Кіріспе

Биологиялық үлгілерді бағалау әдісі
Салыстырмалы геномдық гибридтеу (СГГ) – бұл молекулалық цитогенетикалық әдіс, ол клеткаларды өсіру қажеттілігінсіз, сынақ үлгісінің ДНК-сындағы плаидия деңгейіне қатысты көшірме санының (CNV) өзгеруін талдау үшін қолданылады. Бұл техниканың мақсаты – екі геномдық ДНК үлгісін, көбінесе тығыз байланысты екі дереккөзден, жылдам және тиімді салыстыру болып табылады, себебі оларда толық хромосомалардың немесе субхромосомалық аймақтардың (толық хромосоманың бір бөлігі) пайда болуы немесе жоғалуы тұрғысынан айырмашылықтар болуы күдіктенеді. Бұл әдіс бастапқыда қатты ісіктің хромосомалық жиынтығы мен қалыпты тіндер арасындағы айырмашылықтарды бағалау үшін әзірленді және қолданылды. Ол, пайдаланылатын микроскоптың ажыратымдылығымен шектелген, гиемса бояуы және флуоресценттік in situ гибридтеу (FISH) сияқты дәстүрлі цитогенетикалық талдау әдістерімен салыстырғанда 5–10 мегабазаның жақсартылған ажыратымдылығына ие. Бұл бәсекеге қабілетті флуоресценттік in situ гибридтеу арқылы жүзеге асырылады. Қысқаша айтқанда, бұл салыстырылатын екі дереккөзден, әдетте сынақ және анықтамалық дереккөзден ДНК-ны бөліп алуды, әр ДНК үлгісін әртүрлі түстердің (әдетте қызыл және жасыл) флюорофорларымен (флуоресцентті молекулалармен) тәуелсіз түрде белгілеуді, ДНК-ны бір тізбекті болуы үшін денатурациялауды және екі алынған үлгіні хромосомалардың қалыпты метафазалық таралуына 1:1 қатынасында гибридтеуді қамтиды, сонда белгіленген ДНК үлгілері олардың бастапқы орнында байланысады. Флуоресценттік микроскоп пен компьютерлік бағдарламалық құралдарды қолдану арқылы әр хромосоманың бойындағы әртүрлі түсті флуоресценттік сигналдар екі дереккөз арасындағы хромосомалық айырмашылықтарды анықтау үшін салыстырылады. Хромосоманың белгілі бір аймағында сынақ үлгісі түсінің жоғары қарқындылығы сол аймақтағы материалдың тиісті бастапқы үлгіде пайда болуын, ал анықтамалық үлгі түсінің жоғары қарқындылығы сол аймақтағы сынақ үлгісінде материалдың жоғалуын көрсетеді. Нейтралды түс (флюорофорлардың жасыл және қызыл түстес белгілері сары болғанда) екі үлгі арасында осы орналасқан жерде ешқандай айырмашылық жоқ екенін көрсетеді. Бұл жетілдірілген техника белгілі және белгісіз жағдайлардың этиологиясын анықтауға мүмкіндік береді.

Тарих

CGH-ті әзірлеуге түрткі болған себеп, сол кезде қолданылған цитогенетикалық талдау түрлерінің (гиемса жолақтылығы және FISH) нәтижелерін бағау үшін қажетті микроскоптардың мүмкіндіктерімен шектеліп, ажыратымдылығының төмен болуы еді. Бұдан әрі, гиемса жолақтылығын түсіндіруде қатедіктер болуы мүмкін, бұл сенімділікті төмендетіп, екі техника да зерттелетін локустардың санын шектейтін көп еңбек талап етеді. CGH технологиясын кеңінен қолдану бастапқыда қиын болды, себебі протоколдар біртекті болмады, нәтижесінде, әсіресе деректерді интерпретациялауда сәйкессіздіктер туды. Сонымен қатар, бейне талдау бағдарламалық құралдары коммерциялық түрде қолжетімді болды, бұл CGH-ті әлемдік деңгейде пайдалануға мүмкіндік берді. Ал Pinkel және авторлар тобы 1998 жылы сүт безі қатерлі жасушаларын пайдаланып, осы технологияны қолданды. Мұның іске асуына Адам геномы жобасының көмегімен, адам геномының белгілі аймақтарында орналасқан клондалған ДНК фрагменттерінің кітапханасы жасалды, осы фрагменттер ДНК микромассивтерінде зондтар ретінде қолданылды. Қазіргі таңдағы ДНК микромассивтерінде кДНҚ, геномдық ПТР өнімдері және бактериялық жасанды хромосомалар (BAC) сияқты әртүрлі көздерден алынған зондтарды, 2 миллионға дейін зондтарды қолдануға болады.

Метафазалық слайдты дайындау

Слайдтағы ДНҚ эталондық үлгі болып табылады және осылайша кариотипі қалыпты ер немесе әйелден алынады, бірақ әйелдердің ДНҚ-сын пайдалану артықшылықты, себебі олардың екі Х хромосомасы бар, олар еркектердің Y хромосомасына қарағанда әлдеқайда көп генетикалық ақпаратты қамтиды. Фитогемагглютининмен стимуляцияланған шеткі қан лимфоциттері қолданылады. 1 мл гепаринденген қанды 10 мл өсіру ортасына қосып, 37°C температурада 5% CO2 атмосферасында 72 сағат бойы инкубациялайды. Митоз кезінде жасушаларды тоқтату үшін колхицин қосылады, содан кейін жасушалар жиналып, гипотоникалық калий хлоридімен өңделеді және 3:1 метанол/сірке қышқылында бекітіледі.

Жиынтық салыстырмалы геномдық будандастыру

Массивтік салыстырмалы геномдық гибридизация (сондай-ақ микромассивтік салыстырмалы геномдық гибридизация, матрицалық CGH, массивтік CGH, aCGH) – геномдық кең және жоғары ажыратымдылықта хромосомалық көшірме санының өзгеруін анықтауға арналған молекулалық цитогенетикалық әдіс. Массивтік CGH пациенттің геномын эталондық геноммен салыстырып, екі геном арасындағы айырмашылықтарды анықтайды, осылайша пациенттегі геномдық тепе-теңсіздік аймақтарын анықтайды, дәстүрлі CGH сияқты бәсекелестік флуоресценттік гибридизацияның ұқсас принциптерін пайдаланады. Массивтік CGH енгізілуімен, конвенциялық CGH-ның негізгі шектеуі – төменгі ажыратымдылық – еңсеріледі. Массивтік CGH-да метафазалық хромосомалар белгілі хромосомалық орналасуы бар клондалған ДНК фрагменттерімен (+100–200 кб) алмастырылады. Бұл аберрацияларды егжей-тегжейлі анықтауға және өзгерістерді тікелей геномдық тізбекке бейімдеуге мүмкіндік береді. Массивтік CGH – бұл арнайы, сезімтал, жылдам және жоғары өнімді техника болып танылды, ДНК көшірме санының өзгеруін талдау үшін қолданылатын басқа әдістермен салыстырғанда айтарлықтай артықшылықтары бар, бұл оны диагностикалық қолдануға қолайлырақ етеді. Бұл әдіс ДНК тізбегінің 5–10 килобазалық деңгейіндегі көшірме санының өзгеруін анықтауға мүмкіндік береді. 2006 жылдан бастап тіпті жоғары ажыратымдылықтағы CGH (HR CGH) массиві 200 бп ажыратымдылықта құрылымдық өзгерістерді (SV) анықтау үшін дәл. Бұл әдіс хромосомалық аберрацияларға байланысты адам ауруларында, мысалы, қатерлі ісіктер мен туа біткен ақаулар сияқты жаңа қайталанатын хромосомалық өзгерістерді, мысалы, микроделециялар мен дупликацияларды анықтауға мүмкіндік береді.

Әдістеме

CGH массиві дәстүрлі CGH-ге ұқсас принципке негізделген. Екі техникада да эталондық (немесе бақылау) үлгідегі ДНҚ және сынақ (немесе науқас) үлгідегі ДНҚ екі түрлі флуороформен әртүрлі белгіленеді және нуклеин қышқылының нысаналарына бәсекелес гибридтеу үшін зондтар ретінде қолданылады. Дәстүрлі CGH-да нысана – эталондық метафазалық таралым. CGH массивінде бұл нысаналар әртүрлі векторларда (мысалы, BAC немесе плазмидтер), cDNA немесе олигонуклеотидтерде клондалған геномдық фрагменттер болуы мүмкін. 2-сурет.

CGH массивінің технологиялық тәсілдері

CGH массиві әр түрлі техникаларды қолдану арқылы іске асырылды. Сондықтан, массивтік КГХ-ның кейбір артықшылықтары мен шектеулері таңдалған техникаға байланысты. Алғашқы тәсілдер BAC сияқты үлкен геномдық ДНК клондарынан жасалған массивтерді пайдаланды. BAC-терді қолдану, бір ғана көшірмедегі өзгерістерді анықтау және аберрация шекараларын дәл орналастыру үшін жеткілікті күшті сигналдарды қамтамасыз етеді. Дегенмен, оқшауланған BAC клондарының бастапқы ДНК шығымы төмен, сондықтан ДНК күшейту техникалары қажет. Бұл техникаларға лигация арқылы полимераза тізбекті реакциясы (ПТР), бір немесе бірнеше праймер жиынтығын қолдана отырып дегенеративті праймерлік ПТР және дөңгелек амплификациясы жатады. Массивтерді cDNA арқылы да құрастыруға болады. Бұл массивтер қазіргі уақытта жоғары кеңістіктік ажыратымдылықты қамтамасыз етеді, бірақ cDNA саны хромосомаларда кодталған гендермен шектеледі, ал кросс-гибридтеуге байланысты олардың сезімталдығы төмен. Соңғы тәсіл – массивтерді қысқа олигонуклеотидтермен белгілеу. Олигонуклеотидтердің саны дерлік шексіз, ал өңдеу жылдам, тиімді және оңай. Олигонуклеотидтерде бір көшірмедегі өзгерістерді анықтауға жеткілікті сезімталдық болмаса да, хромосомада бір-біріне жақын орналасқан олигонуклеотидтердің қатынастарын орташалау сезімталдықтың төмендеуін толықтыруға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, нақты үзіліс нүктелерін анықтау үшін үстіңгі жабатын зондтарға ие массивтерді қолдануға болады.

Құрылыс тәсілдері

КГГ қолдану үшін микроаррелерді жобалауға екі тәсіл бар: толық геномдық және мақсатты. Толық геномдық массивтер бүкіл адам геномын қамтуға арналған. Олар көбінесе геном бойынша кең көлемде қамтылатын клондарды және геномның шегінде үздісіз қамтуды қамтамасыз ететін массивтерді қамтиды. Толық геномдық массивтер негізінен зерттеу мақсаттары үшін жасалып, гендерді анықтауда ерекше құндылығын дәлелдеді. Олар сондай-ақ геномды ДНК-ның күшеюін және жоғалуын бұрын-соңды болмаған деңгейде тексеруде өте пайдалы. Бұл тәсіл ұрық және жаңа туған нәрестелердің геномдарындағы хромосомалық аберрацияларды зерттеу үшін де қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, дәстүрлі КГГ хромосомалық аномалияларды анықтау үшін қолданылуы мүмкін және адам генетикалық ауруларымен байланысты күрделі аномалияларды диагностикалауда тиімді екені дәлелденді. Бұл өзгерістердің кейбіреулері қатерлі ісіктердің әртүрлі түрлеріне тән, ал басқалары ісікке тән. Мысалы, хромосомалық аймақтардың 1q, 3q және 8q күшеюі, сондай-ақ 8p, 13q, 16q және 17p жоғалуы көптеген ісік түрлеріне, мысалы, сүт безі, жұмыртқа безі, простата, бүйрек және көк шөлке қатерлі ісігіне (сурет. 3) тән. Басқа өзгерістер, мысалы, ұрық безі қатерлі ісігінде 12p және Xp күшеюі, көк шөлке қатерлі ісігінде 13q күшеюі 9q жоғалуы, бүйрек қатерлі ісігінде 14q жоғалуы және жұмыртқа безі қатерлі ісігінде Xp жоғалуы олар ерекше және әр түрлі органдарда қатерлі ісіктің дамуы кезінде әрекет ететін ерекше іріктеу күштерін көрсетеді. Бірнеше зерттеулер дәстүрлі КГГ-ның жойылған аймақтарды, сондай-ақ хромосомалық күрделі өзгерістерді анықтау үшін жарамды екенін көрсетті. Мысалы, Levy және басқалар (2002) мысық тәрізді жылау синдромының (CdC) ерекше белгісі болып табылатын, бірақ анық емес кариотипі бар сәби туралы хабарлаған. КГГ талдауы 5p15.3 аймағынан хромосомалық материалдың жоғалуын анықтады, бұл диагнозды клиникалық тұрғыдан растады. Бұл нәтижелер дәстүрлі КГГ-ның құрылымдық аберрацияларды анықтаудың сенімді әдісі екенін және белгілі бір жағдайларда күрделі аномалияларды диагностикалауда тиімдірек бола алатынын көрсетеді. Массивтік КГГ қатерлі ісіктің хромосомалық аномалияларын анықтау үшін ғана емес, сонымен қатар ісіктердің прогрессиясын бақылау үшін де қолданылуы мүмкін. Аномалиялар массивтік КГГ арқылы анықталған жағдайда, метастаздық және жеңіл зақымдануларды FISH көмегімен де ажыратуға болады. Бұл кішкентай аберрацияларды цитогенетика немесе дәстүрлі КГГ-мен анықтауға болмайды, бірақ массивтік КГГ-мен оңай анықтауға болады. Принципті дәлелдеу ретінде Vissers және басқалар (2003) FISH расталған микроделеция синдромдары бар үш науқасты, оның ішінде PWS бар бір науқасты скринингке алу үшін 1 Мб ажыратымдылығы бар кең геномдық массивті құрастырды. Үш жағдайда да 1,5-2,9 Мб аралығындағы аномалиялар тез анықталды. Осылайша, массивтік КГГ субмикроскопиялық аберрацияларды анықтаудың нақты және сезімтал тәсілі болып табылады. Бір-біріне ауыспалы микроаррелерді пайдаланғанда хромосомалық аберрацияларға қатысы бар үзіліс нүктелерін табуға болады.

Жүктілік алдындағы генетикалық диагностика

Әлі кеңінен қолданылмаған техника болса да, преимплантациялық генетикалық скрининг құралы ретінде массивті КГГ қолдануы көбірек танымал бола бастады. Ол жұмыртқа, сперматозоид немесе эмбриондардағы CNV және анеуплоидияны анықтау мүмкіндігін береді, бұл эмбрионның сәтті имплантацияланбауына, түсікке немесе Даун синдромы (трисомия 21) сияқты ауруларға себеп болуы мүмкін. Осылайша, массивті КГГ өмірді өзгертетін жағдайлардың көбеюін азайту және ЭКО әрекеттерінің сәттілігін арттыру үшін үміт беретін құралға айналады. Бұл техника бір жасушадан геномның толық көшірмесін күшейтеді, содан кейін ол массивті КГГ әдісінде қолданылады. Бұл сондай-ақ, теңгерімді өзара транслокациялар немесе Робертсон транслокациялары сияқты хромосомалық транслокацияларды алып жүретін жұптарда, олардың балаларында хромосомалық тепе-теңсіздіктерге әкелуі мүмкін жағдайларда қолданылуы мүмкін.

CGH және матрицалық CGH шектеулері

Дәстүрлі ХГЖ-ның басты кемшілігі – оның көшірме саны өзгермеген құрылымдық хромосомалық аберрацияларды, мысалы мозаицизм, теңгерілген хромосомалық транслокациялар және инверсияларды анықтау мүмкін еместігі. ХГЖ сондай-ақ, тек плюидия деңгейіне қатысты ұлғаюлар мен азаюларды ғана анықтай алады. Бұған қоса, қысқа қайталамалы ДНК тізбектері бар хромосомалық аймақтар адамдар арасында өте әртүрлі болады және ХГЖ талдауын қиындатуы мүмкін. Сонымен қатар, дәстүрлі ХГЖ-ның ажыратымдылығы – оның клиникалық қолданысын шектейтін маңызды практикалық мәселе болып табылады. ХГЖ қатерлі ісіктер мен адам генетикалық ауруларын зерттеу және диагностикалауда пайдалы және сенімді техника болып дәлелдегенімен, қолданылуы тек айқын аномалияларды қамтиды. Метафазалық хромосомалардың шектеулі ажыратымдылығына байланысты, 5–10 Мб-ден кіші аберрацияларды дәстүрлі ХГЖ арқылы анықтау мүмкін емес.