Исследование и диагностика наследственных болезней

Два принципиально новых положения в диагностике наследственных болезней обеспечены прогрессом молекулярной медицины и генетики человека: точность диагностики (до уровня мутаций) и ранние сроки (до клинического проявления, в том числе на пренатальной стадии развития).

Хотя история применения лабораторных методов диагностики наследственных болезней насчитывает почти 100 лет, первая половина этого пути характеризуется лишь единичными примерами.

Широкое применение лабораторных методов диагностики наследственных болезней началось в 50-х годах, когда стал повышаться интерес к наследственной патологии и расширились возможности клинических лабораторий. Медицинская генетика взяла на вооружение многочисленные методы биохимических, иммунологических, гематологических, цитогенетических исследований в конце 50х — начале 60-х годов, а в 70-х — и молекулярнобиологических. Это обусловило формирование клинической генетики как медицинской дисциплины и ее интенсивное развитие.

Лабораторная диагностика наследственных болезней в основе своей может быть направлена на идентификацию одной из трех «ступеней» болезни: 1) выявление этиологического звена; 2) идентификация первичного продукта гена; 3) регистрация специфических метаболитов измененного обмена.

Выявление этиологического звена болезни — это с генетической точки зрения характеристика генотипа или определение конкретной мутации у конкретного больного. Современные методы позволяют идентифицировать все три типа мутаций: геномные, хромосомные и генные. Эти цели достигаются с помощью цитогенетических или молекулярногенетических методов.

В соответствии с темой лекции разберем только молекулярные подходы в диагностике болезней, а именно их принципы, возможности и ограничения.

В основе всех методов молекулярно-генетической диагностики наследственных болезней лежит технология рекомбинантных ДНК или генная инженерия. Методики получения рекомбинантных ДНК революционизировали разработку многих разделов общей и прикладной генетики, в том числе медицинской. Предпосылками для создания стройной системы генной инженерии были ранее изученные свойства нуклеиновых кислот и ферменты, осуществляющие их синтез.

Редупликация ДНК осуществляется конвариантно. Вновь синтезируемая цепь нуклеиновой кислоты является комплементарной «старой» цепи.

При нагревании до 60−95 С или при воздействии основаниями (щелочами) двухцепочечная молекула ДНК превращается в одноцепочечную форму. Этот процесс называется денатурацией ДНК. При понижении температуры или восстановлении рН среды до физиологического уровня происходит воссоединение нитей (обязательно комплементарных!) в двухцепочечную молекулу. Этот процесс называется ренатурацией или отжигом ДНК.

Молекула ДНК может быть «разрезана» в строго определенных местах (специфических сочетаниях 4−6 нуклеотидов) соответствующими ферментами-рестриктазами (эндонуклеазами), которые получают из разных видов микроорганизмов.

С помощью ферментов ДНКи РНК-полимераз осуществляется синтез комплементарных цепей на матричной цепи при наличии в растворе нуклеотидов. В случае синтеза одноцепочечной ДНК на основе РНК молекулы необходим фермент, называемый обратной транскриптазой или ревертазой.

Концы молекулы ДНК могут быть соединены друг с другом с помощью фермента ДНК-лигазы. Это позволяет создавать рекомбинантные молекулы ДНК, т. е. происходящие из двух организмов.

Применительно к задачам медицинской генетики в генно-инженерной технологии можно вычислить следующие разделы: 1) клонирование ДНК; 2) создание ДНК библиотек; 3) создание ДНК зондов; 4) использование полимеразной цепной реакции (ПЦР). Суть их сводится к тому, что исследователь может создать нужную ему конструкцию ДНК, размножить ее в необходимом количестве, пометить ее радиоактивно меченым нуклеотидом.

Генно-инженерные технологии широко используются в диагностике наследственных болезней, главным элементом является анализ ДНК.

Для медико-генетических целей применяются следующие молекулярные методы: 1. блоттинг по Саузерну; 2. рестрикционное картирование; 3. секвенирование ДНК; 4. выявление мутаций путем просеивающих подходов; 5. Нозерн блоттинг (регистрация мРНК); 6. направленный мутагенез.

Многочисленные диагностические приемы выявления мутаций можно разделить на две группы: прямые и косвенные.

Прямая диагностика мутаций возможна с использованием нескольких методов: определение нуклеотидной последовательности (секвенирование); аллельспецифическая гибридизация с синтетическими олигонуклеотидными зондами; химическое и ферментативное расщепление ДНК в местах неправильных сшивок оснований; регистрация изменения электрофоретической подвижности мутантных молекул ДНК; трансляция белкового продукта in vitro.

Косвенное выявление мутаций применяется в тех случаях когда нуклеотидная последовательность еще неизвестна и вместе с тем имеется информация об относительном положении гена на генетической карте, т. е. речь идет о диагностике с помощью метода сцепления генов. Технологические приемы в косвенной диагностике те же самые, что и в прямой диагностике (получение ДНК, рестрикция, электрофорез и т. д.), но к этому добавляется математический анализ сцепления признаков. Возможности косвенных подходов достаточно большие благодаря обнаружению в геноме человека широкого полиморфизма в некодирующих участках ДНК. Расположенный вблизи изучаемого гена или внутри его полиморфный участок может служить маркером патологических мутаций, наследуемых от родителей.

Таким образом, уже разработано много молекулярно-генетических методов диагностики наследственных болезней, нашедших широкое применение для их диагностики. Для распознования каждой болезни можно использовать несколько методов диагностики. Автоматизация существующих и разработка принципиально новых подходов к изучению структуры нуклеиновых кислот наряду с ускоренными темпами изучения генома человека и клонирования генов, ответственных за развитие наследственных болезней, позволяет прогнозировать появление в недалеком будущем средств диагностики подавляющего большинства наследственных болезней человека.

Молекулярно-генетические методы применяются уже и в цитогенетике для диагностики незначительных аномалий в хромосомах или для выявления числа определенных хромосом в интерфазных клетках. Для этого применяется флюоресцентная гибридизация ДНК in situ с соответствующими зондами, выявляющими заданный участок хромосомы.

Молекулярная диагностика наследственных болезней может осуществляться не только на уровне ДНК, но и на уровне биохимического фенотипа организма. Уровни, на которых оценивается фенотип, могут быть разными: первичный продукт гена (полипептидная цепь), клетка, сыворотка крови, конечный метаболит в моче или поте. Биохимические показатели отражают сущность болезни более адекватно, чем клинические симптомы, не только в диагностическом, но и генетическом аспекте. Поэтому значение биохимических методов в диагностике наследственных болезней постоянно возрастает. Разработка молекулярногенетических методов диагностики наследственных болезней частично «отодвинула» интерес к биохимическим методам, но вскоре стало ясно, что в большинстве случаев они дополняют друг друга, поскольку молекулярно-генетически описывается генотип, а биохимически — фенотип. А болезнь — это в конечном счете фенотип. Именно поэтому, несмотря на сложность, а иногда и дороговизну биохимических методов, они будут играть ведущую роль в диагностике моногенных наследственных болезней. Современные высокачественные технологиии (жидкостная хроматография, масс-спектрометрия, магнитная резонансная спектроскопия, бомбардировка быстрыми нейтронами) позволяет идентифицировать любые метаболиты, специфические для конкретной наследственной болезни.

Не только методы, но даже и принципиальные подходы биохимической диагностики наследственных болезней менялись в ходе развития генетики человека, биохимии и лабораторной медицины. Так до 50-х годов диагностика была направлена на поиски специфических для каждой болезни метаболитов в моче. Речь тогда шла о небольшом числе наследственных болезней обмена, таких как алкаптонурия, фенилкетонурия. В 50-х — 70-х годах по мере расшифровки механизмов генетического контроля синтеза ферментов и белков и обнаружения «блока» ферментов в патогенезе наследственных болезней определяющее внимание в диагностике уделялось выявлению энзимопатий. В то же время поиски метаболитов в конечных реакциях при этом продолжались особенно в плане разработки методов просеивающей диагностики. Наконец, с 70-х годов главным субстратом при диагностике наследственных болезней стали белки различных групп, поскольку в генетике человека был сделан прорыв в описании (инвентаризации) генов и их первичных продуктов. В настоящее время и первичные продукты, и белки следующего звена патогенеза, и энзимы, и конечные метаболиты являются объектами диагностики наследственных болезней.

В связи с многообразием биохимических проявлений каждой наследственной болезни обмена веществ и «перекрыванием» биохимических фенотипов разных болезней приходится применять разные методы диагностики. В то же время нереально при обследовании исключить все наследственные болезни обмена (их известно уже к настоящему времени около 1000). Если применять максимально возможное число методов диагностики, то тогда обследование каждого больного станет очень трудоемким и продолжительным. Вот почему на протяжении последних 25 лет постоянно совершенствуется стратегия биохимической диагностики. В ее основу положен принцип поэтапного исключения определенных классов болезней при постановке в начале несложных биохимических реакций. Подход такой называется просеивающим (скринирующим). За каждым первичным уровнем обследования (или несколькими) следует уточняющий, который направлен на диагностику уже определенной наследственной болезни обмена. Фактически сейчас можно диагностировать любую наследственную болезнь биохимическими методами. В то же время биохимическую диагностику всегда следует сопоставлять с возможностями молекулярно-генетической диагностики, которая может быть выполнена экономично и быстро.