Лекции по клинической генетике отдельных неврологических заболеваний

избранные лекции по клинической генетике

отдельных неврологических заболеваний
Под редакцией:

академика РАМН, профессора Е.И. Гусева,

профессора А.Н. Бойко,

профессора М.Ю. Мартынова

Коллектив авторов: Е.И. Гусев, О.Л. Бадалян, А.Н. Боголепова, А.Н. Бойко, С.Г. Бурд, А.А. Кабанов, П.Р. Камчатнов, Е.А. Катунина, И.Ю. Ковалева, Т.И. Колесникова, О.Г. Кулакова, А.В. Лебедева, М.Ю. Мартынов, А.А. Никонова, О.М. Олейникова, М.Г. Парфенов, И.Е. Сердюк, Н.Ф. Смирнова, М.А. Судомоина, М.Ю. Татаринова, О.О. Фаворова, А.А. Фейгина, А.В. Чугунов, И.А. Щукин, А.Н. Ясаманова.

с поражением нервной системы

в развитии цереброваскулярной патологии

отдельных неврологических заболеваний

Относительный рост доли генетически обусловленной патологии в структуре заболеваемости, смертности, синдромах социальной дезадаптации в настоящее время связан с быстрым прогрессом диагностических возможностей. Наследственная изменчивость человека обусловливает бесконечные индивидуальные различия, выраженные в вариантах нормальных признаков, а также развитие заболеваний, возникновение которых строго предсказано генетически (наследственные заболевания) и заболеваний, к развитию которых существует генетическая предрасположенность, реализующаяся лишь при вмешательстве дополнительных факторов. Сейчас известно более 4.000 нозологических форм наследственных болезней. Если в большинстве своем моногенные болезни - относительно редкие состояния, то практически все известные заболевания человека имеют ту или иную степень участия генетических факторов. Понимание механизмов генетического контроля метаболических процессов дополняет представления об этиологии и патогенезе не только многих наследственных заболеваний, но и состояний, определяющих предрасположенность к наиболее частым болезням человека, чувствительность к различным неблагоприятным факторам окружающей среды. Значение генетических факторов устанавливается для возрастающего числа заболеваний человека. Сейчас ясно, что большое количество распространенных заболеваний человека - инсульт, инфаркт, сахарный диабет, ревматиодный артрит, рассеянный склероз, эпилепсия, онкологические заболевания - развиваются на фоне определенных нарушений функционирования генома. Предрасположенность к этим заболеваниям, как правило, определяется комплексом генов, а точнее - определенным набором аллельньгх состояний этих генов, которые не жестко детерминируют развитие болезни, а определяют риск ее возникновения при соприкосновении с определенными внешними факторами, выступающими зачастую в роли триггеров патологического процесса. Большая работа проводится по оценке риска развития того или иного заболевания в зависимости от генотипа индивидуума и наличия определенных внешних факторов. Клинически разнообразные признаки дизморфогенеза, являющиеся составной частью многих наследственных и врожденных болезней, могут не нарушать функцию того органа, к которому они относятся. Эти проявления могут относиться к микроаномалиям развития или к врожденным морфогенетическим вариантам, т.е. быть неспецифическими признаками эмбрионального дисморфогенеза, отражать какие-либо отклонения в развитии, либо наследственную патологию, либо отклонения, вызванные тератогенными факторами. Врожденные морфогенетические варианты встречаются у здоровых людей, но наличие нескольких признаков указывает на необходимость более внимательного обследования больного на предмет врожденной или наследственной патологии.

Большой вклад клиническая и молекулярная генетика вносят в современную диагностику заболеваний, проведение дифференциального диагноза. Современные методы молекулярной генетики, основанные на полимеразной цепной реакции, позволяют избирательно анализировать состояние определенного гена у конкретного индивидуума, то есть проводить ДНК-диагностику первичного генетического дефекта. Прямое генотипирование мутантных аллелей осуществляется уже для многих сотен моногенных заболеваний, а более чем для 1.000 таких болезней принципиально возможна пренатальная диагностика. Несмотря на то, что очень немногие наследственные заболевания поддаются эффективному лечению, имеется ряд патологических состояний, своевременная диагностика которых позволяют остановить развитие патологического процесса, например, заменяя дефектный белок (фермент) и предупреждая накопление патогенного продукта метаболизма. В связи с этим, современная клиническая генетика в основном ориентирована на предупреждение необратимых нарушений. В первую очередь это относится к моногенным наследственным заболеваниям, развитие которых определяется наличием изменений (мутаций) в структуре ДНК и хромосом. В настоящее время известно около 5.000 различных моногенных болезней. Эти заболевания могут отличаться по типам наследования, однако вся группа в целом характеризуется достаточно жесткой генетической детерминацией развития болезни, ее клинических проявлений, а некоторая гетерогенность ее течения определяется типами мутационных повреждений гена, и, лишь в незначительной степени, факторами окружающей среды.

Большим достижением является развитие пренатальной диагностики, позволяющей выявлять генные и хромосомные заболевания до рождения, исследуя клетки амниотической жидкости и крови плода. Современная пренатальная диагностика позволяет выявлять даже те генетические заболевания, молекулярная природа которых пока точно не установлена. Своевременное выявление носителей патогенных мутаций позволяет расширить возможности медико-генетического консультирования, рассчитывать риск развития не только моногенных, но и некоторых полигенных заболеваний, хотя при подавляющем большинстве полигенных заболеваний роль генетических факторов точно не определена, как и механизмы их взаимодействия с экзогенными факторами.

Активно развивается фармакогенетика, на основе которой разрабатываются новые методы терапии для профилактики и лечения тех заболеваний, которые ранее трудно поддавались лечению или считались неизлечимыми. Бурными темпами развивается генотерапия, то есть лечение путем введения фрагментов ДНК с определенной последовательностью в клетки пациента. Этот метод имеет реальные перспективы найти свое место в лечении многих моногенных наследственных заболеваний, позволяя исправлять генный дефект на ранних стадиях патологического процесса. Активно развивается так называемая "соматическая генотерапия", когда гены вводятся в дефектные клетки, приводящие к развитию заболевания. Сейчас более 80% утвержденных для клинических испытаний генотерапевтических проектов связано с лечением онкологических заболеваний и наследственных иммунодефицитных состояний.

Еще одно новое направление использования генетических методов связано с так называемыми "болезнями" нуклеиновых кислот. В процессе жизни человека повреждения молекул ДНК могут возникать не только в его половых клетках, передаваемых следующему поколению, но и в соматических клетках. Повреждения ДНК в соматических тканях часто реализуются в виде определенных заболеваний. В этом плане особое значение имеют вирусные инфекции, особенно эндогенные ретровирусы, способные взаимодействовать с молекулами ДНК, встраиваться в геном человека и менять генетически детерминированную программу развития клетки, что приводит к развитию заболевания. Другим примером болезней, возникающих вследствие "болезни" молекул ДНК в соматических клетках человека, являются онкологические заболевания. Считается доказанным, что запуск и поддержание процесса канцерогенеза невозможны без нарушения работы определенных генов, число которых в геноме человека составляет не менее двухсот. В большинстве своем эти гены, носящие в своей нормальной форме название "протоонкогенов", а в мутантной форме - "онкогенов", кодируют белки, участвующие в контроле клеточного цикла. При нарушениях этого контроля вследствие генетического повреждения появляется пул активно пролиферирующих клеток, не подчиняющихся внешним сигналам, препятствующим делению клетки. Молекулярно-генетический анализ состояния протоонкогенов в опухолевых клетках позволяет понять этиологию возникновения данной опухоли, составить обоснованный прогноз в отношении ее развития и возможного метастазирования, выбрать индивидуально подобранную стратегию лечения.

Достигнутый в последнее время прогресс в методологии генетического анализа и выход на молекулярный уровень анализа ДНК с картированием генома имеют огромный клинический потенциал, и способствовало появлению термина "новая генетика". Это термин впервые использовал главный редактор журнала "American Journal of Human Genetics" Давид Камингз, подчеркивая возникновение на основе новых методологий принципиально иных подходов к анализу генетической информации и ее клинического значения. Недавно была определена молекулярная природа основных элементов генома человека, построены подробные онтогенетические карты, являющиеся основой для выявления, изоляции и анализа генов.

Развитие клинической генетики в последнее время происходит настолько быстро, что многие врачи не говоря уже о студентах и ординаторах, не успевают осваивать новую информацию. Поэтому план подготовки по неврологии на кафедре неврологии и нейрохирургии Российского государственного медицинского университета было органично соединен с обучением основам клинической генетики. Курс лекций был подготовлен совместно преподавателями кафедры неврологии и нейрохирургии лечебного факультета и кафедры молекулярной биологии и биотехнологии факультета усовершенствования врачей.

Аминокислотная последовательность и структура всех белков определяется информацией, закодированной в структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта информация передается от ДНК через молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), комплементарной определенным фрагментам ДНК. Создание копии ДНК происходит вследствие процесса репликации, молекулы РНК - транскрипции. Дальнейшее считывание информации с РНК и синтез белка называется трансляцией.

Молекула ДНК состоит из двух закрученных нитей. Основу нити составляют четыре азотистых основания: два пуриновых - аденина (А) и гуанина (Г) и два пиримидиновых - цитозина (Ц) и тимина (Т). Каждый блок (дезоксирибонуклеотид или просто нуклеотид) состоит из азотистого основания, остатков пентозного сахара (2-дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеотид образуется за счет формирования гликозидной связи между молекулами азотистого основания и сахара, а также возникновения фосфоэфирной связи между молекулами сахара и фосфорной кислоты. Вариабельность ДНК определяется последовательностью оснований, расположенных в любом порядке, на сахарофосфатном остове, образуя полинуклеотидную цепь. Фосфат может быть соединен с одной из двух гидроксильных групп дезоксирибозы, которые нумеруются как 3' и 5'. Записывается последовательность ДНК слева направо (5' -> 3') первыми заглавными буквами соответствующих нуклеотидов, являющихся одновременно единицами измерения длины молекулы: пары оснований (п.о.), тысячи пар оснований - килобазы (кб), миллионы пар оснований - мегабазы (мб). Размеры ДНК могут меняться в гигантских пределах - от нескольких нуклеотидов до миллиардов пар оснований.

ДНК могут существовать как в виде однонитевых, так и в виде двунитевых молекул. Наиболее устойчивы двунитевые структуры, образованные полностью комплементарными нитями ДНК. Водородные связи между парами нуклеотидов (две для А - Т и три для Г - Ц) достаточно непрочные, так что цепи ДНК могут легко разделяться (денатурация ДНК) и соединяться (гибридизация ДНК) при изменении температурных или солевых условий. В реакцию гибридизации могут вступить только комплементарные друг другу по нуклеотидным последовательностям одноцепочечные молекулы. Две комплементарные цепи ДНК закручиваются относительно оси в противоположной полярности, одна цепь (5' -> 3'), другая (3' ->5'). Цепи удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями, причем аденин связывается с тимином (А - Т), а гуанин с цитозином (Г - Ц). Смысловым с генетической точки зрения направлением, в котором записанв информация о последовательности аминокислот белка, является направление (5'>3). 5' - и 3' - концевые нуклеотиды гена кодируют соответственно первые (N-) и последние (С-) аминокислоты белка. Основания находятся внутри этой структуры, а сахарофосфатный остов - снаружи. Вторичная конформация двухцепочечной ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль.

У человека большая часть ДНК - 3,2 миллиарда пар оснований, присутствует в ядрах клеток в виде 46 хромосом - плотно упакованных скрученных структур. Если хромосомы одной клетки распрямить и вытянуть, сопоставив концы, то получится нить ДНК длиной в два метра. В хромосомах локализовано до 95% ДНК (6,4  10⁸ пар нуклеотидов). Пять процентов ДНК расположено в митохондриях, и совсем немного ДНК в виде кольцевых молекул - в ядре и цитоплазме (от 150 до 20.000 пар нуклеотидов). Хромосомная ДНК состоит из 50% уникальных последовательностей пар нуклеотидов и 50% повторяющихся. Участки с повторяющихся последовательностями различаются по длине каждого повтора и числу повторов (тандемные участки), если повторяющиеся единицы состоят из 2-8 пар нуклеотидов, и мини-сателлитам, если они состоят от 10 до 100.000 пар. Что делает эта "покоящаяся" часть генома пока не известно.

В большинстве соматических клеток ДНК представлена в двух копиях - по одной в каждом из гаплоидных наборов из 23 хромосом. Таким образом, в ядрах соматических клеток человека присутствуют 23 пары хромосом, 22 из которых - аутосомы - имеют попарную гомологию друг с другом, одна - X и одна - X или Y - половые хромосомы.

Одной из основных особенностей ДНК является способность к воспроизведению такой же цепи - репликации. Репликация - комплексный процесс, во время которого цепи разъединяются и каждая копируется в новой дочерней нити. Этот процесс происходит при участии фермента ДНК-полимеразы в направлении (5' - 3') с постепенным добавлением четырех дезоксирибонуклеотидных трифосфатов. Они добавляются к копмлиментарной основе "родительской" цепи. Таким образом, при репликации образуются две идентичные копии оригинальной молекулы.

Конечным продуктом ряда генов являются не белки, а молекулы РНК - транспортные, рибосомальные, ядерные. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) по своей структуре сходны с молекулами ДНК. Они также состоят из четырех варьирующих нуклеотидов, соединенных с сахарозно-фосфатным остовом, в котором на месте дезоксирибозы представлена рибоза. Кроме того, в молекулах РНК тимин заменен на урацил. РНК существуют только в однонитевой форме и в клетках присутствуют четыре основных типа этих молекул (рибосомаль-ные, транспортные, матричные и ядерные).

Расшифровка или экспрессия генетической информации, заключенной в молекуле ДНК, осуществляется в соответствии с центральной молекулярно-генетической догмой, согласно которой один ген кодирует одну полипептидную цепь. Первым шагом на пути реализации молекулярной догмы является процесс транскрипции - избирательный синтез молекул РНК, комплементарных определенным участкам ДНК.

Генами называются транскрибируемые участки ДНК, способные реализовываться с образованием функционально активного продукта. По некоторым оценкам, все гены человека занимают не более 15% генома. Многие гены человека повторены в геноме несколько сотен раз и образуют так называемые мультигенные семейства. Подавляющее большинство генов содержат уникальные последовательности, представленных в геноме одной или несколькими копиями. Число генов в геноме человека лежит в диапазоне от 50 до 100 тысяч. Гены могут значительно различаться по длине. Размер одного из самых крупных из известных генов - гена миодистрофии Дюшенна, кодирующего белок дистрофии, составляет 22,5 миллиона пар оснований. Считается, что средние размеры гена человека имеют размеры от 10 до 30 кб. Гены часто отделены друг от друга протяженными промежутками - спейсерами, содержащими в своем составе, наряду с повторяющимися последовательностями ДНК, и уникальные не транскрибируемые последовательности, не являющиеся генами. Для многих генов обнаружены так называемые псевдогены - уникальные, часто тандемно расположенные последовательности, очень сходные с нормальными генами по своей структуре и составу оснований, но в силу присутствия в кодирующих областях ряда мутаций, не способные транскрибироваться или правильно транслироваться с образованием структурно и функционально активного продукта.

Но ДНК состоит не просто из триплетов нуклетотидов, которые кодируют соответствующее количество аминокислот в пептидной цепи белка. На 5' и 3' концах генов имеются специфические триплеты, которые определяют начало (инициацию - ATG) и завершение (терминацию - ТАА, TAG или TGA) синтеза белка или мРНК. Также имеются несколько последовательностей различной длины с обоих концов гена, которые определяют структуру не транслируемого участка мРНК. В структуру гена обязательно входят несколько последовательностей: лидерная, предшествующая началу гена 5'-нетранслируемая область, и хвостовая, расположенная на 3'-конце гена Транскрипция гена начинается с 5'-конца первого экзона, где расположен сайт инициации. Как уже отмечалось, считывание начинается с ATG-триплета, кодирующего метионин. Под понятием "рамка считывания" гена понимают непрерывную кодирующую область, в которой отсутствуют стоп кодоны. Сдвиг рамки считывания или ошибочное прочтение интронных областей генов сопровождается преждевременной терминацией трансляции - мутацией.

Комплементарный синтез РНК по матрице ДНК осуществляет фермент РНК - полимераза. Информация считывается с антисмысловой цепи (3' -> 5') гена, поскольку последовательность нуклеотидов РНК должна соответствовать смысловой. При этом синтезе образуются молекулы пре-РНК. Транскрипция завершается в области терминатора в 3'-некодирующей части гена. Около 50-70% клеточного синтеза РНК обеспечивается РНК-полимеразой I, ответственной за синтез генов рибосомальной РНК (рРНК). РНК-полимераза II обеспечивает транскрипцию генов, кодирующих белки. На долю этого фермента приходится от 20% до 40% синтеза РНК. РНК-полимераза III участвует в синтезе ядерных и транспортных РНК. На первом этапе РНК полимераза связывается с двунитевым участком ДНК и расплетает его. После того как первый нуклеотид РНК связывается с сайтом инициации транскрипции, полимераза начинает продвигаться по нити ДНК в направлении 5'-3, расплетая двойные нити ДНК впереди себя и заплетая их позади. Этот процесс продолжается до достижения терминирующего сигнала. Затем молекулы РНК и фермента высвобождаются, и двойная спираль ДНК полностью восстанавливается. Для правильного начала транскрипции необходимо точное взаимодействие РНК-полимеразы с молекулой ДНК. Этот процесс контролируется еще одним участком гена - промотором - регуляторной последовательностью ДНК размерами около 75 пар оснований в нетранслируемой 5' области гена. Иногда под контролем одного промотора считывается несколько генов с образованием единой первичной пре-РНК. Промоторные области различных генов разнообразны по своему нуклеотидному составу, но почти все содержат последовательность из 7 оснований на расстоянии 19-27 нуклеотидов слева от сайта инициации транскрипции. Это так называемый ТАТА-бокс (блок Хогнесса) обеспечивающий корректное расположение РНК-полимеразы по отношению к стартовому сайту. На расстоянии 70-80 п.о. в направлении 5'-конца от начала транскрипции часто расположена другая консервативная последовательность из 9 п.о. - СААТ-бокс, контролирующая начальное связывание РНК-полимеразы. Мутации в ТАТА- или в СААТ-боксах могут существенно влиять на скорость синтеза РНК. В 5'-нетранслируемой области гена на расстоянии до тысячи пар оснований от начала его кодирующей части могут располагаться другие регуляторные последовательности, так называемые "усилители", способные резко увеличивать продукцию гена за счет увеличения скорости транскрипции. Для некоторых генов найдены участки ДНК, подавляющие транскрипцию ("ослабители"), которые могут блокировать движение РНК-полимеразы.

В дальнейшем молекулы пре-РНК претерпевают достаточно сложную модификацию - процессинг. Процессинг РНК проходит ряд этапов, в которых принимают участие несколько ферментов и других белков ядра. При этом происходят особые изменения на концевых 3' и 5' участках, стабилизирующие молекулу мРНК, и сплайсинг, в результате которого из пре-РНК вырезаются области, комплементарные некодирующим интронам ДНК, а экзоны сшиваются в одну цепь. На границах между экзонами и интронами для этого имеются специальные последовательности, играющие существенную роль в обеспечении точности вырезания интронов и сшивания экзонов. Все интронные последовательности начинаются с динуклеотида GT и заканчиваются динуклеотидом AG, называемыми, соответственно, донорными и акцепторным сайтами сплайсинга. В результате этого процесса образуется молекула информационной, или матричной РНК (мРНК), представляющая собой непрерывную последовательность нуклеотидов, комплементарную только кодирующим участкам гена - экзонам. Ошибка, приводящая к выпадению хотя бы одного основания, делает молекулу мРНК нечитаемой.

Молекулы мРНК в виде рибонуклеопротеиновых гранул выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции - синтез полипептидной цепи. Трансляция мРНК происходит в точном соответствии с генетическим кодом: кодон из трех нуклеотидов РНК соответствует определенной аминокислоте или сигналу начала/завершения синтеза полипептидной цепи. Молекула тРНК избирательно транспортирует одну аминокислоту соответственно своему антикодону, состоящему также из трех нуклеотидов. Каждой из 20 аминокислот, обнаруженных в белках, соответствует, по крайней мере, одна тРНК, для некоторых аминокислот известно несколько тРНК. Прохождение мРНК по рибосоме сопровождается приближением к рибонуклеопротеидному комплексу той тРНК, у которой последовательность нуклеотидов в антикодоне комплементарна кодирующему триплету мРНК. Между аминокислотами соседних тРНК образуются пептидные связи, и таким образом осуществляется нарастание полипептидкой цепи белка. Считывание информации с мРНК при трансляции начинается не с первого нуклеотида, а с первого кодона - AUG, который носит название инициирующего. Этот триплет кодирует метионин, который включается первым при трансляции в любой белок. В дальнейшем метионин часто отщепляется от полипептидной цепи еще до завершения процесса трансляции. Таким образом, инициирующий AUG - кодон является только сигналом к началу трансляции. Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стоп-кодонов - UAA, UAG или UGA. В некоторых случаях информация с молекул РНК может обратно транскрибироваться в молекулы ДНК, что называется обратной транскрипцией. При обратной транскрипции мРНК образуется молекулы комплементарной ДНК - кДНК, в которой представлена та или иная часть смысловой кодирующей последовательности гена. Открытие гена обязательно сопровождается изоляцией и расшифровкой нуклеотидной последовательности полимеразной кДНК. Ферменты, осуществляющие комплементарный синтез ДНК называются ДНК-полимеразами. Этот процесс лежит в основе одного из наиболее часто используемых сейчас методов молекулярной генетики - полимеразной цепной реакции (ПЦР). В настоящее время выявлены три различные формы ДНК-полимераз, все они обладают синтезирующей активностью и способны удлинять цепи ДНК в направлении 5' - 3', последовательно наращивая по одному нуклеотиду к 3'-ОН концу, причем точность синтеза определяется специфичностью спаривания оснований. Ключевым моментом для работы ДНК-полимеразы является наличие однонитевой матричной ДНК и двунитевого остатка в качестве затравки для синтеза. Кроме того, в среде должны присутствовать четыре типа предшественников ДНК дезокситрифосфатов.

Генетический код обладает рядом свойств - код триплепный, линейный, универсальный, кодоны не перекрываются. Еще одним свойством кода является то, что все аминокислоты, за исключением одной, кодируются несколькими вариантами триплетов, причем триплеты, кодирующие одну и ту же аминкислоту, как правило, различаются по третьему нуклеотиду в кодоне. Еще одно свойство генетического кода - универсальность у всех живых существ - является основой для генно-инженерных методов.

В последнее время накапливается все больших данных о нарушении главного правила генетики "один ген - один белок". Много белков образуется при соединении различных субъединиц, которые могут кодироваться в разных генах на разных хромосомах.

Первое успешное лечение методами генотерапии было осуществлено в 1990 г в Бетезде (США) в отношении одной из моногенных форм наследственного иммунодефицита, обусловленного недостаточностью аденозиндезаминазы (АОА). При отсутствии этого фермента в крови пациентов накапливается 2-дезоксиаденозин, который препятствует нормальному созреванию Т- и В-лимфодитов, что и приводит к развитию сложного, комбинированного иммунодефицита. Четырехлетней девочке, страдающей этим редким (1:100.000) аутосомно-рецессивным заболеванием, были пересажены ее собственные лимфоциты, в которые предварительно в условиях культивирования вводили в составе ретровирусного вектора нормальный ген АОА и маркерный бактериальный ген, обеспечивающий устойчивость модифицированных клеток к кеомицину и, следовательно, возможность их отбора на селективной среде. Лечебный эффект наблюдали в течение нескольких месяцев, после чего процедуру повторяли с интервалом в 3-5 месяцев. На протяжении трех лет терапии в общей сложности было проведено 23 внутривенных трансфузии АОА-трансформированных Т-лифоцигов. В результате лечения состояние пациентки настолько улучшилось, что она смогла вести нормальный образ жизни и не бояться случайных инфекций. Столь же успешным оказалось лечение и других подобных пациентов, проводимое в США, Италии, Франции, Великобритании и Японии. Программа генотерапевтического лечения недостаточности по АОА модифицирована в настоящее время таким образом, что в предшественники Т-лимфоцитов - в стволовые клетки, вводится генетическая конструкция, содержащая нормальный ген АОА. При этих условиях получают более пролонгированный эффект от каждой процедуры реинфузии. Недавно появилось сообщение о том, что первые пациенты с данной формой иммунодефицита, участвующие в клинических испытаниях программы генотерапии, имеют настолько хороший иммунологический статус, что уже в течение нескольких лет не нуждаются в повторных реинфузиях модифицированных клеток. Начаты клинические испытания генотерапии семейной гиперхолестеринемии, муковисцидоза, гемофилии В, болезни Гоше. В отношении нескольких десятков других моногенных заболеваний медицинские протоколы клинических испытаний находятся в стадии утверждения.

Целый комплекс программ генной терапии предложен для лечения злокачественных опухолей. В ряде этих программ используется целенаправленное введение в опухолевые ткани "генов-самоубийц", продукция которых обладает цитотоксическим эффектом. Наиболее перспективными в этом плане считаются так называемые условно-летальные гены, кодирующие белки, которые сами по себе не являются токсичными для клеток, но при взаимодействии с каким-либо веществом могут вызывать их разрушение. Таким является ген тимидинкиназы вируса герпеса, так как тимидинкиназа обладает цитотоксическим эффектом только при взаимодействии с противовирусным препаратом - ганцикловиром. Некоторые схемы лечения основаны на стимуляции с помощью генов противоопухолевого иммунитета. Во многих случаях генотерапия не исключает использования традиционных методов печения опухолей, но является очень мощным дополнительным средством. Так, перспективными для генотерапии опухолей считаются гены множественной лекарственной устойчивости, повышающие резистентность клеток к широкому спектру химических препаратов. Предварительное введение подобных генов в стволовые клеток пациентов позволяет увеличивать дозы химиотерапевтических препаратов, применяемых при лечении опухолей. На фоне введения генов, обладающих радиопротективным эффектом, удается проводить более массированную лучевую терапию.

Фармакогенетика - это новый раздел медицинской генетики и клинической фармакологии, изучающий механизмы индивидуальных различий в реакциях организма человека на различные препараты. Это направление в медицинской генетике занимается генетическими механизмами индивидуальной чувствительности к лекарственным средствам, качественными и количественными различиями ответа организма на введение определенного препарата, проблемами восприимчивости и невосприимчивости к лечению, т.е. изучает генетический полиморфизм и значение мутаций в области фармакологически значимых генов. Для ряда препаратов показано, что толерантность к лечению и/или парадоксальные реакции на лечение, включая побочные эффекты, определяются мутациями в генах определенных белков. Например, эффекты ряда антидепрессантов, адреноблокаторов, иммуномодуляторов зависят от полиморфизма гена цитохрома Р450 (CYP II D6). Существенное значение имеет также полиморфизм генов ферментов антиоксидантной защиты, системы ацетилирования и ряда ферментов генов, связанных с метаболизмом препаратов и продуктов их распада. Достижения фармакогенетики позволяют изучить особенности фармакодинамики препаратов, причины индивидуальных дозозависимых эффектов. Реакция организма на введение того или иного препарата также определяет полиморфизм генов белков-мишеней (точка приложения лекарства), белков транспортной системы (как доставляется препарат, как активируется), ферментов метаболизма (как разрушается).

В процессе фармакогенетического анализа используют несколько основных методов: это ДНК-диагностика (био-чипы) и использование биосексоров (гибритизация в реальном времени), определение биологических маркеров, определение метаболических соотношений лекарств и побочных продуктов, активности ферментов, математическое моделирование и статистический анализ. Цель этого анализа заранее определить максимальный позитивный ответ, прогнозировать оптимальное сочетание позитивного клинического действия и минимальных побочных эффектов, своевременно идентифицировать пациентов, резистентных к данному виду лечения. В ближайшее время индивидуальная чувствительность к многим лекарствам будет определяться молекулярно-генетическими методами фармакогенетики.

В настоящее время термин «геном» используется для обозначения полной генетической системы клетки, определяющей характер развития организма и наследственную передачу всех его структурных и функциональных признаков. Геном в современном понимании это не только гаплоидный набор хромосом, но и внехромосомная ДНК, т.е. полный набор, необходимый для формирования и функционирования организма. Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика. Выделяют структурную, функциональную и эволюционную геномику. Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, границы и строение генов, составляет генетические карты организма (физические карты, карты сцепления и т.п.). Функциональная геномика занимается идентификацией функций каждого гена и участка генома, их взаимодействием в клеточной системе. Наконец, эволюционная геномика изучает эволюцию генов, происхождение генетического полиморфизма.

Процесс эволюции и дифференцировки отдельных видов, как правило, сопровождался накоплением изменений в структуре генома. Это касается количества ДНК, ее упаковки, соотношение и функции кодирующих и не кодирующих нуклеотидных последовательностей. В пределах одного вида основные параметры генома достаточно постоянны, а внутривидовое разнообразие обеспечивается за счет мутационной изменчивости. Структура генома человека, как и других высших эукариот, имеет две основные особенности: 1) наличие большого количества "избыточной" не кодирующей ДНК, назначение и функции которой остаются во многом неясными и 2) очень компактное хранение информации в кодирующих областях генома.

Генетическая информация упакована в хромосомы. Хромосомы варьируют по размерам и структуре. Пары аутосомных хромосом классифицируются в кариотипе от самой большой - 1 до самой маленькой - 22. По структуре хромосомы варьируют в зависимости от позиции центромеры и вида плеч. Если центрометра расположена в середине и плечи равны, то хромосома называется метацентрической. Если центромера удалена от центра, до хромосома субметаценгрическая, и в ней выделяют короткое плечо, называемое р (от petite - маленький), и длинное - q (следующая буква за р в латинской алфавите). Если центромера близка к концу хромосомы, то хромосома называется акроцентрическая и очень короткое плечо называется сателлитом. В зависимости от размеров хромосомы разделяют на 8 групп: А (от 1 до 3), В (4 и 5), С (от 6 до 12, Х-хромосома), D (от 13 до 15), Е (от 16 до 18), F (19 и 20), G (21 и 22, Y-хромосома).

В каждой диплоидной клетке с 46 хромосомами содержится около 6 пикограмм ДНК, а общая длина гаплоидного набора составляет 3,5×10⁹ пар нуклеотидов. Основная часть молекул ДНК не несет информации об аминокислотной последовательности белков или РНК. Функции этих участков ДНК неясны, хотя структура некоторых из них изучена подробно. Эта часть ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомологичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально иного генетического кода с неизвестной пока функцией.

Кодирующие и регуляторные области структурных генов наиболее консервативны в процессе эволюции, так как изменения (мутации) в них подвержены жесткому давлению естественного отбора и приводят к нарушению синтеза или функции белка и к развитию патологического состояния, влияющего на жизнеспособности особей, несущих такие мутации. Однако, около 90% генома человека состоит из некодирующих последовательностей, подобных сателлитным повторам, интронам и спейсерным промежуткам между генами. Эти участки значительно более изменчивы и содержат множество, так называемых, нейтральных мутаций, или полиморфизмов, не имеющих прямого фенотипического выражения и не оказывающих заметного влияния на жизнеспособность или репродуктивные свойства носителей. Эта изменчивость не затрагивает общей структуры генома, определяющей различия между видами. Стабильность структурной организации генома в пределах вида также свидетельствует о важной эволюционной роли не кодирующий ДНК-последовательностей и об их участии в процессах онтогенеза.

В то же время информация очень компактно упакована в ДНК. Одна и та же последовательность ДНК в геноме может кодировать несколько различных белков. Это достигается за счет расположения одних генов в интронных областях других генов ("ген в гене"), а также действия различных, чаще всего тканеспецифических механизмов регуляции транскрипции и сплайсинга. Для многих генов человека показана альтернативная транскрипция - существование не одного, а нескольких промоторов, каждый из которых, как правило, работает в разных типах клеток и обеспечивает инициацию транскрипции с разных сайтов. Образующиеся при этом белковые продукты различаются по N-концевым последовательностям. Еще более широко распространена регуляция экспрессии генов на уровне процессинга РНК. Для очень большого числа генов человека характерным является ткане- и эмбрио-специфический альтернативный сплайсинг - образование разных мРНК за счет различного характера вырезания интронов из одной первичной пре-РНК, синтезируемой в клетках разных тканей. С учетом альтернативной транскрипции и альтернативного сплайсинга с одного гена может образовываться несколько десятков разнообразных продуктов.

Не все гены транскрибируются в определенных тканях. Определенный набор генов, получивших название гены "домашнего хозяйства", экспрессируется во всех типах клеток, независимо от их специализации. Эти гены обеспечивают фундаментальные процессы энергетического обмена, дыхания и др., без которых любая клетка существовать не может. Однако экспрессия большинства генов носит тканеспецифический характер, и процесс онтогенетической дифференцировки определяется набором работающих в данной клетке генов. При изучении молекулярных основ патогенеза какого-либо наследственного заболевания важнейшее значение имеет определение характера экспрессии ответственного за данное заболевание гена

Одной из основных характеристик генома является наличие в нем определенных повторяющихся последовательностей ДНК, составляющих около 36% всего генома человека. В зависимости от длины повторяющихся элементов, числа их копий и характера расположения в геноме условно выделяют сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низкокопийные повторы. Длина единиц повтора может варьировать от 1-2 до более чем 2.000 пар оснований, число копий также может меняться от десятков до сотен тысяч на геном. Повторы могут быть сгруппированы в кластеры, либо распределены по молекуле ДНК, могут быть сосредоточены только в определенном районе одной хромосомы или в разных. В подавляющем большинстве случаев повторяющиеся последовательности не входят в состав генов и особенно их кодирующих областей, поэтому они не транскрибируются и не реализуются в виде какого-либо продукта.

Около 10% всего генома составляют небольшие сателлитные повторы ДНК, распределенные по всему геному. Большое количество таких последовательностей локализовано в центромерных и в теломерных районах хромосом и в интенсивно окрашивающихся областях, так называемого гетерохроматина. Сателлитные ДНК могут играть важную роль в поддержании структурной организации хромосом, в их спаривании в процессе мейоза и в правильном расхождении хромосом по дочерним клеткам.

Большое внимание уделяется анализу так называемых микросателлитных ДНК повторов. Особенностями этих повторов являются их огромное число, разная локализация и достаточно равномерный характер расположения в геноме, высокая индивидуальная вариабельность по числу копий повторов в кластере. Эти свойства, особенно высокая индивидуальная вариабельность копий повторов, позволяют использовать эти последовательности в качестве очень удобных генетических маркеров генома. Именно эти повторы активно сейчас используют для картирования генома. Молекулярный анализ гипервариабельных микросателлитных повторов позволяет проводить идентификацию личности, что имеет большое практическое значение в судебной медицине.

Инвертированные или обращенные повторы занимают около 5% генома человека. Эти повторы состоят из двух одинаковых копий ДНК длиной около 300 пар оснований, ориентированных на разных нитях ДНК в противоположных направлениях. Парные копии лежат на различном расстоянии друг от друга или рядом (палиндромы), их распределение по геному носит случайный характер. Наличие инвертированных повторов обеспечивает нормальный процесс приближения удаленных точек генома для облегчения работы ферментов при репликации и транскрипции.

Наконец, умеренные и низкокопийные повторяющиеся последовательности очень гетерогенны по длине и числу копий и составляют около 20% генома. Короткие умеренные повторы длиной до 500 нуклеотидов, так называемые элементы типа Sine, могут встречаться в геноме сотни тысяч раз. Число копий более протяженных последовательностей типа Line, длина которых может достигать 2.000 пар оснований, обычно не превышает десяти тысяч. В этих участках расположены несколько сайтов распознавания рестриктаз, что используется при исследовании структуры ДНК.

Повторяющимися последовательностями являются также различные регуляторные элементы генома, и в частности области начала репликации хромосом. Такие повторы расположены в среднем через каждые 40 тысяч пар оснований и повторены в геноме человека около ста тысяч раз.

Структура митохондриального генома человека отличается от структуры хромосомного генома. Митохондриальные гены не содержат интронов и расположены в митохондриальной ДНК (мтДНК) с высокой плотностью, некодирующие участки сведены до минимума. Более 15 лет тому назад была полностью изучена последовательность митохондриального генома, состоящего из 16.569 нуклеотидов (59 генов, 22 из которых - это гены транспортных РНК, 2 гена рибосомальной РНК и 13 белковых генов, кодирующие субъединицы комплексов окислительного фосфорилирования; 56 субъединиц этого комплекса кодируется ядерными генами). К настоящему времени описаны заболевания, связанные с мутациями в митохондриальном геноме. Многие из них развиваются вследствие нарушений в системе окислительного фосфорилирования.

Взаимное расположение различных компонентов генома относительно друг друга заносится в генетические карты. Возможность построения таких карт определяется линейностью молекулы ДНК и относительной стабильностью расположения структурных элементов генома в пределах вида. Существуют различные типы генетических карт, различающиеся по масштабам и единицам измерения расстояний между отдельными элементами. Уже построены цитогенетические карты хромосом, физические карты участков ДНК и генетические карты сцепления, включая карты генов, карты микросателлитных индексных повторов и карты секвекированных последовательностей ДНК. Для полной молекулярной идентификации отдельных элементов генома, то есть определения их границ и нуклеотидной последовательности, необходимо совмещение всех типов карт в местах локализации этих элементов.

Основным методом построения карт сцепления является классический генетический анализ - наследования признаков в родословных. Генетические локусы, расположенные в разных хромосомах, не сцеплены, то есть независимо друг от друга передаются от родителей детям. Это обусловлено случайным характером расхождения негомологичных хромосом в мейозе. Для генов одной хромосомы часто наблюдается тенденция сохранения сочетания определенных аллелей в ряду поколений. Новые комбинации родительских аллелей в зародышевых клетках могут появиться только при кроссинговере, т.е. обмене участками гомологичных хромосом в процессе их спаривания в мейозе. Вероятность кроссинговера между двумя генами зависит от расстояния между ними. Чем ближе расположены гены, тем вероятность обмена меньше. На картах сцепления расстояние между генами меряют по вероятности обмена между ними (сантиморганиды или сМ). Одна сМ приблизительно равна 1 миллиону пар нуклеотидных оснований. В то же время частота рекомбинаций зависит от множества других условий. Существуют и особые «горячие» точки, где рекомбинация очень активна, и наоборот, участки, где рекомбинация подавлена (центромеры и теломеры хромосом и др.).
Методы современного генетического анализа

ДНК может быть изолирована из любого типа тканей или клеток, содержащих ядра. У человека ДНК обычно выделяют из лейкоцитов крови, для чего собирают от 0,5 до 2-3 мл венозной крови. В плазме, обогащенной лейкоцитами, с помощью детергентов производят быстрый лизис клеток. Высвобождение ДНК из хромосом достигается за счет протеолитического разрушения ассоциированных с этими молекулами ядерных белков. Наиболее часто для этого используют протеиназу К. Экстрагирование и удаление из раствора фрагментов белков, углеводов, липидов чаще всего производят с помощью фенольной, а затем хлороформной очистки. В дальнейшем молекулы ДНК концентрируют путем преципитации их в этаноле в результате чего ДНК выпадает в осадок и может длительно храниться при минусовых температурах. При необходимости использования образца ДНК ее осаждают с помощью высокоскоростного центрифугирования, сливают спирт и растворяют в буферном растворе.

Распространенным методом работы с молекулами ДНК и РНК является электрофорез в полиакриламидном или агарозном гелях. Гель помещают в камеру с буферным раствором, в котором суммарный заряд ДНК отрицателен, так что при подключении электрического тока фрагменты начинают двигаться в порах геля от катода к аноду. При этом скорость продвижения ДНК сквозь поры зависит от величины и конфигурации молекул, что и определяет их разделение. Идентификация ДНК в геле осуществляют путем специфического окрашивания, чаще всего - бромидом этидия или серебром.

Открытие бактериальных ферментов, обладающих эндонуклеазной активностью - рестрикционных эндонуклеаз, или рестриктаз, значительно продвинуло исследование структуры ДНК и возможности генно-инженерного манипулирования с молекулами ДНК. Рестриктазы выделяют путем биохимической очистки из различных видов бактерий. В настоящее время известно более 500 различных типов рестриктаз. В генетической инженерии используются в основном рестриктазы II типа. Каждый из этих ферментов узнает свою, специфическую последовательность из нескольких нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК и разрезает ее на фрагменты в местах локализации этих последовательностей, называемых сайтами рестрикции. В результате действия рестриктаз образуются фрагменты ДНК определенной длины. Количество образующихся фрагментов определяется частотой встречаемости сайтов рестрикции, а их размер - характером распределения этих сайтов по длине исходной молекулы ДНК. Таким образом, при использовании рестриктаз можно получить фрагменты ДНК разной длины, а размеры фрагмента определяют также при электрофорезе в геле. Этот метод позволяет определить молекулярную массу фрагментов, а значит физическое расстояние между сайтами рестрикции.

Следующим этапом анализа изолированного фрагмента ДНК является определение нуклеотидной последовательности, то есть секвенирование. При этом надо получить серию комплементарных матрице молекул ДНК, различающихся по длине на одно основание. Чаще для секвенирования используют метод Сэнджера, когда после гибридизации праймера (искусственно синтезированная нуклеотидная последовательность) добавляют ДНК-полимеразу и другие компоненты, необходимые для репликации, а также терминирующие дидезоксинуклеотиды, и иницируют синтез ДНК фрагментов различной длины. В последующем при электрофоретическом разделении может быть определен размер этих синтезированных фрагментов и локализация дидезоксинуклеотидов, соответствующая порядку нуклеотидов в исходной молекуле ДНК. В последнее время развивается метод секвенирования путем гибридизации используемой последовательности ДНК с набором олигонуклеотитов, так называемой олигонуклеотидной матрицей. С этой целью создаются наборы матриц - чипы, в ячейках которых иммобилизированы все возможные варианты перестановок из 4-х стандартных нуклеотидов.

Идентификация специфических участков в молекулах ДНК осуществляется с помощью ДНК-зондов. Зондом может служить любая однонитевая ДНК ограниченного размера, используемая для поиска комплементарных последовательностей. При добавлении такой молекулы к пулу разнообразных однонитевых ДНК и обеспечении условий для гибридизации ДНК-зонд образует двунитевую структуру только с определенной молекулой ДНК и только в том месте, где он найдет комплементарную последовательность. В ДНК-зонд может быть введена радиоактивная, биотиновая, флюоресцентная или другая метка, по которой можно следить за его месторасположением. В ряде случаев в качестве зондов используют искусственным образом синтезированные олигонуклеотидные последовательности ДНК, размер которых обычно не превышает 3-х оснований.

Зондами также могут служить выделенные из генома клонированные последователь­ности ДНК. В качестве векторов для клонирования широко применяют плазмидную ДНК, фаги (бактериальные вирусы), или искусственные дрожжевые хромосомы. Идентификацию с помощью ДНК-зондов специфических участков в геномной ДНК проводят после ее рестрикции и электрофоретического разделения образовавшихся фрагментов. Эта технология, получила название блот-гибридизации по Саузерну в честь автора, предложившего его в 1975 г. Блот-гибридизация - высокочувствительный метод идентификации специфических последовательностей ДНК. Однако необходимость работы с чистыми препаратами ДНК, применения меченых радиоактивных зондов, длительность и трудоемкость всей процедуры делают её весьма дорогостоящей, и ограничивает ее применение. Гибридизация с меченым ДНК-зондом препаратов ДНК, нанесенных капельно на твердый матрикс без предварительной рестрикции и электрофореза, носит название дот- или слот-гибридизации в зависимости от конфигурации пятна ДНК на фильтре - округлой или продолговатой формы. Метод гибридизации ДНК-зондов с электрофоретически разделенными молекулами РНК носит название Нозерн-блот-гибридизации, тогда как связывание электрофоретически разделенных белков, фиксированных на фильтрах с мечеными антителами, получил название Вестерн-блот.

Гибритизацию возможно проводить на гистологических или хромосомных препаратах, используя методы гибридизации in situ. Гибридизация in situ на хромосомных препаратах является одним из наиболее эффективных методов картирования комплементарных зонду последовательностей ДНК на хромосомах. Гибридизация in situ между молекулами РНК и кДНК-зондами, проводимая на гистологических препаратах, является одним из наиболее эффективных методов молекулярного анализа тканеспецифической экспрессии генов. Метод гибридизации in situ с ДНК-зондами позволяет определять не только тканеспецифическое распределение, но и внутриклеточную локализацию мРНК на гистологических срезах.

Набор клонированных фрагментов ДНК, полностью отражающих исходную молекулу ДНК, выделенную из какого-либо специфического источника, называют "библиотекой генов". В зависимости от происхождения ДНК различают геномные и ДНК-овые, обычно тканеспецифические, библиотеки генов. Для конструирования геномных библиотек используют тотальную ДНК, выделенную из лейкоцитов периферической крови, из культур клеток, эмбриональных тканей и других биологических источников. Разработаны методы сравнительного анализа различных тканенеспецифических библиотек, с тем чтобы выявить группы генов, экспрессирующихся только в одной ткани или одновременно в двух или нескольких разных тканях.

Гибридизация с ДНК-зондами и клонирование - очень трудоемкие методы, требуют большого количества ДНК и имеют ряд существенных недостатков и ограничений. Особых затрат требует создание зондов и дальнейшая инактивация меченных изотопом реагентов. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) или специфической амплификации ДНК, изобретенный К. Мюллисом (удостоен за это Нобелевской премии), позволил избирательно синтезировать in vitro более миллиона копий любого участка ДНК длиной от нескольких десятков до нескольких тысяч пар нуклеотидов. При этом в качестве матрицы могут быть использованы любые образцы ДНК с частично или полностью известной нуклеотидной последовательностью. Огромное количество копий синтезируемого или амплифицируемого, фрагмента ДНК и небольшие его размеры позволяют проводить прямое молекулярное исследование этого участка. Конкретные методы анализа амплифицированных фрагментов и составляют основу современной клинической ДНК-диагностики, то есть оценки состояния определенного участка гена. Необходимым условием для проведения ПЦР является знание нуклеотидной последовательности, фланкирующей амплифицируемую область ДНК, так как специфический выбор этого участка осуществляется путем гибридизации матричной ДНК с двумя праймерами - искусственно синтезированными молекулами ДНК, размером обычно от 15 до 30 пар оснований, комплементарных 3'-концам амплифицируемого участка на смысловой и антисмысловой нитях ДНК. Расстояние между праймерами определяет длину синтезируемых молекул.

ПЦР обычно проводят в автоматическом режиме, используя для этого специальные приборы - амплификаторы. Такой прибор позволяет задавать нужное количество циклов и выбирать оптимальные временные и температурные параметры для каждой процедуры. В техническом исполнении ПЦР достаточно проста. Все компоненты реакции (матричную ДНК, праймеры, смесь дезокситрифосфатов и термофильную ДНК-полимеразу) добавляют в специфический буфер, помещают в амплификатор и выбирают необходимую программу циклической смены температуры и длительности каждого шага реакции. Для проведения реакции не требуется большого количества ДНК. Метод ПЦР позволяет проводить прямую диагностику мутаций в генах для сотен моногенных наследственных заболеваний. Этот метод является ключевым для расшифровки генетических основ предрасположенности к наиболее частым мультифакториальным болезням. На ПЦР основаны современные методы диагностики бактериальных и вирусных инфекций, позволяющие обнаруживать присутствие инфицирующих агентов вне зависимости от их активности.