Современные методы картирования хромосом

На рубеже 70-х гг. XX в. молекуляр­ная генетика достигла определенной завершенности в своем развитии : бы­ли установлены структура и механизм репликации ДНК, провозглашена "центральная догма" экспрессии гена (транскрипция, трансляция), выясне­ны основные аспекты регуляции ак­тивности гена. Главным объектом ис­следования в то время служили мик­роорганизмы. Существовавшие в тот период методы не позволяли серьезно продвинуться в изучении строения ге­номов эукариот, в том числе и генома человека. Стремительный прорыв в молекулярной генетике в 70-е гг. стал возможен благодаря появлению новых экспериментальных подходов — ис­пользованию рестрикционных эндонуклеаз и становлению нового направ­ления в молекулярной генетике — ген­ной инженерии. С помощью этих мето­дик были открыты совершенно неожи­данные факты, имеющие теоретичес­кое и практическое значение в облас­тях знаний, связанных с действием ге­нов. Это относится к генетическому консультированию, включая пренатальную диагностику, к развитию но­вых подходов в изучении проблем эво­люции и популяционной генетики. Эти же успехи заставили ученых заду­маться об этической стороне манипу­лирования с человеческим зародышем, об опасности возникновения возбуди­телей в процессе генно-инженерных исследований.

Принципы новых эксперименталь­ных подходов должны быть понятны всем исследователям, однако детали молекулярно-генетических методов, которые привели к внушительному профессу генетики человека, изложе­ны в специальных изданиях. Ниже рассматриваются основные принципы этих методов, и в качестве примера описывается анализ р-глобинового генного кластера человека с использо­ванием рестрикционных ферментов, гибридизации нуклеиновых кислот, секвенирования ДНК и сортировки хромосом с помощью цитофлуорометрии.

 

Анализ р-глобинового гена человека

Гемоглобин взрослого человека HbAf состоит из четырех полипептид­ных цепей: двух а и двух р. Кроме та­кого гемоглобина, у человека известны и другие типы этой сложной молеку­лы. Так, у эмбрионов функционирует фетальный гемоглобин, в состав кото­рого входят у-цепи, у взрослых людей в небольшом количестве обнаруживается гемоглобин НЬА2, в состав кото­рого входят а-цепи р-глобиновый кла­стер генов в настоящее время полно­стью идентифицирован и проанализи­рован молекулярнотенетическими методами.

Этапы анализа.

В начале 60-х гг. был завершен ами­нокислотный анализ белка гемогло­бина. Цепь р состоит из 146 амино­кислот. Вся транскрибируемая часть гена должна содержать 438 нуклеоти­дов, т. к. генетический код триплетен (146*3 =438). Этот маленький участок нужно идентифицировать на одной из хромосом, в состав которой входит нить ДНК длиной несколько сантиме­тров. После того, как этот участок вы­явлен, его нужно выделить и накопить в большом количестве, чтобы опреде­лить последовательность нуклеотидов в составе анализируемого отрезка ДНК-молекулы.

родной ДНК с такими же липкими концами, полученные после разреза­ния аналогичной рестриктазой, мож­но сшить с плазмидной ДНК с помо­щью специального фермента — лига-зы. Полученную рекомбинантную мо­лекулу, называемую вектором, можно ввести в бактерию, где она начнет многократно реплицироваться. Чуже­родный фрагмент ДНК (им может стать и глобиновый ген) будет много­кратно амплифицирован вместе с плазмидой (рис. 3.23). Такая процеду­ра называется клонированием генов и используется для создания банков ге­нов

Этот методический подход позво­ляет разбить геном человека на от­дельные фрагменты, каждый из кото­рых может быть размножен вне орга­низма человека. Еще одна область при­менения в молекулярной генетике рестрикраз — идентификация генов. Эти задачи решаются с помощью метода, разработанного Саузерном в 1975 г.

Суммарную ДНК из клеток челове­ка гидролизуют эндонуклеазой при­мерно на 500 ООО фрагментов длиной от 102 до 105 нуклеотидных пар. Затем фрагменты разделяют по молекуляр­ной массе с помощью гель-электрофо­реза на пластинках в агарозе. Следую­щий этан — получение одноцепочечных фрагментов ДНК денатурацией щелочью прямо в геле. С агарозной пластинки получают реплику- отпеча­ток на нитроцеллюлозном фильтре. Перенесенные на фильтр одноцепочечные фрагменты ДНК можно иден­тифицировать путем гибридизации с радиоактивными ДНК-зондами. Лю­бой фрагмент, содержащий последова­тельность зондируемого гена, выявля­ется в виде темной полосы на радиоав­тографе (фильтре, покрытом фото­эмульсией и проявленном после взаи­модействия с радиоактивным зондом).

Рестрнкционные эндонуклеазы.

Рестрикция (разрезание) выделен­ной из клеток ДНК осуществляется ферментами — рестрикционными эндонуклеазами (рестриктазами) Эти ферменты вступают в реакцию с опре­деленными участками ДНК, так назы­ваемыми сайтами узнавания, которые в клетке обычно бывают защищены специальными группировками (мети­лированы). После обработки ДНК эн-донуклеазами фрагменты имеют так называемые "липкие концы": рестриктазы разрезают две цепи ДНК не в од­ном месте, а в двух разных местах, в ре­зультате чего одна из цепей оказывает­ся длиннее другой на несколько нукле­отидов. Свободные нуклеотиды могут спариваться с комплементарными нуклеотидами другого фрагмента ДНК с липкими концами. Благодаря этому, ДНК из различных источников может объединяться, образуя рекомбинантные молекулы. Это свойство рестрикционных фрагментов ДНК ис­пользуется в генной инженерии для создания искусственных векторов на основе бактериальных плазмид, или фагов.

Помимо своей собственной молеку­лы ДНК, замкнутой в кольцо, бакте­рии часто содержат дополнительные маленькие кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК (рис. 3.22), называе­мые илазмидами. Плазмиды реплици­руются автономно, независимо от ос­новной молекулы ДНК

Они могут со­держать некоторые гены, например, определяющие устойчивость бактерий к антибиотикам или контролирующие синтез некоторых веществ. Плазмидную ДНК можно выделить и расще­пить подходящей рестриктазой только п одном месте, при этом кольцевая мо­лекула превращается в линейную с липкими концами. При добавлении к-ДНК, если комплементарны отдельные цепи, про­исходит восстановление двойной спи­рали (рис. 3.24). Для выявления реассоциированных молекул на фильтр на­носят фотоэмульсию. Под действием излучения радиоактивных изотопов в составе к-ДНК, в фотоэмульсионном слое восстанавливаются зерна серебра, которые выглядят после проявления темными участками.

 

Метод гибридизации нуклеиновых кислот можно использовать на препа­рате хромосом после их соответствую­щей обработки. Так, исследуемый ген можно локализовать в специфическом хромосомном сегменте, одном из тех сегментов, которые наблюдаются при дифференциальном окрашивании. Поскольку эксперимент проводится с зондом к-ДНК, синтезированном на м-РНК, можно утверждать, что иден­тифицированный участок хромосомы содержит активный ген. Известно, что в геноме помимо активных генов, мо­гут находиться псевдогены, такие по­следовательности ДНК, которые гомо­логичны активному гену, но не транс­крибируются из-за отсутствия каких-то важных последовательностей вне транскрибируемой части.

Метод гибридизации нуклеиновых кислот позволил идентифицировать большое количество генов в хромосо­мах человека. В настоящее время до­стоверно картировано около 8000 ге­нов человека. В большинстве случаев к идентифицированным генам найдены альтернативные аллельные формы. Для нескольких тысяч генов один из альтернативных аллелей определяет какое-либо наследственное заболева­ние или аномалии. Другие известные гены кодируют белки групп крови, различные антигены, иммуноглобули­ны, ферменты метаболизма и т.д.

Главное условие такого анализа — на­личие подходящего радиоактивного ДНК-зонда.

Создание зонда для гена р-глобина связано с получением матричной РНК р-глобина из созревающих эритроци­тов, где активно синтезируется гемо­глобин. Затем с помощью фермента обратной транскринтазы, который обеспечивает считывание пуклеотндной последовательности м-РНК в ком­плементарную последовательность ДНК, получают так называемую к-ДНК с высокой радиоактивной мет­кой

В настоящее время созданы биб­лиотеки к-ДНК из разных источников. Имеются геномные библиотеки чело­века, полученные генно-инженерными методами, а также хромосомно-специ­фические библиотеки, полученные из отдельных специфических хромосом или их участков. Создание таких биб­лиотек требует выделения отдельных хромосом. В настоящее время это ста­ло возможным благодаря сортировке хромосом цитофлуорометрическим методом. Для синтеза к-ДНК исполь­зуются также автоматизированные ус­тройства, в том случае, если произво­дится синтез к-ДНК гена определен­ного белка, аминокислотная последо­вательность которого известна.

Гибридизация нуклеиновых кислот

Идентификация фрагментов одноцепочечной ДНК на нитроцеллюлозном фильтре происходит с помощью гибридизации цепей ДНК. Большинст­во природных ДНК встречается в виде двухцепочечных молекул, где азотис­тые основания двух цепей взаимодей­ствуют по принципу комплементарности с помощью водородных связей.

 

Секвенирование ДНК

В последние годы разработаны ме­тоды быстрого секвенирования ДНК. Для этого длинную молекулу ДНК с помощью рестрикраз разрезают на фрагменты удобного размера

Затем эти фрагменты размножают путем клонирования и специальными мето­дами определяют последовательность нуклеотидов в каждом из фрагментов. Очередность фрагментов восстанавли­вают, используя перекрывающиеся концы (участки ДНК с одинаковой последовательностью в разных клонах). С помощью секвенирования получают точные сведения и о нетранскрибируемых участках ДНК, важных для кон­троля транскрипции.

Анализ р-глобинового гена.

Первый этап анализа связан с иден­тификацией этого гена в суммарной че­ловеческой ДНК. Для этого ДНК вы­деляют из клеток, с помощью эндонуклеаз получают фрагменты, раздечяют их в агарозе с помощью гель-электро­фореза, денатурируют на две отдель­ные цепи и создают реплику с препара­та на нитроцеллюлозном фильтре. Сле­дующий шаг состоит в том, чтобы най­ти среди всех фрагментов р-глобиновый ген. Для этого необходим радиоак­тивный ДНК-зонд. Его синтезируют на р-глобиновой РНК с помощью обрат­ной транскриптазы. Далее этот к-ДНК зонд используют для двух задач. Пер­вое — идентифицировать фрагменты ДНК, соответствующие глобиновому гену, прямо на фильтре

Задача вторая — идентифицировать на препарате хро­мосом место нахождения этого гена. Идентификация в обоих случаях про­исходит с помощью гибридизации ра­диоактивной к-ДНК с денатурирован­ной ДНК препарата. Так, ген гемоглобина-р был локализован на коротком плече 11-й хромосомы.

Для более подробной характеристи­ки глобинового гена необходимо полу­чить большое количество его ДНК. Для этого клонируют к-ДНК в каком-нибудь векторе, например, в бактери­альной млазмиде. Затем сравнивают фрагменты геномной ДНК, содержа­щие глобиновый ген, и клонированную к-ДНК, соответствующую м-РНК. Оказалось, что фрагменты геномной ДНК значительно больше, чем к-ДНК. В р-гемоглобиновом гене были выяв­лены две вставочные последователь­ности (интроны^), которые разделяют три разные кодирующие области — экзоны. (Исследования многих других эукариотических генов, показали, что наличие нитронов является правилом для большинства из них). Выяснилось также, что ген р-гемоглобина относит­ся к уникальным последовательнос­тям. Кроме того, были найдены псев­догены, имеющие мутации в колирую­щих и фланкирующих, регуляторных участках. Они называются нсевдогенами, т.к. с них не идет транскрипция.

Сейчас известны последовательнос­ти ДНК различных глобиновых генов. Их изучение позволило решить много общих проблем, касающихся организа­ции и экспрессии генетического мате­риала в клетке.

Полимеразная цепная реакция

В середине 80-х гг. в молекулярной генетике был введен в практику совершенно новый метод, позволяющий очень быстро размножить следовые количества молекул ДНК или РНК Чувствительность его такова, что поз­воляет обнаружить в пробе всего одну присутствующую в ней молекулу. От­крытие этого метода позволило много­кратно ускорить исследования по кар­тированию генома человека.

Полимеразная цепная реакция была открыта в 1984 г. КБ. Мюллисом. Она основана на том, что новосинтезируемые цепи нуклеиновых кислот могут служить матрицами в следующих цик­лах репликации. Реакция осуществля­ется последовательными циклами. Каждый из них начинается с разделе­ния двуспиральной молекулы ДНК на две одноценочечные. В таком состоя­нии каждая цепочка может служить матрицей для репликации. Затем одноцепочечные нити ДНК инкубируют в присутствии ДНК-полимеразы в растворе со смесью всех четырех нук­леотидов и специфической последова­тельностью ДНК — праймером. При­соединение праймера к одноцепочеч-ной нити ДНК приводит к образова­нию небольшого двуцепочечного от­резка, который удлиняется с помощью ДНК-нолимеразы. Процедуры много­кратно повторяются, происходит мно­жественное копирование старых и но­вых одноцепочечных молекул. От­дельный цикл занимает около 5 мин., клонирование одного фрагмента ДНК происходит всего в течение несколь­ких часов.

Помимо молекулярной генетики, метол полимеразной цепной реакции широко используется в практических исследованиях: прснатальной диагно­стике наследственных болезней, выяв­лении вирусных инфекций, а также в судебной медицине, поскольку этот метод позволяет проводить генетичес­кую "дактилоскопию" по одной един­ственной клетке.

Программа "Геном человека"

С развитием новых технологий мо­лекулярных исследований, основан­ных на быстрых методах работы с ДНК (клонировании фрагментов ДНК генноинженерными способами и с помощью полимеразной реакции, ав­томатизированном секвенировании), с введением в практику молекулярногенетических исследований компьютер­ных технологий сравнительного ана­лиза строения геномов представителей разных систематических групп, с раз­витием техники направленного воз­действия на генетический аппарат клетки и организма в целом и возмож­ности создания искусственных фер­ментов по нуклеотидной последова­тельности фрагмента ДНК темпы раз­вития молекулярной генетики обрели стремительный характер и привели к возникновению в конце 80-х гг. между­народной программы "Геном челове­ка". Этот глобальный проект предпо­лагает к 2005 г. завершить определение полной последовательности всех трех миллиардов нуклеотидных звеньев, составляющих геном человека. Приня­тие такой программы означает, что ха­рактер развития молекулярной биоло­гии достиг совершенно нового уровня. Произошедший качественный скачок в технологии позволяет решать прин­ципиально новые задачи.

Более ранние молекулярногенетические работы проводились с целью исследовать строение генов, иденти­фицировать их в целом геноме, изу­чить по возможности функцию гена и уровни его регуляции. Методы совре­менной молекулярной генетики позво­ляют отследить эффект действия того или иного гена на уровне целого организма, изучать не отдельные гены, а структуры и функции целых геномов. На сегодняшний день изучены: гено­мы 141 вируса, более 50 геномов мито­хондрий из разных объектов, большое количество геномов бактерий. Уста­новлено, что бактериальный геном со­держит 5-6 тыс. генов, из представите­лей эукариот наиболее близки к завер­шению изучение геномов дрожжей и нематод. Показано, что геном дрож­жей имеет в своем составе около 6 тыс. генов.

Суммарная длина нуклеотидных последовательностей генома человека соответствует 3 миллиардам. По дан­ным разных авторов, такая гигантская нуклеотидная последовательность мо­жет содержать от 50 до 100 тыс. генов. В настоящее время известна структура около 7 тыс. генов. Изучение структу­ры генов — не конечная цель програм­мы. Помимо анализа последовательно­сти нуклеотидов, проводится их кар­тирование

Каждый ген приписывает­ся к определенной хромосоме в строго определенное место — локус, устанав­ливается расстояние между генами, со­ставляется карта хромосом человека. В настоящее время картированы около 8 тыс. генов. Увеличению скорости кар­тирования генов на хромосомах спо­собствует выявление маркерных по­следовательностей для каждой хромо­сомы. Эти маркерные последователь­ности много раз повторяются вдоль хромосомы и как бы делят ее на огра­ниченные участки. Работа с таким не­большим участком хромосомы облег­чает процедуру выделения гена. Благо­даря существованию маркерных по­следовательностей, геном человека разбит на отдельные фрагменты, и каждый фрагмент в случае необходи­мости может быть легко размножен вне организма.

Помимо задачи картирования генов и установления их структуры, про­грамма "Геном человека" ставит цель определить структурно-функциональ­ную взаимосвязь генов. Для решения этой задачи используются совершенно новые подходы, которые просто невоз­можно было представить себе несколь­ко лет назад. Так, по дефектному фер­менту, который

является причиной на­следственного заболевания, зная по­следовательность аминокислот в его составе, можно искусственно синтези­ровать информационную РНК, а затем соответствующий участок ДНК, иден­тифицировать его на хромосомной карте, выделить нативный ген и кло­нировать его вне организма, чтобы ус­тановить, в чем причина образования дефектного фермента. Таким способом были изучены гены дистрофии рака молочной железы, мутантной фенилаланингидроксилазы, являю­щейся причиной наследственной фе­нилкетонурии, и ряда других генов.

Еще один новый методический подход в изучении функции генов связан с использованием информационно-ком­пьютерных технологий. Этот путь ис­следований основан на следующем предположении : если у представите­лей разных систематических групп имеются одинаковые по структуре ге­ны, то они выполняют одинаковую функцию. Таким образом была уста­новлена причина развития рака тол­стой кишки у человека. Методами кло­нирования и картирования была изу­чена структура генов, отвечающих за развитие рака толстой кишки. Затем был проведен поиск в информацион­ном поле с помощью компьютерных технологий. В процессе этого поиска была предпринята попытка найти в ге­номе дрожжей, который уже полно­стью расшифрован, гены, сходные по структуре с исследуемыми генами че­ловека. И они были обнаружены. Ока­залось, что у дрожжей такие же гены отвечают за репарацию ДНК. Таким образом, было установлено, что рак толстой кишки связан с мутациями ге­нов, кодирующих ферменты репара­ции ДНК.

Важнейшую роль в структурных ис­следованиях генома человека играет изучение его полиморфизма. Популяционный полиморфизм генома чело­века является основой для понимания принципов молекулярной эволюции, механизмов возникновения патологи­ческих мутаций, для оценки факторов риска при воздействии потенциально токсических агентов окружающей сре­ды на человеческий организм, нако­нец, для понимания основ различной индивидуальной восприимчивости ле­карств. Эти исследования получили новый импульс с открытием поли­морфных мини- и макросателлитных последовательностей ДНК, которые используют в качестве маркеров при картировании генома человека.

Новым этапом в изучении структур­но-функциональных связей между ге­нами в программе "Геном человека" яв­ляется возможность клонирования крупных фрагментов генома в специ­альных векторах, способных размно­жаться в клетках вместе со встроенны­ми в них фрагментами. В качестве век­тора в таких случаях используют ис­кусственные дрожжевые хромосомы, появление которых стало возможным благодаря развитию генетики дрож­жей. Использование таких векторов позволяет клонировать фрагменты ДНК длиной до 106 пар оснований. Это создает предпосылки для быстрого вы­деления нужного фрагмента генома и использования его для структурного или функционального анализа.

Использование новых методов в изучении генетики человека позволяет значительно ускорить процесс иссле­довательской работы и накопить ин­формацию о генах, играющих ключе­вую роль в регуляции жизнедеятель­ности клетки. К таким генам относятся гены контроля клеточного цикла, ге­ны, кодирующие компоненты цепи пе­редачи сигнала от клеточной поверх­ности к аппарату транскрипции в ядре, гены, контролирующие развитие эмб­рионов, гены, ответственные за работу защитных систем организма, гены им­мунной системы. Активно расширяет­ся представление о генах, повреждение которых приводит к возникновению раковых опухолей, онкогенах, генах-супрессорах, генах клеточной смерти и апоптоза (программируемой гибели клеток)

Все более детальным стано­вится знание надмолекулярных уров­ней организации регуляции экспрес­сии генов.

Выполнение программы "Геном че­ловека" приближает возможность ис­пользования генной терапии для лече­ния патологий, связанных с изменени­ем наследственной информации. Ген­ная терапия основана на введении в организм больного искусственных ге­нетических конструкций. Лечебный эффект достигается в результате рабо­ты введенного гена либо за счет подав­ления функции "больного" гена. Со­временная генная терапия делает пер­вые шаги и имеет дело с соматически­ми клетками в постнатальном периоде жизни человека, но в то же время раз­рабатываются подходы к генной тера­пии клеток эмбриона.

Для создания генетических конст­рукций большей частью используются вирусы. При этом из генома вируса вырезается часть генов, ответственных за формирование инфекционных ви-русных частиц и разрушение инфици­рованных клеток. Гены, необходимые для переноса и функционирования ге­нетической информации, сохраняют­ся. К ним добавляются клонированные гены, оказывающие лечебный эффект

 

Одними из наиболее приемлемых для генной терапии окажутся, видимо, аде­новирусные векторы, поскольку аде­новирусы не встраиваются в геном клетки хозяина, имеют широкий спектр поражения тканей человека и не индуцируют злокачественный рост.

В настоящее время разрабатывают­ся способы для целевой доставки ис­кусственных векторов к тем или иным органам. Для этого используют ло­кальные инъекции, аэрозольный ме­тод, баллистический метод, основан­ный на обстреле ткани микрочастица­ми тяжелых металлов (золота, вольф­рама), покрытых векторной ДНК.

Результаты генной терапии можно рассмотреть на конкретном примере. У мальчика, больного гемофилией из-за дефицита девятого фактора сверты­вания крови, с помощью биопсии были выделены фибробласты кожи и куль­тивированы в клеточной культуре, В эти клетки был введен искусственный вектор, созданный на основе ретровируса и содержащий гены, которые уве­личивают активность девятого факто­ра. Инфицированные клетки были размножены в клеточной культуре и возвращены в организм мальчика под­кожно в районе спины и ягодиц. Клет­ки прижились, в результате была уве­личена активность девятого фактора свертывания крови, и симптомы гемо­филии у пациента были сглажены. Та­ким образом, генно-инженерные рабо­ты создают подходы к лечению гемо­филии человека.

Генная терапия — направление, по­явившееся на стыке двух наук: биологии и медицины, пока имеет скромные практические успехи, но с этим на­правлением связано развитие медици­ны XXI-го столетия.

Перспектива использования дости­жений программы "Геном человека" многопланова: от идентификации ге­нов, ответственных за возникновение наследственных и приобретенных за­болеваний, до развития систем лече­ния, основанных на введении в орга­низм новой генетической информа­ции, корректирующей генетические дефекты (генная терапия), и интенсив­ных методов диагностики, основанных на выявлении генетических дефектов, и перехода в диагностике к наиболее полному обследованию популяций для выявления предрасположенности к болезни.