Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные методы изучения генетики человека. Учебное пособие
.pdf
81
ния. Возможность проведения пренатальной диагностики является определяю-
щей для принятия положительного решения в отношении завершения беременности. Расчеты генетического риска не являются самоцелью консультирования.
Полученные значения риска служат основой для принятия решения относительно планирования деторождения.
На заключительном этапе медико-генетического консультирования
врач-генетик в доступной форме объясняет семье степень генетического риска
рождения больного ребенка. Это один из самых ответственных этапов.
Консультант-генетик всегда должен учитывать мотивы, которыми могут руководствоваться люди (эмоциональные, социально-экономические и др.),
оценивать интеллектуальный и образовательный уровни супругов или самого
пробанда, психологический климат в семье. В дальнейшем семья самостоятельно принимает приемлемое для нее решение относительно репродуктивного по-
ведения при риске возникновения наследственного заболевания.
В настоящее время медико-генетическая служба страны разделена на
четыре уровня. Каждый уровень соответствует своим задачам и клинико-лабораторным возможностям.
Первый уровень — лечебно-профилактические учреждения всех профи-
лей. Основная задача специалистов на этом уровне заключается в выявлении
наследственных и врожденных заболеваний с выраженным фенотипом. К тако-
вым относятся хромосомные синдромы (синдромы Дауна, Шерешевского —
Тернера, Клайнфельтера), состояния, при которых показано проведение диффе-
ренциального диагноза с моногенными заболеваниями (муковисцидоз, фенилкетонурия, адреногенитальный синдром, гепатолентикулярная дегенерация
и многие другие), расщелина губы и неба, врожденные дефекты опорно-дви-
гательной системы, детский церебральный паралич, сложные симптомоком-
плексы с включением врожденного порока сердца и многие другие.
Второй уровень — областные и республиканские лечебно-профилакти-
ческие учреждения, в задачи которых входит все сказанное выше. Однако на
этом уровне имеется больше возможностей проведения широкого спектра ла-
бораторных и функциональных методов исследования.
Третий уровень — областные (республиканские, краевые) медико-гене-
тические консультации. Основными задачами медико-генетических консультаций являются:
– медико-генетическое консультирование семей;
– диагностика хромосомных и моногенных заболеваний;
– внедрение массового забора образцов крови у новорожденных в ро-
дильных домах для выполнения скрининга по выявлению муковисцидоза, фе-
нилкетонурии, адреногенитального синдрома, галактоземии и гипотиреоза;
82
– внедрение и проведение скрининга у беременных на сывороточные
маркеры с включением ультразвукового сканирования в I триместре и при
необходимости во II триместре беременности для выделения группы риска по
рождению детей с хромосомными аномалиями, моногенными заболеваниями
и ВПР;
– внедрение и проведение методов селективного скрининга и диагностика
моногенных заболеваний углеводного и других обменов;
– осуществление ультразвуковой и инвазивной пренатальной диагностики хромосомных, моногенных заболеваний и ВПР у плода;
– развитие и осуществление медико-социальной реабилитации семей,
имеющих больных детей;
– пропаганда медико-генетических знаний как среди врачей, так и среди
населения.
Четвертый уровень — федеральный. К этому уровню относятся специализированные медико-генетические центры, в штат которых входят высокопрофессиональные, эрудированные, опытные специалисты. Медико-генетический центр располагает высокопрецизионным дорогостоящим оборудованием
как для проведения лабораторно-биохимических, цито- и молекулярно-генети-
ческих исследований, так и для инструментальных исследований. Функцио-
нальная задача медико-генетического центра соответствует выполнению всех
перечисленных ниже программ, но с более широкими возможностями как со
стороны врачебного персонала, так и с технической стороны.
83
12. БИОИНФОРМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Биоинформатика — это дисциплина, которая формируется на основе
биологических данных с использованием информатики и компьютерных технологий. В ней применяются математические, статистические и вычислительные
методы и программы, которые направлены на решение проблем с использованием биологической информации: ДНК, аминокислотных последовательностей
и баз данных. Датой выделения биоинформатики в отдельную научную область
можно считать 1980 г., когда началось издание журнала Nucleic Acids Research,
целиком посвященного компьютерным методам анализа последовательностей.
Стимулом для развития биоинформатики и персонализированной медицины
явился международный проект по секвенированию генома человека.
После определения последовательности ДНК человека возникла необходимость идентификации генов в ДНК человека, обеспечения хранения этой информации в базах данных, совершенствования и развития средств для анализа
данных, нового дизайна генетических исследований. В настоящее время очевид-
на важность изучения генетических факторов в развитии заболеваний и сохранении здоровья человека, поэтому усилия генетики и медицины направлены на то,
чтобы понять структуру и изменчивость генома человека. В настоящее время
развитие получил проект по секвенированию различных рас и народностей
нашей планеты под названием «1 000 геномов» (http://www.1000genomes.org).
Цели биоинформатики:
1. Организовывать данные таким образом, чтобы исследователи имели
доступ к текущей информации, хранящейся в базах данных, и могли вносить
в нее новые записи по мере получения новых сведений.
2. Развивать программные средства и информационные ресурсы, которые
помогают в управлении данными и в их анализе.
3. Применять эти средства для анализа данных и интерпретации полученных результатов таким образом, чтобы они имели биологический смысл.
Задачи биоинформатики состоят в анализе информации, закодирован-
ной в биологических последовательностях, в частности:
– обнаруживать гены в последовательностях ДНК различных организмов;
– развивать методы изучения структуры и (или) функции новых расшиф-
рованных последовательностей и соответствующих структурных областей РНК;
– определять семейства родственных последовательностей и строить
модели;
– выравнивать подобные последовательности и восстанавливать филоге-
нетические деревья с целью выявления эволюционных связей.
84
Помимо перечисленных выше задач, следует упомянуть еще один важ-
нейший вопрос биоинформатики, который напрямую связан с фармацевтиче-
ской биотехнологией, — обнаружение мишеней для медикаментозного воздействия и поиск перспективных опытных соединений (так называемых «лидов»
(от англ. lead compound)). С помощью биоинформатики могут быть описаны
генотипы, сопряженные с патофизиологическими состояниями, что в принципе
позволит опознать соответствующие молекулярные мишени. Затем по известной последовательности нуклеотидов может быть определена вероятная аминокислотная последовательность кодируемого целевого белка. В случае принятия
такого подхода методы изучения последовательностей могли бы применяться
для поиска гомологов у опытных организмов.
Рис. 39. Положение молекулы ингибитора BMS-962212 в активном центре
фактора свертываемости крови XIa. Поверхность белка показана как доступная
растворителю; цвет поверхности соответствует находящимся вблизи нее
типам атомов белка: белый цвет соответствует атомам водорода, синий — азота,
красный — кислорода, серый — углерода, желтый — атомам серы. Рисунок сделан
с помощью молекулярного редактора MolRed; добавление атомов водорода
к белковой молекуле выполнено в программе Aplite, протонирование
молекулы лиганда — в программе Avogadro
На основании подобия последовательностей было бы возможно модели-
ровать структуру конкретного белка, взяв за основу экспериментально установ-
ленные структуры. И наконец, компьютерные алгоритмы докинга могли бы
85
проектировать молекулы, потенциально связывающиеся с целевым белком, от-
бирая наиболее перспективные варианты для биохимических испытаний, про-
веряющих биологическую активность этих молекул уже на реальном белке. На
рис. 39 для примера показано положение прямого обратимого ингибитора
BMS-962212 фактора свертываемости FXIa, находящегося в фазе I клинических
испытаний как перспективное лекарственное средство, влияющее на систему
гемостаза.
Медицинские приложения биоинформатики связаны главным образом
с анализом экспрессии генов. Как правило, регистрируют данные об экспрессии
в клетках, пораженных различными заболеваниями, и затем сравнивают эти из-
мерения с нормальными уровнями экспрессии. Те гены, которые демонстриру-
ют изменения в экспрессии в пораженных клетках, вероятнее всего, и связаны
с данным заболеванием. Это позволяет выяснить причину болезни и указывает
потенциальные мишени для лекарственных препаратов. Располагая подобной
информацией, можно разрабатывать соединения, которые связываются с экс-
прессируемым белком. Далее могут быть проведены эксперименты на микро-
матрицах, чтобы оценить реакцию на фармакологическое воздействие получен-
ного опытного соединения.
Подобный подход может помочь также при разработке тестов для обна-
ружения или прогноза токсичности опытных лекарств на стадии клинических
испытаний. Объединение биоинформатики с экспериментальной геномикой
позволит решить целый ряд актуальных задач, например: послеродовое определение генотипа для оценки восприимчивости или устойчивости индивидуума
к определенным болезням и патогенам, индивидуальное предписание уникального сочетания вакцин, уменьшение затрат на лечение за счет повышения эф-
фективности терапии и предупреждения рецидивов заболевания. Все вместе эти
новшества могут привести к разработке индивидуальных пищевых рационов
и выявлению заболеваний на ранних стадиях. Кроме того, программы медика-
ментозного лечения могли бы индивидуально подбираться для конкретного па-
циента и его заболевания и таким образом обеспечивать наиболее эффективный
курс лечения с минимальными побочными эффектами.
В течение последнего десятилетия в связи с развитием биоинформатики
произошло удивительное превращение в нашем понимании молекулярногенетических основ рака и других заболеваний и их лечении. В XX в. были выяснены причины рака. Было показано, что рак возникает на основе ряда генетических и эпигенетических изменений в так называемых генах-драйверах, следующих друг за другом на протяжении продолжительного периода времени: от
86
нескольких лет до нескольких десятков лет. С использованием последних до-
стижений разработаны методы секвенирования геномов единичных клеток
и показано, что каждый тип рака может быть подразделен на множество групп,
основанных на генетических профилях клеток.
В результате секвенирования генома человека и развития методов биоин-
форматики впервые появилась возможность системного изучения раковых за-
болеваний на основе большого количества пациентов и широкомасштабного
скрининга геномов. Поэтому расширение применения методов биоинформати-
ки по характеристике генома и транскриптома клеток в нормальном и патоло-
гических состояниях является приоритетным направлением в области онколо-
гии для целей персонифицированной медицины. Эта информация была исполь-
зована для разработки новых, более специфичных (таргетных) препаратов
и методов лечения для больных раком. В 2010 г. для характеристики мутацион-
ных и эпигенетических изменений генов в различных видах рака создан Меж-
дународный консорциум по изучению генома злокачественных опухолей, це-
лью которого является координация крупных международных исследований по
изучению генома 50 наиболее распространенных форм злокачественных опухолей.
В Медико-генетическом научном центре РАМН разработаны две компь-
ютерные информационно-поисковые системы (ИПС): SYNGEN и CHRODYS.
Эти системы ориентированы на первичную диагностику, уточнение показаний
к кариотипическому исследованию и фундаментальное изучение морфогенеза
человека. Система SYNGEN, включающая 1 920 синдромов врожденных поро-
ков развития, значительно ускоряет постановку объективного диагноза. Опери-
руя почти двумя тысячами синдромов и словарем, обозначающим полторы ты-
сячи признаков, с помощью этой компьютерной системы можно достаточно
быстро составить список диагнозов кандидатов по исходным клиническим характеристикам. Таким образом, информационно-поисковая система SYNGEN
помогает выявить синдромальные формы заболеваний и может стать незаме-
нимым средством в профилактике врожденных болезней.
Система CHRODYS позволяет осуществлять анализ фено-кариотипических корреляций при хромосомном дисбалансе. В системе CHRODYS собраны
сведения более чем о 600 хромосомных синдромах, точно установленных или
заявленных как возможные формы, по всем аутосомам (они представлены по
каждому виду патологии несколькими или единичными случаями).
В Московском НИИ педиатрии и детской хирургии была создана широко
известная система по наследственным болезням у детей «ДИАГЕН», ориенти-
87
рованная на выделение узкого дифференциально-диагностического ряда из
1 200 моногенных и хромосомных заболеваний детского возраста на долабора-
торном этапе обследования детей, т. е. до проведения специальных дорогосто-
ящих исследований, позволяющих окончательно уточнить диагноз. Она вклю-
чает три подсистемы: диагностику, архив, справочник (клинические аспекты
и библиографию). Она также включает фотоархив, содержащий более 1 000 изображений характерных фенотипических проявлений данных болезней и синдро-
мов. В системе предусмотрена и работа в условиях неопределенных и неточных
исходных данных, что особенно важно для клинической генетики, где, как бы-
ло отмечено, имеют место значительная фенотипическая вариабельность забо-
леваний, а также возрастная зависимость клинических проявлений при метабо-
лических болезнях накопления.
88
13. МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ
Метод моделирования в медицине — это средство, которое позволяет
устанавливать глубокие и тесные связи между теорией и практикой. Последнее
время все большое количество исследований в медицине становится невозмож-
но выполнить экспериментальным путем, в то время как метод моделирования
является наиболее подходящим для этих целей. Наибольшей популярностью
пользуются математические и биологические модели.
Математическое моделирование в медицине направлено на изучение
физиологических процессов в организме человека в норме и патологии с помощью математических моделей. Возможны как персонализированные, так
и осредненные по популяции математические модели. Персонализированные
модели используются для диагностики или прогноза результата лечения конкретного пациента, осредненные модели — для выявления новых взаимосвязей,
вытекающих из физических и/или физиологических законов, положенных в ос-
нову моделей.
Рис. 40. Пример моделирования распространения ежедневно выявленных
случаев COVID-19 в Новосибирской области с 12.03.2020 по 30.11.2021
(расчеты проведены 16.10.2021). Синяя линия — SEIR-HCD-модель,
красная линия — АОМ, зеленая линия — реальные данные с 12.03.2020 по 16.10.2021
Математическое моделирование в иммунологии направлено на изучение
инфекционных (развитие вирусного заболевания) и иммунофизиологических
процессов в организме человека с помощью математических моделей. Примерами актуальных задач являются моделирование различных режимов развития
89
таких социально-значимых вирусных заболеваний, как СПИД, поиск эффек-
тивных управляющих воздействий на инфекционные и иммунофизиологиче-
ские процессы для построения эффективных методов терапии. Математическое
моделирование в эпидемиологии направлено на изучение распространения за-
болеваний в человеческой популяции и управляющие воздействия противоэпидемических мероприятий с помощью математических моделей. Примерами ак-
туальных задач, решаемых в ИВМ РАН, являются модели распространения
в России туберкулеза и COVID-19 (рис. 40).
Биологическое моделирование наследственных болезней представляет
собой большой раздел экспериментальной биологии и генетики. Теоретическую
основу биологического моделирования в генетике дает закон гомологических
рядов наследственной изменчивости, открытый Н.И. Вавиловым. Согласно за-
кону, «генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами
наследственной изменчивости». Исходя из этого положения можно предвидеть,
что у некоторых животных можно обнаружить мутации, вызывающие такие же
изменения фенотипических признаков, как и у человека.
Для моделирования определенных наследственных аномалий человека
подбирают и изучают мутантные линии животных, имеющих сходные нарушения. Были описаны и изучены многие генные мутации у животных, имеющих
сходство с соответствующими наследственными аномалиями человека. Напри-
мер, гемофилия А и В встречается у крыс и обусловлена, как и у человека, рецессивными генами, локализованными в Х-половой хромосоме. У собак обна-
ружены патологические мутации, проявляющиеся как гемофилия, сахарный
диабет, ахондроплазия, мышечная дистрофия. Эпилептические припадки встречаются у крыс под воздействием сильного звукового раздражителя.
Используется метод и для создания моделей наследственных болезней
человека с помощью трансгенных животных (рис. 41).
Рис. 41. Схема получения линии трансгенных мышей
с использованием ретровирусных векторов
90
Мутантные линии животных путем возвратного скрещивания привели
к генетическому сходству. В результате получили линии, различающиеся только по аллелям одного гена (табл. 3). Это дало возможность уточнить механизм
развития многих наследственных аномалий.
Таблица 3
Использование некоторых линий грызунов
в биомедицинских исследованиях
(по В.И. Белякову и др., 2021)
Примеры использования
Линии
Крысы
Иммунодефицитные
Rowett, Fuzzy, Shorn
Инсулинрезистентные
BB/Wor
Онкогенные
Lewis
Грызуны с ожирением
Zucker
Трансгенные со специальными свойствами
Wistar GFP
Для изучения заболеваний сердечно-сосудистой системы
и гипертонической болезни
SHR
Мыши
Иммунодефицитные
nu, scid
Инсулинрезистентные
NOD
C повышенной способностью к регенерации
MRL
C повышенной способностью к обучению
Doogie
С увеличенной мышечной массой
Myostatin-knockout
Крысы линии Zucker — классическая модель для исследования ожирения,
гипертонии, сахарного диабета II типа и нарушений функции сердца. У представителей этой линии существует рецессивная мутация fa (англ. fatty — жирный) в гене Lepr, кодирующем рецептор гормона насыщения — лептина. Эта
мутация приводит к замене аминокислоты глутамина на пролин в рецепторе.
В результате в организме этих животных происходит синтез мутантного рецептора, который встраивается в мембрану клеток гипоталамуса, в результате чего
лептин не может связаться со своим рецептором и в мозг не поступают сигналы
насыщения. Интересно, что у крыс Zucker подавлено физиологическое состояние «бей или беги». Следовательно, их можно использовать для исследования
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]