящее

время в гене АТР7В идентифицированы более 30 мутаций, в том

числе 14 мелких делеций/инсерций, 2 - нонсенс мутации, 15 -

миссенс мутаций, 3 - сплайсинговые мутации. Диагностическую

ценность для европейцев представляют мутации His1070Gln и

Gly1267Lys, зарегистрованные в 28% и 10% всех мутантных хро-

мосом, соответственно (Thomas et al., 1995).

В заключении данного раздела представляется целесооб-

разным кратко рассмотреть другие достаточно частые моноген-

ные заболевания, для которых показана и проводится молеку-

лярная диагностика, в том числе и пренатальная, в других ме-

дико-генетических центрах России и, прежде всего, в Лабора-

тории молекулярной диагностики Институтата клинической гене-

тики РАМН (Москва).

10.4.9 Адрено-генитальный синдром.

Адрено-генитальный синдром - (врожденный дефицит

21-гидроксилазы) - достаточно распространенное аутосомно-ре-

цессивное заболевание. Частота "классических" форм 1:10 000

новоржденных, "неклассической" - около 1% в популяции. В за-

висимости от характера нарушения функции гена и, соот-

ветственно клинических проявлений "классическая форма" под-

разделляется на два варианта: 1. летальная сольтеряющая фор-

ма; 2. нелетальная - вирилизирующая форма, связанная c из-

бытком андрогенов (Morel, Miller, 1991).

В локусе 6р21.3, внутри сложного супергенетического

комплекса HLA идентифицированы два тандемно расположенных

21-гидроксилазных гена - функционально активный CYP21B и

псвдоген - CYP21А, неактивный вследствие делеции в 3-м экзо-

не, инсерции со сдвигом рамки считывания в 7-м экзоне и

нонсенс мутаций - в 8-м экзоне. Ген и псевдоген разделены

смысловой последовательностью гена С4В, кодирующей 4-й фак-

тор комплемента. Оба гена состоят из 10 экзонов, имеют длину

3,4 кб и отличаются только по 87 нуклеотидам. Высокая сте-

пень гомологии и тандемное расположение указвают на общность

эволюционного происхождения этих генов. Любопытно отметить,

что такие же тандемно расположенные гены 21-гидроксилазы

(называемые также Р450с21) обнаружены и у других млекопитаю-

щих, причем у мышей, в отличие от человека, активен только

ген CYP21A, но не CYP21B, тогда как у крупного рогатого ско-

та функционально активны оба гена.

Белок- 21-гидроксилаза ( Р450с21- микросомальный цитох-

ром 450) обеспечивает превращение 17-гидроксипрогестерона в

11-дезоксикортизол и прогестерона - в дезоксикортикостерон.

В первом случае возникает дефицит глюкокортикоидов и, прежде

всего, кортизола, что в свою очередь стимулирует синтез

АКТГ, и ведет к гиперплазии коры надпочечников (вирилирующая

форма). Нарушение превращения прогестерона в дезоксипрогесте-

рон ведет к дефициту альдостерона, что в свою очередь нару-

шает способность почек удерживать ионы натрия и приводит к

быстрой потере соли плазмой крови (соль теряющая форма).

Как и в случае гемофилии А, наличие рядом с кодирующим

геном гомологичной ДНК последовательности зачастую ведет к

нарушениям спаривания в мейозе и, как следствие этого, к

конверсии генов (перемещения фрагмента активного гена на

псевдоген), либо к делеции части смыслового гена. В обоих

случаях функция активного гена нарушается. На долю делеций

приходится около 40% мутаций, на долю конверсий - 20% и при-

мерно 25% составляют точечные мутации. Согласно отечествен-

ным данным в случае наиболее тяжелой сольтеряющей формы АГС,

на долю конверсий приходится более 20% мутантных хромосом,

на долю делеций - около 10% (Evgrafov et al., 1995).

Непрямая диагностика АГС возможна с помощью типирования

тесно сцепленных с геном CYP21B аллелей HLA A и HLA B генов,

а также алелей гена HLA DQA1. Прямая ДНК диагностика АГС

основана на амплификакции с помощью ПЦР отдельных фрагментов

генов CYP21B и CYP21A, их рестрикции эндонуклеазами HaeIII

или RsaI и анализе полученных фрагментов после электрофореза

(Evgrafov et al., 1995).

10.4.10 Спинальная мышечная атрофия.

Спинальная мышечная атрофия (СМА) - аутосомно-рецессив-

ное заболевание, характеризуется поражением моторных нейро-

нов передних рогов спинного мозга, в результате чего разви-

ваются симметричные параличи конечностей и мышц туловища.

Это - второе после муковисцидоза наиболее частое летальное

моногенное заболевание (частота 1: 6 000 новорожденных).

СМА подразделяется на три клинические формы. Тип I. Острая

форма (болезнь Верднига-Гоффмана), проявляется в первые 6 ме-

сяцев жизни и приводит к смерти уже в первые два года; Тип

II. Средняя (промежуточная) форма, пациенты не могут стоять,

но обычно живут более 4-х лет; Тип III. Ювенильная форма

(болезнь Кугельберга-Веландера) - прогрессирующая мышечная

слабость после 2-х лет. Все три формы представляют собой ал-

лельные варианты мутаций одного гена SMN (survival motor

neurons), картированного в локусе D5S125 (5q13) и идентифи-

цированного методом позиционного клонирования (см.Главу III)

в 1995г (Lefebvre et al. 1995). В этой пока единственой ра-

боте показано, что ген SMN размером всего 20 000 п.о.состоит

из 8 экзонов. мРНК этого гена содержит 1 700 п.о. и кодирует

ранее неизвестный белок из 294 аминокислотных остатков с

молекулярным весом 32 КилоДальтона.

Ген дуплицирован. Его копия (возможно вариант псевдоге-

на) располагается несколько ближе к центромере и отличается

от гена SMN наличием 5-и точечных мутаций, позволяющих отли-

чить оба гена путем амплификации экзонов 7 и 8 и их исследо-

ванием методом SSCP анализа (см.Главу IV). Ген назван

сBCD541, по аналогии с первоначальным вариантом названия для

теломерной копии, т 4о 0е 4сть 0гена SMN, tBCD541. Ген

cBCD541

экспрессируется, но в отличие от гена SMN его сДНК подверга-

ется альтернативному сплайсингу с утратой экзона 7.

Отсутствие гена SMN (tBCD541) у 93% больных (213 из 229),

его разорванная (interrupted) структура у 13 обследованных

пациентов (5.6%) и наличие серьезных мутаций у оставшихся

3-х больных дали основание именно данную теломерную копию

гена считать ответственной за заболевание. Существенно отме-

тить, что центромерная копия гена обнаружена у 95 4. 05% боль-

ных, 4тогд 0а 4как 0 отсутств 4ует она 0 только у 4,4% 4

пациентов 0.

В непосредственной близости от теломерного конца гена

SMN идентифицирован еще один ген - ген белка-ингибитора зап-

рогаммированной гибели нейронов (neuronal apoptosis

inhibitory protein -NAIP). При тяжелых клинических формах

СМА (Тип I), обусловленных делециями, по-видимому, нередко

происходит утрата гена NAIP.

Согласно гипотезе авторов СМА возникает при гомозигот-

ном состоянии мутаций (обычно-делеций) в гене SMN, 4при этом

различ 4ия между 0форм 4ами 0СМА определяются двумя основными

фак-

торами: 1. числом копий гена cBCD541 (две - в случае Типа I

и четыре (возникающих вследствие конверсии между SMN и

cBCD541) - в случае Типа III), 2. наличием или отсутствием

ген 4а 0NAIP. 4С 0реди всех обследованных СМА-больных

4не

4обнаружены 0случа 4и одновременной 0делеции обоих

гомологичных

генов 4- 0SMN (tBCD541) и сBCD541 4, что 0указывает, по

мнению

авторов, 4на то, 0что такая аберрация должна проявляться как

доминантная леталь еще в эмбриогенезе.

Некоторые положения этой, безусловно, основополагающей

работы французских авторов, по-видимому, еще требуют уточне-

ния, однако, уже сейчас она сделала возможной прямую молеку-

лярную диагностику СМА у 98,6% больных. С этой целью прово-

дится амплификация экона 7, который отсутствует у подавляю-

щего большинства больных. Нормальный экзон 7 (ген SMN) диф-

ференцируют от мутантного варианта (ген cBCD541) c помощью

SSCP анализа. При необходимости возможна косвенная диаг-

ностика - ПЦР анализ динуклеотидных (CA) повторов ДНК ло-

кусов D5S125; D5S112; D5S127; ПДРФ-анализ с фланкирующими

ДНК-зондами MU, 105-153RA; 153-6741 GT.

10.4.11 Атаксия Фридрейха.

Атаксия Фридрейха (АФ) - сравнительно редкое (1 : 22

-25 000) аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующе-

еся прогрессивной дегенерацией нервных клеток мозжечка. Ген

АФ не идентифицирован, но достаточно точно картирован на

хромосомных (9q13-q21) и физических картах ДНК-маркеров. На-

иболее тесное сцепление гена АФ показано для локуса D9S5

(зонд 26Р). Сконструированы космидные библиотеки и

составлены подробные физические карты области 4 0геномной ДНК

хромосомы 9, включающей локус D9S7 и, предположительно, ген

АФ. Определено положение гена ФА по отношению к другим флан-

кирующим молекулярным маркерам (Fujita etal., 1991; Wilkes

et al., 1991) 4. 0В настоящее время известно, по крайней мере,

5 таких ДНК маркеров: GS4, MCT-112, GS2 -дистальные и мик-

росателлитные маркеры FD1 (на расстоянии 80 кб 4) 0и MLS1 (на

расстоянии 150 кб) - проксимальные. Изучены особенности ал-

лельного полиморфизма этих систем для различных популяций

Западной Европы. Для всех 5 молекулярных маркеров выяснены

гаплотипы, сцепленные с заболеванием. Гаплотипы обоих мик-

росателлитных маркеров оказались в абсолютном генетическом

неравновесии с АФ, что доказывет их весьма близкое располо-

жение на генетической карте по отношению к мутантному гену

АФ (Pianese et al., 1994).

Диагностика АФ пока возможна только непрямыми методами.

ПДРФ анализ с помощью ДНК-зондов на дистальные полиморфные

сайты, либо ПЦР анализ полиморфизма проксимальных по отноше-

нию к гену АФ микросателлитных маркеров MLS1 или FD1.

Нами рассмотрены лишь некоторые моногенные наследствен-

ные болезни, условно разделенные на три подгруппы, исходя,

главным образом, из того насколько они изучены с молекулярно

-генетических позиций, их актуальности для пренатальной ди-

агностики и в какой мере они важны для медико-генетической

службы нашей страны. Более того, исторически сложилось так,

что именно такие заболевания как муковисцидоз, миодистрофия

Дюшенна, гемофилия А, фенилкетонурия, то 4 0есть 4 0социально

наи-

более значимые, раньше других генных болезней стали предме-

том детального молекулярного анализа в нашей лаборатории и в

других медико-генетических центрах и научно-практических

подразделениях России (см. Баранов, 1991, 1994;

Baranov,1993; Евграфов, Макаров, 1987).

Естественно, что рассмотренными нозологиями отнюдь не

исчерпывается список тех болезней, которые являются объекта-

ми молекулярных исследований в нашей стране. Например, из

обзора выпали такие моногенные 4 0болезни как гиперхолестерине-

мия, гемоглобинопатии, дефицит альфа-1 антитрипсина, мито-

хондриальные болезни. 4 0Для многих из них разработаны и широко

применяются эффективные методы молекулярной диагностики, ве-

дутся исследования по генотерапии. 4 0Мы не касались также ра-

бот проводимых, 4 0главным образом, 4 0в возглавляемой

профессором

Е.И.Шварцем лаборатории молекулярной диагностики ПИЯФ РАН и

посвященных молекулярному анализу мультифакториальных забо-

леваний, 4 0таких как диабет, гипертония, ишемия сердца. Ре-

зультаты этих 4 0исследований 4 0будут, по-видимому,

предметом

следующих обзоров и монографий.

ГЛАВА I

СТРУКТУРА И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДНК.

Раздел 1.1 Общие представления, центральная догма, гене-

тический код.

Универсальная генетическая субстанция или "энциклопедия

жизни", ДНК, содержит информацию, необходимую для синтеза

белков и нуклеиновых кислот, присутствующих во всех типах

клеток как про- так и эукариот. Дезоксирибонуклеиновые кис-

лоты (ДНК) - это нитевидные молекулы, состоящие из четырех

расположенных в варьирующем порядке нуклеотидов: пуринов -

аденина и гуанина, и пиримидинов - цитозина и тимина, соеди-

ненных в полинуклеотидную цепь с остовом из чередующихся ос-

татков сахара - дезоксирибозы, и фосфата. Последовательность

нуклеотидов ДНК или пар оснований составляет информационную

емкость молекулы, определяя порядок синтеза и аминокислотную

последовательность белков в соответствии с универсальным для

всех живых существ трехбуквенным - триплетным, генетическим

кодом (Табл.1.1). Дезоксирибонуклеиновые кислоты представля-

ют собой единственный тип молекул, способных к самовоспроиз-

водству или репликации, что и обеспечивает преемственность

генетической информации в ряду поколений. Записывается

последовательность ДНК слева направо (5' - 3') первыми заг-

лавными буквами соответствующих нуклеотидов, являющихся од-

новременно единицами измерения молекулы. Размеры ДНК могут

меняться в гигантских пределах от нескольких нуклеотидов до

миллиардов пар оснований (п.о.). В качестве единиц измерения

размеров ДНК используются также килобазы (kb) и мегабазы

(mb) - последовательности, соответствующие тысячи и миллиону

пар оснований, соответственно.

ДНК могут существовать как в виде однонитевых, так и в

виде двухнитевых молекул. Двухнитевые или двухцепочечные мо-

лекулы образуются за счет химического комплементарного спа-

ривания между аденином и тимином (А - Т) и между гуанином и

цитозином (Г - Ц). Эти водородные связи между парами нуклео-

тидов достаточно непрочные, так что цепи ДНК могут легко

диссоциировать - разделяться, и ассоциировать - соединяться,

при изменении температуры или солевых концентраций. При каж-

дом цикле ассоциаци - диссоциации или, как еще говорят, от-

жиге - плавлении, будет точно воспроизводиться двухнитевая

структура - дуплекс, устойчивость которого определяется со-

ответствием нуклеотидных пар. Наиболее устойчивы структуры,

представленные полностью комплементарными нитями ДНК. Про-

цесс образования дуплексов носит название гибридизации. Спо-

собность к комплементарному спариванию оснований - одно из

самых замечательных свойств ДНК, определяющих возможность ее

саморепликации и точного выбора специфических участков акти-

вации молекулы в процессе считывания генетической информа-

ции. Это свойтво широко используется в молекулярной биологии

для поиска и идентификации нужных последовательностей в ог-

ромных молекулах ДНК при использовании в качестве зондов ее

сравнительно небольших меченых фрагментов.

У человека большая часть ДНК- 3.2 миллиарда пар основа-

ний, находится в ядрах клеток в виде 46 плотно упакованных,

суперскрученных за счет взаимодействий с ядерными белками

структур, называемых хромосомами. Сравнительно небольшая

часть ДНК - около 5%, пристствует в митохондриях - органел-

лах цитоплазмы, обеспечивающих процессы дыхания и энерегети-

ческого обмена клеток эукариот. В большинстве соматических

клеток ДНК представлена в двух копиях - по одной в каждой

хромосоме. Таким образом, в клетках присутствуют 23 пары

хромосом, 22 из которых гомологичны друг другу - аутосомы, и

одна пара (X и Y) - половые хромосомы. Наличие Y хромосомы

определяет мужской пол особи. При записи нормального карио-

типа индивидуума указывается общее число хромосом и тип по-

ловых хромосом. Таким образом, нормальный кариотип мужчины -

46,XY, а женщины -46,XX. В процессе гаметогенеза происходит

случайное расхождение гомологичных хромосом в мейозе и в

каждой зрелой половой клетке - гамете, остается только 23

хромосомы, то есть гаплоидный набор хромосом. При этом в

каждой гамете сохраняется лишь одна половая хромосома - го-

носома. В яйцеклетках это X хромосома, тогда как сперматозо-

иды с равной вероятностью несут как X, так и Y хромосому, то

есть пол будущей особи детерминируется геномом сперматозои-

да. При оплодотворении диплоидный набор хромосом восстанав-

ливается. В соответствии с современными представлениями ге-

ном человека состоит из 25 хромосом, 22 из которых аутосомы,

2 половые хромосомы и одна митохондриальная . В каждой клет-

ках присутствует порядка 1000 митохондрий, а в каждом мито-

хондрионе содержится около 10 кольцевых митохондриальных

хромосом, сходнах с хромосомами бактерий. Таким образом, в

клетках присутствует около 1000 копий митохондриальных хро-

мосом.

В хромосомах эукариот ДНК находится в двухнитевой форме,

что обеспечивает возможность ее точной репликации при каждом

цикле деления клетки. Одна нить кодирующая или смысловая,

комплементарная ей нить - антисмысловая. Декодирование ин-

формации, заключенной в молекуле ДНК, или процесс транскрип-

ции, осуществляется за счет избирательного синтеза молекул

РНК, комплементарных определенным участкам ДНК, так называе-

мых первичных РНК транскриптов. Транскрибируемые участки ДНК

носят название генов. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) по своей

структуре очень сходны с молекулами ДНК. Они также состоят

из четырех нуклеотидов, только одно из пиримидиновых основа-

ний - тимин, заменено на урацил и в сахарозном остове вместо

дезоксирибозы представлена рибоза. Молекулы РНК существуют

только в однонитевой форме, но могут образовывать дуплексы с

молекулами ДНК. После синтеза молекулы РНК претерпевают

достаточно сложную модификацию - процессинг. При этом про-

исходят изменения в концевых участках молекул и вырезаются

области, гомологичные интронам - некодирующим частям гена.

Этот процесс называется сплайсингом. В результате из первич-

ных РНК транскриптов образуются молекулы информационной или

матричной РНК (мРНК), представляющие собой непрерывную

последовательность нуклеотидов, гомологичную только экзонам

- смысловым участкам гена. Молекулы мРНК в виде рибонуклео-

протеиновых гранул выходят из ядра в цитоплазму и соединяют-

ся с рибосомами, где происходит процесс трансляции - синтез

полипептидной цепи. Трансляция мРНК происходит в точном со-

ответствии с генетическим кодом, согласно которому последо-

вательность из трех нуклеотидов РНК - кодон, соответствует

определенной аминокислоте или сигналу терминации синтеза по-

липептидной цепи (Табл.1.1). Реализация генетического кода

осуществляется с участием 20-ти типов транспортных РНК

(тРНК), единственных нуклеиновых кислот, содержащих в своем

составе наряду с нуклеотидами одну из аминокислот. тРНК име-

ют кленовообразную форму, в хвостовой части молекулы распо-

ложена определенная аминокислота, в точном соответствии с

последовательности из трех нуклеотидов в области, называемой

антикодоном. Прохождение мРНК по рибосоме является сигналом

приближения к рибонуклеопротеидному комплексу той тРНК, у

которой последовательность нуклеотидов в антикодоне компле-

ментарна кодирующему триплету мРНК. Таким образом транспор-

тируется соответствующая аминокислота и осуществляется пос-

ледовательный синтез полипептидной цепи. Митохондрии имеют

свою автономную систему белкового синтеза: рибосомальные

РНК, мРНК и транспортные РНК.

Генетический код универсален для всех живых существ -

это одно из его главных свойств. Небольшие отличия в струк-

туре кода найдены только для митохондриальной ДНК. Так в ми-

тохондриальном генетическом коде стоп кодонами являются

триплеты АГА и АГЦ, кодирующие аргинин в ядерной ДНК

(Табл.1.1). Универсальность генетического кода служит наибо-

лее веским аргументом в пользу гипотезы об едином источнике

возникновения жизни на земле и о филогенетическом родстве

всех видов живых существ. Кроме того, именно это свойство

обеспечивает возможность прочтения в любых модельных клеточ-

ных системах искусственно введенной генетической информации,

сконструированной из фрагментов ДНК разного видового про-

исхожденеия. Таким образом, вся генная инженерия основана на

универсальности генетического кода. Другим свойством генети-

ческого кода является его вырожденность, заключающаяся в

том, что все аминокислоты кроме двух кодируются несколькими

вариантами триплетов. Действительно, из 64 возможных комби-

наций нуклеотидных триплетов РНК три соответствуют термини-

рующим кодонам - ochre, amber и opal, остальные варианты

(61) кодируют 20 аминокислот, причем триплеты, кодирующие

одну и ту же аминокислоту, как правило, различаются по

третьему нуклеотиду в кодоне. Таким образом, зная нуклеотид-

ную последовательность кодирующего участка ДНК, можно одноз-

начно прогнозировать аминокислотную последовательность соот-

ветствующего полипептидного фрагмента, тогда как одна и та

же аминокислотная последовательность может кодироваться раз-

личным образом. При этом, число возможных вариантов кодирую-

щих ДНК резко возрастает с увеличением длины полипептида.

На следующем этапе полипептидные цепи транспортируются

к специфическим органеллам клетки и модифицируются с образо-

ванием зрелого функционально активного белка. В некоторых

случаях информация с молекул РНК может обратно транскрибиро-

ваться в молекулы ДНК. В частности, при обратной транскрип-

ции мРНК образуются молекулы комплементарной ДНК - кДНК, в

которой в зависимости от полноты процесса представлены

частично или полностью все смысловые кодирующие последова-

тельности гена. Рассмотренная схема реализации однонаправ-

ленного потока информации ДНК-РНК-Белок составляет основу

центральной молекулярно-биологической догмы - рис.1.1.

Более детально с процессами репликации, транскрипции,

процессинга и трансляции можно ознакомиться в многочисленных

руководствах по молекулярной биологии, цитологии и генетике

(Стент, Кэлиндер, 1981; Зенгер, 1987; Льюин, 1987).

1.2 Выделение ДНК, ее синтез и рестрикция.

ДНК может быть изолирована из любого типа тканей и кле-

ток, содержащих ядра. Этапы выделения ДНК включают быстрый

лизис клеток, удаление с помощью центрифугирования фрагмен-

тов клеточных органелл и мембран, ферментативное разрушение

белков и их экстрагирование из раствора с помощью фенола и

хлороформа, концентрирование молекул ДНК путем преципитации

в этаноле. Из 1 грамма сырой ткани или из 10!9 клеток обычно

получают 2 миллиграмма ДНК. У человека ДНК, чаще всего, вы-

деляют из лейкоцитов крови, для чего собирают от 5 до 20 мл

венозной крови в стерильную пробирку с раствором, пре-

пятствующим коагуляции (например, с глюгециром или гепари-

ном). Затем отделяют лейкоциты и разрушают клеточные и ядер-

ные мембраны добавлением буферных растворов, содержащих де-

натурирующие агенты. Наилучшие результаты при выделении ДНК

дает применение протеиназы-К с последующей фенол - хлоро-

формной экстракцией разрушенных белков. ДНК осаждают в эта-

ноле и растворяют в буферном растворе. Оценку качества экс-

трагированной ДНК проводят на основании измерения оптической

плотности раствора ДНК в области белкового и нуклеинового

спектров поглощения. В чистых образцах ДНК соотношение

А(260)/A(280) > 1.8. В противном случае процедуру очистки

необходимо повторять, так как для успешного использования и

хранения ДНK белки должны быть полностью удалены. Более под-

робно с методами выделения и очистки ДНК из различных тканей

можно ознакомиться в работах и руководствах, приведенных в

конце книги (Маниатис и др., 1984; Дейвис, 1990; Горбунова и

др., 1991).

В процессе сложного и многообразного функционирования

различные участки хромосом и ДНК претерпевают разнообразные

регулируемые и, в основе своей, обратимые изменения. Эти мо-

дификации осуществляются с помощью специальных белков - фер-

ментов. Описание ферментативного аппарата репликации, транс-

крипции, репарации - системы защиты и восстановления повреж-

денных участков ДНК, рекомбинации, то есть обмена участками

гомологичных хромосом и ДНК, далеко выходит за рамки нашего

изложения. Мы кратко ознакомимся только с двумя классами

ферментов ДНК - полимеразами и рестриктазами, особенно важ-

ными для понимания основ современной молекулярной диагности-

ки.

Ферменты, осуществляющие синтез ДНК, называются ДНК-по-

лимеразами. И в бактериальных клетках, и в клетках эукариот

содержатся три различные формы ДНК-полимераз, все они обла-

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15