Элементарно, Уотсон. Для чего используется генетическая экспертиза, как ее проводят и нужно ли делать ее каждому
Пн, 27 Март 2017
117
Элементарно, Уотсон. Для чего используется генетическая экспертиза, как ее проводят и нужно ли делать ее каждому

Человеку свойственно стремление узнать, откуда он произошел и как он “получился”. Этим стремлением можно объяснить любовь многих людей к исследованию собственного генеалогического древа, желание узнать, каким же был самый первый человек, тот самый, который произошел от обезьяны, а также желание узнать, что же закодировано в его собственной цепочке ДНК. Отсюда все это множество статей про то, что человек на 98% — шимпанзе, а на 50% — банан (на самом деле это не совсем так).

Подготовительная работа

Развитие биологической и медицинской наук позволило человеку в буквальном смысле понять, что же записано в ДНК и за что отвечают конкретные ее участки. Массовой расшифровкой генома занималось множество ученых, масштабные исследования начались еще в 1990 году со стартом проекта “Геном человека”. Несмотря на то, что полностью геном был вроде бы расшифрован к 2003 году, дополнительный уточняющий анализ некоторых участков проводится по сей день. Стоит отметить, что последовательность ДНК каждого отдельно взятого неклонированного организма уникальна, поэтому к целям проекта нельзя отнести определение последовательности всей цепочки ДНК. Что действительно пытаются выявить ученые, так это схожие участки генома, а также однонуклеотидный полиморфизм, когда сравниваемые последовательности отличаются на один нуклеотид. Такие различия могут отвечать за проявление различных аллелей гена, определяющих варианты развития признака.

Расшифровка генома стала возможной благодаря развитию различных видов выделения ДНК из биоматериала, секвенирования, а также благодаря успехам исследователей в области биоинформатики. К настоящему моменту существует множество методов изучения ДНК, однако и в этой, казалось бы, уже достаточно исследованной области, прогресс все еще движется семимильными шагами. И вот мы уже можем похвастаться методами секвенирования нового поколения (Next-Generation Sequencing, NGS), которые позволяют определять последовательность нуклеотидов гораздо эффективнее и дешевле. Перспективы это открывает колоссальные, ведь новые секвенаторы работают все быстрее, а цены на использование технологии становятся все ниже. Это позволяет использовать NGS, например, в онкологических исследованиях для более глубокого и точного понимания молекулярных основ развития отдельных опухолей.

Терминология

Конечно же, подобный прогресс не может не заинтересовать медиков и криминалистов. Что же мы обычно понимаем под термином “генетическая экспертиза”? Как показывает практика, люди, не являющиеся экспертами, воспринимают это словосочетание по-разному: некоторые считают, что подобным занимаются криминалисты; другие же полагают, что генетическая экспертиза позволит им узнать, риск развития каких заболеваний у них выше стандартного популяционного. Надо сказать, что отчасти правы и те, и другие, но первые, пожалуй, будут правы несколько чаще. Однако по сути криминалисты занимаются применением методов генетического анализа в своей области, а термин “генетическая экспертиза” может являться обобщающим и включать в себя также понятие скрининговых тестов. В английском языке все немного проще: для судебно-медицинской экспертизы используется термин DNA profiling (аналог в русском — генетическая дактилоскопия), для анализа родословных и генетической диагностики используются термины genetic/DNA testing, genetic ancestry testing.

Генетический отпечаток

Исследование своеобразного генетического отпечатка индивидуума (по аналогии с отпечатком пальца), который остается неизменным в течение всей его жизни, используется криминалистами по всему миру. Подобно многим другим открытиям, методика генетической дактилоскопии была открыта случайно, являлась “побочным продуктом” другого исследования. Официально датой открытия технологии является 10 сентября 1984 года, когда во время изучения генетических отклонений генетик Алек Джеффрис внезапно заметил, что у разных людей последовательности ДНК отличаются определенным образом. Ученым было обнаружено множество повторяющихся последовательностей ДНК, так называемых минисателлитов, которые сильно друг от друга отличались у разных людей. В криминалистике методика была впервые применена в 1986 году, когда эксперты исследовали образцы спермы, собранные на местах двух преступлений, произошедших в 1983 и 1986 годах. Анализ дал все основания не только связать два преступления, но и реабилитировать невиновного человека, а также произвел фурор в области криминалистики.

После этого подобный скрининг начал повально проводиться по всему миру. Технология позволяет идентифицировать человека по волосу, капле крови, слюне и другим видам биоматериала, даже если его очень мало. В самом деле, ученым нужно всего лишь около 100 микрограмм для того, чтобы исследовать образец с места преступления. Это настолько мало, что даже несколько клеток может быть достаточно для проведения анализа.

При помощи технологии генетической дактилоскопии стали возможными установление отцовства, идентификация останков людей, а также выявление предрасположенности к различным формам рака. При этом не следует путать ДНК-дактилоскопию с расшифровкой генома, ведь в первом случае анализируются только повторяющиеся участки генома, которые и являются индивидуальными для каждого человека.

Этапы исследования

Первым и самым важным этапом ДНК-дактилоскопии является выделение образца ДНК. Современные технологии могут позволить выделить ее чуть ли не с любого предмета, с которым контактировал человек, однако успех данного этапа зависит от множества факторов. Наиболее предпочтительными предметами исследования являются ногти, окурки, жвачка, зубная щетка, образцы спермы на любых поверхностях и тканях, использованные презервативы, ткань с каплями крови, волосы с корнями.

Выделить ДНК, вообще говоря, не так уж и сложно, как кажется. Более того, каждый из вас способен сделать это в домашних условиях, достаточно лишь вбить в Гугл “как выделить ДНК из слюны”. Однако для проведения лабораторных исследований необходимо, чтобы ДНК была не только выделена, но и очищена от различных веществ, которые могут к ней “прилипнуть”.

Как правило, методики выделения ДНК из биоматериала можно разделить на две группы: методы с высокой эффективностью экстракции и экспресс-методы. В первом случае процесс зачастую длится в разы дольше, чем во втором, так как методы с высокой эффективностью экстракции включают в себя несколько этапов: растворение материала, удаление ингибиторов ПЦР (полимеразной цепной реакции, при помощи которой проводится исследование), отмывка нуклеиновых кислот. Данные методы широко используются в тех случаях, когда высокая степень очистки ДНК является приоритетной. Экспресс-методики основаны на термической обработке биоматериала, и их существенным достоинством является простота выполнения манипуляций. Этот фактор является преимуществом в тех случаях, когда обработке подлежит сразу большое количество образцов, однако применение данных методов ограничивает низкая эффективность экстракции ДНК.

Следующим этапом после выделения ДНК становится проведение ПЦР, которая позволяет сделать миллионы копий одного участка ДНК, необходимых, в частности, для исследования в криминалистической практике коротких, или тандемных, повторов (Short Tandem Repeats, STRs), которые могут состоять всего из 4–5 нуклеотидов и повторяться несколько раз подряд. В ходе ПЦР ко всем копиям STR прикрепляются флуоресцентные красители, отдельные для каждого тандемного участка, так что все копии ДНК конкретного участка можно будет отличить от других в смеси. Затем растворы исследуются с помощью гель-электрофореза: по двум краям лунок в особом геле, в которые заливаются растворы с ДНК, создается электрическое поле. Так как сахарофосфатные участки ДНК заряжены отрицательно, молекулы в геле двигаются от отрицательно заряженного края к положительно заряженному. В результате более короткие фрагменты сильнее разгоняются и проходят большее расстояние в геле. Таким образом можно вычислить длину каждого участка.

Для того, чтобы подтвердить вину подозреваемого, его или ее STR-участки должны соответствовать STR-участкам образцов, найденных на месте преступления. Согласно данным ФБР, когда все они идеально соответствуют друг другу, следователь практически гарантированносорвал куш и вычислил преступника. Шансы обвинить невиновного составляют примерно 1:1000000000. Однако даже одно несоответствие между тандемными участками может быть достаточным для того, чтобы оправдать подозреваемого или продолжить исследования. Так губернатор Иллинойса Джордж Райан в конце 1990-х ввел практику тестирования ДНК заключенных-смертников. Согласно результатам 13 из 25 протестированных можно было освободить от ответственности. Губернатор немедленно наложил мораторий на исполнение смертных приговоров. Другой случай произошел в Техасе. В 1990 году Рой Крайнер был приговорен к 99 годам лишения свободы за изнасилование и убийство 16-летней девушки. Несколько лет спустя он отправил образцы своей ДНК на анализ, результаты которого исключали его участие в преступлении. Суды, однако, не были так уверены, что экспертиза является более весомым доказательством, чем показания свидетелей. Понадобилось дополнительное расследование, чтобы наконец в 2000 году с Роя сняли все обвинения. 

От преступлений к медицине

Генетическая диагностика — одна из новейших областей медицины, которая использует молекулярно-генетические методы для выявления предрасположенности к тем или иным болезням, выбора профилактики и лечения заболевания. Для диагностики в данном случае могут использоваться образцы не только ДНК, но и РНК, а также белков, например, гемоглобина, однако наиболее распространенным является все же исследование ДНК. Определенную сложность представляют собой полигенные болезни, чье развитие обуславливается множеством генов и их возможным взаимодействием, так как в данном случае наследственность является не столько очевидной. Для ведения пациентов с некоторыми заболеваниями роль генетической диагностики играет важнейшую роль, например, пациентов с гемохроматозом, наследственным нарушением обмена железа в организме. Однако при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, ДНК-диагностика будет фактически бесполезной, так как эффективного лечения пока что не существует.

Зачастую подобная практика не только полезна ученым для исследования, но и может значительно облегчить жизнь пациента, так как позволяет выявить такие наследственные заболевания, как фенилкетонурия (наследственное заболевание, связанное с нарушением метаболизма аминокислоты фенилаланина), которая требует немедленного лечения.

Однако следует четко разграничивать предрасположенность к заболеванию и его бессимптомную стадию, что довольно сложно сделать на данном этапе. Так, например, довольно сложно определить, является ли мутация определенного гена маркером предрасположенности к семейному раку молочной железы или маркером бессимптомной стадии заболевания. Также следует отметить, что для здорового человека без семейной истории генетического заболевания тест, скорее всего, не будет столь полезным, о чем заранее вас могут предупредить консультанты.

Классификация

Существует несколько видов генетического тестирования. Молекулярно-генетические тесты исследуют отдельные гены или короткие отрезки ДНК для идентификации мутаций или вариантов гена, которые могут привести к генетическому заболеванию. Хромосомные тесты анализируют целые хромосомы, и используются для выявления синдромов, связанных со значительными генетическими изменениями, например, с наличием дополнительной хромосомы. Биохимические тесты изучают количество или уровень активности белков, аномалии этих показателей могут указывать на изменения в ДНК.

Тестирования также могут быть классифицированы по целям выполнения. Так скрининг новорожденных, как понятно из названия, используется для выявления генетических заболеваний сразу после рождения. В настоящее время скрининг такого заболевания, как фенилкетонурия, рекомендуется проводить на всех новорожденных не позднее 4–5 дня его жизни. Тест выполняется на образце крови, взятой из пятки. При такой диагностике патологических изменений (например, потери интеллекта вплоть до идиотии) можно избежать с помощью корректировки диеты, которая будет ограничивать поступление фенилаланина с пищей.

Тестирование на носительство используется для идентификации людей, в чьем коде содержится одна копия мутантного гена, который может проявиться в будущем поколении в случае, если потомку не повезет и со второй копией. Такой тип тестирования специалисты предлагают пройти людям, которые имеют семейную историю генетических расстройств, а также представителям некоторых этнических групп. Так, например, муковисцидоз чаще встречается у белого населения и евреев-ашкенази. Часто такие тесты советуют проводить в процессе планирования беременности, так как тестирование обоих родителей может дать полную информацию о вероятности наследования заболевания потомку.

Если женщина уже беременна и хочет проверить плод на генетическое заболевание, то ей придет на помощь пренатальная диагностика. Она используется для обнаружения изменений в генах или хромосомах плода перед рождением. Этот тип тестирования предполагает, что существует повышенный риск того, что ребенок будет иметь некие расстройства, однако он не может определить все возможные пороки развития. Следует отметить, что некоторые методы пренатальной диагностики являются инвазивными, например, амниоцентез, или анализ околоплодных вод. Из этого следует, что они имеют, как минимум, противопоказания, как максимум — серьезные осложнения вплоть до инфицирования и преждевременного излития вод.

С развитием технологии экстракорпорального оплодотворения также развились и методы исследования генетических изменений у эмбрионов, которые еще не имплантированны в матку. Для проведения тестирования используется небольшое количество эмбрионов и только те из них, у которых не найдено генетических отклонений, имплантируют в матку.

Диагностические и прогностические тесты используют для идентификации или исключения одного или нескольких определенных состояний. Диагностическое тестирование может быть выполнено пренатально и постнатально, но не для всех генов. Прогностическое может выявить мутации, которые увеличивают риск развития у человека некоторых заболеваний, например, некоторых видов рака или наследственного гемохроматоза.

ДНК-диагностика проводится с помощью прямых методов (выявляются определенные мутации определенных генов) только в тех случаях, когда точно известен ген, который ответственен за развитие заболевания или синдрома, а также известны все типы его патологических мутаций. Для заболевания могут существовать так называемые “мажорные” мутации, т.е. те, которые встречаются наиболее часто. Например, для того же муковисцидоза такой мутацией является delF508, то есть делеция трех нуклеотидов гена CFTR на хромосоме 7, которая в конечном итоге приводит к потере одного кодона для фенилаланина; для хореи Гентингтона такой мутацией становится увеличение количества CAG-повторов. Главным преимуществом прямых методов является невероятно высокая точность диагностики и отсутствие необходимости анализирования всех членов семьи. Основным недостатком является тот факт, что для его применения требуется знание точной локализации гена в геноме и его вариаций.

Косвенные методы используют тогда, когда мутантный ген точно не определен, но известно, что он находится на конкретной хромосоме. Также эти методы применяют тогда, когда прямые не дают результата. Маркерами для косвенной диагностики являются точечные замены, делеции, повторы. Наиболее удобными для исследования являются микро- и минисателлитные полиморфные маркеры. Однако существенным недостатком методов является отсутствие стопроцентной точности. При этом от исследователя не требуется точное знание структуры гена и его спектра мутаций, поскольку всегда есть возможность использования маркеров. Естественно, наилучшим вариантом будет использование комплексной ДНК-диагностики, сочетающей в себе прямые и косвенные подходы, таким образом можно будет подтвердить результаты, полученные в ходе анализа, а результат будет более точным.

В клинической практике генетические тесты также используются. Например, для исследования рака молочной железы ДНК можно выделить и из ткани, и из крови. Основные тесты проводятся для выявления мутаций в генах BRCA1 (хромосома 17) и BRCA2 (хромосома 13). Одноименные белковые продукты этих генов собираются в раковых клетках молочной железы и других тканях, где они помогают восстанавливать поврежденные ДНК или разрушать клетки в случаях, когда ДНК не может быть восстановлена. Если же эти гены являются мутантными, репарация поврежденной ДНК не происходит должным образом, и вероятность развития рака повышается. Среди евреев-ашкенази каждый сотый является носителем мутации 185delAG гена BRCA1; у 1% популяции имеется мутация 6174delT гена BRCA2. Еще одним геном, исследуемым в данном случае, является ген TP53, мутации в котором обнаруживаются в клетках многих раковых опухолей. Все три гена являются генами-супрессорами опухолей, продукты которых должны обеспечивать профилактику онкогенеза, однако мутации в них влияют на работу белкового продукта.

Надо сказать, что любые генетические исследования — довольно дорогое удовольствие, поэтому, возможно, они не так сильно распространены. Для того, чтобы завлечь возможных клиентов, компании идут на различные уловки, например, обещают дать рекомендации по питанию и спорту и рассказать все о вашем характере. Естественно, это все — маркетинговые уловки, которые не содержат под собой сильной доказательной базы. Исключениями, конечно, являются случаи, когда при определенном заболевании необходимо придерживаться диеты и вести активный образ жизни, например, при сахарном диабете; в таких случаях подобные рекомендации оправданы и даже необходимы.

Редакция выражает благодарность Алле Шлейкиной, сотруднику лаборатории молекулярной биологии НИИ онкологи имени Петрова, за помощь в подготовке материала

Источник: fleming.pro

 

Похожие статьи

Топ 10 за все время