Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013
Информационные принципы в биотехнологии
Анализ геномов
Однонуклеотидные полиморфизмы
Однонуклеотидный полиморфизм (single nuclear polymorphism, SNP, обычно произносится как "снип" (snip)) - это отличие в последовательности ДНК размером в один нуклеотид. Условия возникновения снипов ограничены одной начальной парой, в которой может возникнуть замена, вставка или делеция.
Серповидно-клеточная анемия (гемоглобинопатия, sickle cell anemia) - это пример заболевания, вызванного специфичным SNP: замена А→Т в шестом кодоне gag ß-глобинового гена вызывает замену Glu→Val. Такую мутацию обозначают E6V, имея ввиду, что в результате мутации в белковой цепи в шестой позиции вместо глутаминовой кислоты (Е) появляется валин (V). Такая замена приводит к изменению общего зарядового состояния гемоглобина, что делает поверхность гемоглобина способной к "слипанию", в результате чего молекулы гемоглобина слипаются в крупные частицы и выпадают в осадок, что резко снижает эластичность эритроцитов и они теряют способность проходить через капилляры кровеносной системы, закупоривают их, что проявляется в виде хронической гипоксии (кислородной недостаточности) в соответствующем органе или ткани и возможного его поражения (например, почечная или лёгочная недостаточность, слепота, серьёзная инфекция, повторяющиеся костные кризы и др.).
Снипы, рассредоточенные по всему геному, встречаются в среднем один раз на 500 нуклеотидов. Несмотря на то, что они вызываются мутациями, многие позиции, содержащие SNP, имеют низкие уровни мутации, и могут быть использованы в качестве стабильных маркеров для картирования генов. Консорциум из четырёх центров академических исследований по геному и 11 частных компаний создаёт высококачественную карту человеческих снипов с высокой плотностью размещения и с возможностью общего доступа: The SNP Consortium - http://snp.cshl.org/.
На сайте проекта "International НарМар Project", данные о SNP представлены в виде карт гаплотипа (гаплоидного генотипа) человека (haplotype тар или НарМар) - http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov/.
Не все SNP связаны с заболеваниями. Многие из них встречаются внутри нефункциональных областей, хотя, как правило, плотность SNP внутри областей, содержащих гены, выше средней. Однако это скорее связано с тем, что области, содержащие гены, более детально исследованы, и поэтому в них обнаружено больше SNP, а протяжённые межгенные области менее изучены и поэтому в них обнаружено меньше SNP, что совсем не означает, что там их меньше на самом деле. Это является хорошим примером того, что банки данных зачастую не дают представительной выборки, и поэтому, к сожалению, далеко не всегда на основе массового анализа данных можно делать правильные статистические выводы.
Некоторые снипы, которые происходят внутри экзонов, вызывают замену на синонимичный кодон или замену, незначительно влияющую на функциональность белка. Другие типы снипов могут вызвать изменения в белке более серьёзного уровня, чем локальные:
1) замена значащего кодона на стоп-кодон, что приводит к преждевременной остановке синтеза белка;
2) делеция или вставка приводит к сдвигу рамки считывания.
Так, например, А, В и О аллели, определяющие группу крови, обусловлены SNP-заменами. Они кодируют родственные белки, которые присоединяют различные сахаридные остатки к антигену на поверхности эритроцитов.
В аллели А последовательность ...gctggtgacccctt... приводит к присоединению к антигену N-ацетилгалактозамина. В аллели В последовательность ...gctcgtcaccgcta... приводит к присоединению к антигену галактозы. Аллель О прошла мутацию, вызвавшую сдвиг рамки считывания ...cgtggt-acccctt..., и не производит активного фермента.
Эритроциты группы О не содержат ни А-, ни В-антиген. Поэтому люди с группой крови О являются универсальными донорами при переливании крови. Потеря активности белка, по всей видимости, не влечёт за собой каких-либо неблагоприятных последствий. Действительно, люди с группой крови О обладают повышенной устойчивостью к оспе.
Сильная зависимость между заболеванием и специфичными SNP может быть использована в лечебной практике, так как это сравнительно легко обнаружить у больных. Но если заболевание происходит из-за дисфункции специфичного белка, то может быть много сайтов мутации, которые могут вызвать эту инактивацию. Конкретный сайт может доминировать, если:
1) все носители гена являются потомками одной особи, у которой произошла мутация;
2) если заболевание возникает скорее в результате получения, чем в результате потери какой-либо специфической особенности, такой как способность гемоглобина серповидных клеток полимеризоваться;
3) если частота мутации в каком-то сайте излишне высока. Например, Glu380→Arg мутация в гене роста фибробласта FGFR3, вызывающего ахондроплазию (диафизарная аплазия, болезнь Парро-Мари, врождённая хондродистрофия) - наследственное заболевание человека, проявляющееся в нарушении процессов энхондрального окостенения на фоне нормальных эпостального и периостального окостенений, что ведёт к карликовости за счёт недоразвития длинных костей.
С другой стороны, повышенная предрасположенность к раннему появлению рака груди и яичников коррелирует с множественными независимыми мутациями в генах BRCA1 и BRCA2, в то время, как продукт нормального гена подавляет опухоль. Мутанты, являющиеся результатом вставки или делеции и вызывающие сдвиг рамки считывания, обычно либо не производят белок, либо производят неактивный белок. Но это правило не может срабатывать априори вне зависимости от того, повлияет ли возникновение замены в генах BRCA1 или BRCA2 на рост риска развития рака.
При лечении заболеваний, вызванных дефектными белками или отсутствием белка, используют следующие подходы.
1. Обеспечение организма нормальным белком, как, например инсулин при лечении диабета и фактор VIII при гемофилии. Другой пример - управление человеческим гормоном роста у пациентов, страдающих от его полного или частичного отсутствия. Использование рекомбинантных белков снижает риск передачи СПИДа через переливание крови или развития болезни Крейтцфельда-Якоба (Creutzfeldt-Jakob disease), возникающей при появлении в мозге прионов, которые оседают на поверхности клетки, взаимодействуя с нормальными белками и изменяя их структуру на патологическую (накапливающиеся на поверхности клетки патологические белки блокируют процессы, происходящие на мембране, и запускают апоптоз).
2. Изменение образа жизни, что делает данную функцию не обязательной. Фенилкетонурия (phenylketonuria, PKU) - это генетическое заболевание, вызванное дефицитом фенилаланин-гидроксилазы - фермента, катализирующего превращение фенилаланина в тирозин. Накопление большого количества фенилаланина вызывает проблемы индивидуального развития, включающие задержку умственного развития. Избежать симптомы можно диетой, бедной фенилаланином. В США и многих других странах юридически разрешена проверка новорожденных на уровень фенилаланина в крови.
3. Использование генной терапии для возмещения белка при его отсутствии в настоящее время является активной областью исследований и разработок.
Другие методы использования SNP в медицине отражают связь между генотипом и реакцией на терапию (фармакогеномика). Например, SNP в гене N-ацетил трансферази NAT-2 связан с периферийной невропатией — слабость, нечувствительность и боль в ладонях, руках, ногах и ступнях как побочный эффект лечения изониазидом (гидразид изоникотиновой кислоты) при туберкулёзе. Пациентам с этим SNP прописывают альтернативное лечение.
Данные об SNP имеют важное применение в эволюционной биологии, давая ключ к пониманию исторических изменений размеров популяций, а также моделей миграций.
Степень генетического разнообразия представляют в терминах численности популяции. Основателем называют исходный набор особей, от которых и происходит вся популяция. Это могут быть либо первоначальные колонисты, как, например, полинезийцы, которые впервые поселились в Новой Зеландии, либо просто выжившие особи в популяции, которая находилась на грани вымирания.
Например, гепарды сейчас являются примером популяции, которая (по оценкам) 10000 лет назад была на грани вымирания в условиях резкой нехватки ресурсов. Все ныне живущие гепарды настолько же близки родственно, как брат и сестра.
Экстраполяция митохондриальной ДНК у различных людей одного возраста и её показанная изменчивость предполагает существование некоторой матери-предка, которая жила 140-200 тысяч лет назад. Называя её Евой, мы предполагаем, что она была первой женщиной. Но исследования окаменелостей доказывают, что люди существовали намного раньше. Митохондриальная Ева была всего лишь основательницей выжившей ветви популяции, которая находилась на грани вымирания.
Специфические для каждой популяции данные о снипах (SNP) дают информацию о миграциях. Митохондриальные последовательности при этом представляют информацию о предках женского пола, а последовательности из Y-хромосомы - о предках мужского.
Результаты такого анализа, например, свидетельствуют о том, что население Исландии, впервые заселённой более чем 1100 лет назад, происходит от мужчин из Скандинавии и женщин, как из Скандинавии, так и с Британских островов. Средневековые исландские летописи также указывают на вражеские набеги на поселения, расположенные на Британских островах.
Антропологические исследования ДНК-последовательностей выявили чёткие корреляции между последовательностями ДНК людей и их языковыми семьями. Эти исследования оказались полезными, например, при установлении связи между языками северо-американских индейцев. Таким же образом было показано, что баски, известные как лингвистически изолированная популяция, были, кроме того, генетически изолированы.
Во время исследований изолированных популяций антропологическая генетика предоставила ценные данные для медицины, поскольку картирование генов, отвечающих за болезни, гораздо легче, если фоновые изменения генома незначительны. К генетически изолированным популяциям Европы относятся, помимо басков, также финны, исландцы, валлийцы (жители Уэльса) и саамы (лопари, финно-угорский народ, живущий на севере России (в Мурманской области), Норвегии, Швеции и Финляндии). В Исландии имеются хорошие генеалогические и медицинские записи. Правительство Исландии в 1998 г. издало закон, разрешающий создание базы данных, содержащей медицинские записи, историю семей и генетические последовательности 275 тысяч жителей страны. Исландская компания Decode Genetics (http://www.decode.com/) намерена сотрудничать со всеми производителями лекарственных препаратов, применяя эти данные.