Экспрессия генов Патрушев

791

мишени, находящейся в индивидуальном элементе микроматрицы, общие размеры которой как правило составляют 1 х 1 см. Поскольку время диффузии зонда пропорционально квадрату расстояния до мишени, общее время гибридизации можно понизить путем увеличения плотности расположения элементов на микрочипе. Кроме того, одним из подходов к уменьшению времени гибридизации является придание молекулам зондов направленности перемещения к мишеням в электрическом поле, когда микроматрицу располагают на электроде.

Чувствительность метода. Чувствительность метода специфического обнаружения последовательностей ДНК с использованием технологии микроматриц определяется отношением количества зонда, связавшегося со специфической мишенью, к количеству неспецифически связавшегося зонда. Чем выше это отношение, тем больше чувствительность метода. Неспецифическое связывание зонда может происходить как с самой подложкой, так и с гомологичными зонду последовательностями нуклеотидов ДНК-мишени с образованием неправильно спаренных оснований. В последнем случае могут быть получены ложноположительные результаты. Поскольку площадь пятна специфической мишени значительно меньше доступной зонду поверхности микрочипа, при малых временах гибридизации количество неспецифически сорбированного зонда будет значительно превышать количество зонда, находящегося в правильных гибридах. Эту ситуацию улучшают путем увеличения времени гибридизации до достижения процессом стационарной фазы. В этой связи интерпретация картин гибридизации требует постановки адекватных контролей для оценки эффективности неспецифического связывания зонда поверхностью микрочипа. Кроме того, для количественной оценки гибридизации необходимо использовать количества зонда, не насыщающие мишени микрочипа во время отжига.

Эффективность детекции флуоресценции как таковой является одним из самых сильных факторов, сдерживающих развитие технологии микрочипов ДНК. По мере уменьшения размеров элементов микроматриц все меньшее количество молекул ДНК-мишени становится доступным зонду. Современные методы позволяют обнаруживать ДНК-мишени в аттомолярных концентрациях (10-18 М) при плотности в одну молекулу ДНК на 1 мкм2. Для этой цели чаще всего используются системы, основанные на конфокальной сканирующей

792

лазерной микроскопии. При определении альтернативных состояний гомологичных последовательностей ДНК-мишеней, в частности, аллельного (нормального или мутантного) состояния конкретного гена, применяют двухцветные системы. В таких системах один из зондов, например специфичный в отношении аллеля дикого типа, метят флуоресцентным красителем одного цвета (красным), а другой (мутантный) – флуорофором другого цвета (зеленым). Зонды одновременно гибридизуют с анализируемым микрочипом, который далее сканируется при обеих длинах волн, что позволяет обнаруживать тот или иной зонд, сохранившийся в гибриде, и на этом основании делать вывод об аллельном состоянии гена.

11.3.3.Использование микроматриц ДНК в фундаментальных и

прикладных исследованиях

Определение первичной структуры и картирование ДНК являются основными направлениями использования микроматриц олигонуклеотидов в настоящее время. Прямое секвенирование генов с помощью олигонуклеотидных микрочипов сдерживается необходимостью применения мягких условий гибридизации, при которых происходит внутреннее спаривание нуклеотидов как в зондах, так и в анализируемых частях генов, что часто является причиной неправильной интерпретации получаемых данных. Тем не менее, на основании результатов гибридизации продуктов ПЦР-амплификации частей клонов геномных библиотек с микроматрицами олигонуклеотидов удается осуществлять достаточно эффективное упорядочивание клонов друг относительно друга. Продемонстрирована возможность осуществления биохимических манипуляций с ДНК, иммобилизованных на микрочипах, с использованием ДНК-полимераз и эндонуклеаз рестрикции. Такие воздействия применяют параллельно с гибридизацией для получения дополнительной информации об анализируемых ДНК.

Исследование генетического полиморфизма ДНК. Более информативными оказываются результаты использования микроматриц ДНК для оценки генетического полиморфизма родственных геномов. Способность зондов гибридизоваться с ДНК микроматриц сильно изменяется при наличии даже единственного неспаренного нуклеотида в гибридах зонд–мишень. Это позволяет с высокой эффективностью осуществлять поиск полиморфизмов в

793

сравниваемых геномах даже на уровне различий в отдельных нуклеотидах. Например, путем гибридизации геномной ДНК двух штаммов дрожжей с микроматрицами олигонуклеотидов удалось картировать на участке ДНК длиной в 57 т.п.о. полиморфные локусы, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость. Детальное сравнение экзона 11 гена BRCA1 человека с гомологичными последовательностями семи других биологических видов позволило обнаружить отдельные полиморфные нуклеотиды с замечательной точностью (99,5–99,9%).

Такого рода результаты дали возможность разработки на основе микроматриц ДНК нескольких ДНК-диагностикумов, с помощью которых обнаруживают полиморфизмы на уровне отдельных нуклеотидов в геноме вирусов, бактерий, дрожжей и высших эукариот. С применением этого подхода были идентифицированы мутации в геноме человека, ассоциированные с различными заболеваниями, включая рак молочной железы, муковисцидоз, β- талассемию, а также диагностирована ВИЧ-инфекция. В недавно проведенном исследовании участка генома человека длиной в 2,3·106 п.о. было обнаружено2000 полиморфизмов на уровне отдельных нуклеотидов, что позволяет представить себе масштабы генетической изменчивости в популяциях человека.

Исследование экспрессии генов с использованием микроматриц ДНК. Технология микрочипов ДНК позволяет осуществлять одновременный мониторинг за экспрессией большого числа генов (expression profiling). С этой целью для генов с известными последовательностями нуклеотидов создается микроматрица сегментов кДНК длиной 0,5–1,0 т.п.о. Из анализируемых образцов (например опухоли и здоровой ткани) выделяют суммарную мРНК, которую с помощью обратной транскрипции превращают в кДНК, метят флуоресцентными красителями и используют для последующей конкурентной гибридизации с зондами, нанесенными на микроматрицу. Интенсивность флуоресценции отдельных элементов микроматрицы после образования гибридов позволяют качественно характеризовать различия в уровнях экспрессии конкретных генов в анализируемых образцах. Например, отсутствие конкуренции за образование гибридов со стороны кДНК нормальной ткани может говорить о транскрипции в опухоли новых генов, не экспрессирующихся в нормальных клетках.

794

Такой подход успешно использовали для характеристики ответа клеток в культуре или in vivo по изменению уровней экспрессии генов на различные внешние стимулы, включая тепловой шок, воспалительные реакции и канцерогенные воздействия. Помимо известных генов в мониторинг иногда включают и случайные клоны кДНК, что позволяет идентифицировать новые гены, экспрессия которых ассоциирована с патологическими состояниями органов и тканей. С использованием микроматриц кДНК в современный анализ могут быть одновременно включены до 10000 экспрессирующихся генов.

Микроматрицы олигонуклеотидов также применяют для определения профилей экспрессии генов. В этом случае для повышения эффективности мониторинга одновременно в разных элементах матрицы используют несколько олигонуклеотидов, комплементарных различным частям анализируемых кДНК. С помощью этого подхода недавно был определен профиль экспрессии 6800 генов в культивируемых клетках фибросаркомы в присутствии γ-интерферона.

Функциональная геномика. Эффективное использование результатов мониторинга за экспрессией большого числа генов требует лучшего понимания функций анализируемых генов. Решением проблемы определения функций новых генов занимается раздел генетики, получивший название функциональной геномики. Лишь немногие заболевания возникают в результате повреждения отдельных конкретных генов. В большинстве случаев приходится говорить о предрасположенности к заболеванию в связи с наличием в геноме конкретной мутации. Сопоставление генетической информации, получаемой при использовании микроматриц ДНК, с результатами статистического анализа возникновения, протекания и исхода заболеваний может дать ключ к правильной интерпретации результатов генетического скрининга генома человека обсуждаемыми методами. Возможность одновременного наблюдения за изменением экспрессии очень большого числа генов в строго контролируемых условиях открывает новые перспективы функционального исследования генома как единого целого.

В заключение можно сказать, что микроматрицы ДНК уже сегодня находят применение в фундаментальных исследованиях, промышленности и клинике в качестве инструментов анализа экспрессии большого числа генов, определения генетической предрасположенности организма к различным патологическим состояниям, скрининга новых фармакологических препаратов.

795

Критическими моментами, препятствующими широкому распространению этих технологий, являются ограниченные чувствительность обнаружения гибридизационных сигналов и специфичность гибридизации, трудности в количественной оценке сигналов и обработке большого количества получаемых данных с целью их интерпретации, а также высокая стоимость микрочипов ДНК. Однако микроматрицы ДНК даже в современном виде успешно используются и будут применяться для решения многих задач биологии и медицины.

796

ГЛАВА 12.КАРТИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

После краткого рассмотрения основных методов, наиболее часто используемых в молекулярной генетике для исследования структуры и механизмов функционирования генов, представляется целесообразным на примере генома человека подробнее познакомиться с практическим применением этих методов и их модификаций для изучения больших геномов. В целях всестороннего исследования генома человека, этого колоссального по объему хранилища его генетической информации, недавно была разработана и воплощается в жизнь специальная международная программа "Геном человека" ("Human Genome Project"). Основной задачей программы является построение исчерпывающих генетических карт большого разрешения каждой из 24 хромосом человека, которое, в конечном счете, должно завершиться определением полной первичной структуры ДНК этих хромосом. В настоящее время работы по проекту идут полным ходом. В случае успешного его завершения (а это по планам должно произойти в 2003 г.) у человечества появятся перспективы досконального изучения функциональной значимости и механизмов функционирования каждого из его генов, а также генетических механизмов, управляющих биологией человека, и установления причин большинства патологических состояний его организма.

12.1. Основные подходы к картированию генома человека

Решение основной задачи программы "Геном человека" включает три основных этапа. На первом этапе необходимо специфическим образом разделить каждую индивидуальную хромосому на части меньшего размера, позволяющего их дальнейший анализ известными методами. Вторая стадия исследований предполагает определение взаимного расположения этих индивидуальных фрагментов ДНК друг относительно друга и их локализации в самих хромосомах. На завершающем этапе необходимо произвести собственно определение первичной структуры ДНК каждого из охарактеризованных фрагментов хромосом и составить полную непрерывную последовательность их нуклеотидов. Решение задачи не будет полным, если в найденных

797

последовательностях нуклеотидов не удастся локализовать все гены организма и определить их функциональное значение. Прохождение трех вышеперечисленных этапов требуется не только для получения исчерпывающих характеристик генома человека, но и любого другого генома большого размера.

12.1.1.Генетические карты сцепления

Генетические карты сцепления представляют собой одномерные схемы взаимного расположения генетических маркеров на индивидуальных хромосомах. Под генетическими маркерами понимают любые наследуемые фенотипические признаки, различающиеся у отдельных особей. Фенотипические признаки, отвечающие требованиям генетических маркеров, весьма разнообразны. Они включают в себя как особенности поведения или предрасположенность к определенным заболеваниям, так и морфологические признаки целых организмов или их макромолекул, различающихся по структуре. С развитием простых и эффективных методов исследования биологических макромолекул такие признаки, известные под названием молекулярных маркеров, стали наиболее часто использоваться при построении генетических карт сцепления. Прежде чем перейти к рассмотрению методов построения таких карт и их значения для исследования генома, необходимо напомнить, что термин "сцепление" употребляется в генетике для обозначения вероятности совместной передачи двух признаков от одного из родителей потомству.

При образовании половых клеток (гамет) у животных и растений на стадии мейоза, как правило, происходит синапсис (конъюгация) гомологичных хромосом. Сестринские хроматиды гомологичных хромосом соединяются по всей длине друг с другом, и в результате кроссинговера (генетической рекомбинации между хроматидами) происходит обмен их частями. Чем дальше два генетических маркера располагаются друг от друга на хроматиде, тем больше вероятность того, что разрыв хроматиды, необходимый для кроссинговера, произойдет между ними, и два маркера в новой хромосоме, принадлежащей новой гамете, окажутся отделенными друг от друга, т.е. их сцепление нарушится. Единицей сцепления генетических маркеров является морганида (единица Моргана, М), которая содержит 100 сантиморганид (сМ). 1

798

сМ соответствует физическому расстоянию на генетической карте между двумя маркерами, рекомбинация между которыми происходит с частотой 1%. Выраженная в парах оснований 1 сМ соответствует 1 млн п.о. (м.п.о.) ДНК.

Генетические карты сцепления правильно отражают порядок расположения генетических маркеров на хромосомах, однако полученные при этом значения расстояний между ними не соответствуют реальным физическим расстояниям. Обычно данный факт связывают с тем, что эффективность рекомбинации между хроматидами на отдельных участках хромосом может сильно различаться. В частности, она подавлена в гетерохроматиновых участках хромосом. С другой стороны, в хромосомах часто встречаются "горячие точки" рекомбинации. Использование частот рекомбинации для построения физических генетических карт без учета этих факторов будет приводить к искажениям (соответственно занижению или завышению) реальных расстояний между генетическими маркерами. Таким образом, генетические карты сцепления являются наименее точными из всех имеющихся типов генетических карт, и их можно рассматривать только в качестве первого приближения к реальным физическим картам. Тем не менее, на практике именно они и только они позволяют локализовать сложные генетические маркеры (например ассоциированные с симптомами заболевания) на первых этапах исследования и дают возможность их дальнейшего изучения. Необходимо помнить, что в отсутствие кроссинговера все гены, находящиеся на индивидуальной хромосоме, передавались бы от родителей потомству вместе, поскольку они физически сцеплены друг с другом. Поэтому индивидуальные хромосомы образуют группы сцепления генов, и одной из первых задач построения генетических карт сцепления является отнесение исследуемого гена или последовательности нуклеотидов к конкретной группе сцепления. В табл. II.4 перечислены современные методы, которые, по данным В.А. МакКьюзика, наиболее часто использовались для построения генетических карт сцепления до конца 1990 г.

799

Таблица II.4

Современные методы построения генетических карт сцепления

800

Гибридизация соматических клеток. Одним из наиболее популярных методов отнесения генетического маркера (функционально активного гена) к конкретной группе сцепления является гибридизация (слияние друг с другом) соматических клеток разных биологических видов организмов, один из которых

– исследуемый. У межвидовых гибридов соматических клеток в процессе культивирования происходит утрата хромосом преимущественно одного из биологических видов. Потеря хромосом носит, как правило, случайный характер, и образующиеся клоны клеток содержат оставшиеся хромосомы в разных сочетаниях. Анализ клонов, содержащих разные наборы хромосом исследуемого вида, позволяет определить, с какой из этих оставшихся хромосом ассоциирована экспрессия исследуемого маркера, и, следовательно, локализовать ген на конкретной хромосоме.

Гибридизация in situ. Метод гибридизации in situ также широко используется для картирования последовательностей нуклеотидов на хромосомах. С этой целью препараты фиксированных хромосом гибридизуют (инкубируют при повышенной температуре с последующим охлаждением) с исследуемыми последовательностями нуклеотидов, меченными радиоактивной, флуоресцентной или иной меткой. После отмывания несвязавшейся метки оставшиеся меченые молекулы нуклеиновых кислот оказываются ассоциированными с участками хромосом, содержащими последовательности, комплементарные исследуемым меченым последовательностям нуклеотидов. Полученные гибриды анализируют с помощью микроскопа либо непосредственно, либо после авторадиографии. Для этой группы методов характерна более высокая разрешающая способность, чем для гибридизации соматических клеток, поскольку они позволяют локализовать изучаемые последовательности нуклеотидов на хромосомах. По мере выполнения программы "Геном человека" в руках исследователей появляется все больше изолированных последовательностей нуклеотидов, которые можно использовать в качестве зондов для гибридизации in situ. В связи с этим данные методы по частоте использования в последнее время прочно выходят на первое место. Наиболее популярной оказывается группа методов, получивших название флуоресцентной гибридизации in situ

(fluorescence in situ hybridization – FISH), при проведении которой используются полинуклеотидные зонды, содержащие флуоресцентную метку. В частности, в