Введение

Метод оценки биологических образцов
Сравнительная геномная гибридизация (СГГ) – это молекулярный цитогенетический метод анализа вариаций числа копий (CNV) относительно уровня плоидности в ДНК исследуемого образца по сравнению с эталонным образцом, не требующий культивирования клеток. Целью данной методики является быстрое и эффективное сравнение двух образцов ДНК, полученных из двух источников, чаще всего тесно связанных, поскольку предполагается наличие у них различий в виде усиления или потери целых хромосом или субхромосомных областей (части хромосом). Изначально метод был разработан для оценки различий между хромосомными наборами солидной опухоли и нормальной ткани и обладает улучшенным разрешением – 5–10 мегабаз, по сравнению с более традиционными методами цитогенетического анализа, такими как окраска по Гиемзе и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), которые ограничены разрешением используемого микроскопа. Это достигается за счет использования конкурентной флуоресцентной гибридизации in situ. Вкратце, процесс включает в себя выделение ДНК из двух сравниваемых источников, как правило, исследуемого и эталонного, независимую маркировку каждого образца ДНК флуорофорами (флуоресцентными молекулами) разных цветов (обычно красным и зеленым), денатурацию ДНК для получения одноцепочечных молекул и гибридизацию двух полученных образцов в соотношении 1:1 с нормальным метафазным препаратом хромосом, к которым маркированная ДНК связывается в месте своего происхождения. С помощью флуоресцентного микроскопа и компьютерного программного обеспечения дифференцированно окрашенные флуоресцентные сигналы сравниваются по длине каждой хромосомы для выявления хромосомных различий между двумя источниками. Более высокая интенсивность цвета исследуемого образца в определенном участке хромосомы указывает на усиление материала в этой области в соответствующем образце, в то время как более высокая интенсивность цвета эталонного образца указывает на потерю материала в исследуемом образце в этом участке. Нейтральный цвет (желтый при использовании красных и зеленых флуорофоров) свидетельствует об отсутствии различий между двумя образцами в данной локализации. Этот усовершенствованный метод позволяет выявлять этиологию известных и неизвестных заболеваний.

История

Мотивация, лежащая в основе разработки CGH, заключалась в том, что доступные на тот момент методы цитогенетического анализа (окраска по Гиемзе и FISH) имели ограниченное разрешение из-за возможностей микроскопов, необходимых для интерпретации получаемых результатов. Более того, интерпретация окраски по Гиемзе может быть неоднозначной, что снижает надежность, и оба метода требуют значительных трудозатрат, ограничивающих количество исследуемых локусов. Первоначально широкое внедрение технологии CGH было затруднено из-за отсутствия стандартизированных протоколов, что приводило к несоответствиям, особенно в связи с неопределенностью при интерпретации данных. Однако, коммерческая доступность программного обеспечения для анализа изображений позволила использовать CGH во всем мире, и впервые технология была применена Pinkel и соавторами в 1998 году при исследовании клеток рака молочной железы. Это стало возможным благодаря проекту «Геном человека», который создал библиотеку клонированных фрагментов ДНК с известным расположением в геноме человека, использованных в качестве зондов на ДНК-микромассивах. В настоящее время на ДНК-микромассивах, содержащих до 2 миллионов зондов, могут использоваться зонды различного происхождения, такие как кДНК, продукты геномной ПЦР и бактериальные искусственные хромосомы (BAC).

Подготовка метафазных слайдов

ДНК на слайде является эталонным образцом и, таким образом, получена от кариотипически нормального мужчины или женщины, хотя предпочтительнее использовать женскую ДНК, поскольку она содержит две X-хромосомы, которые несут значительно больше генетической информации, чем мужская Y-хромосома. Используются лимфоциты периферической крови, стимулированные фитогемагглютинином. 1 мл гепаринизированной крови добавляют к 10 мл культуральной среды и инкубируют в течение 72 часов при 37 °C в атмосфере, содержащей 5% CO2. Колхицин добавляют для остановки клеток в метафазе, после чего клетки собирают и обрабатывают гипотоническим раствором хлорида калия и фиксируют в смеси метанола и уксусной кислоты в соотношении 3:1.

Сравнительная геномная гибридизация массивов

Сравнительная геномная гибридизация массивов (также сравнительная геномная гибридизация на основе микромассивов, матричная CGH, массив CGH, aCGH) – это молекулярно-цитогенетический метод для выявления изменений числа копий хромосом в масштабе всего генома с высоким разрешением. Массив CGH сравнивает геном пациента с референсным геномом и определяет различия между ними, тем самым локализуя области геномных дисбалансов у пациента, используя те же принципы конкурентной флуоресцентной in situ гибридизации, что и традиционная CGH. С появлением массивного CGH основное ограничение обычной CGH – низкое разрешение – было преодолено. В массивном CGH метафазные хромосомы заменяются клонированными фрагментами ДНК (+100–200 кб), точное хромосомное положение которых известно. Это позволяет более детально выявлять аберрации и, кроме того, непосредственно сопоставлять изменения с геномной последовательностью. Массив CGH доказал свою специфичность, чувствительность, быстроту и высокую производительность, обладая значительными преимуществами по сравнению с другими методами, используемыми для анализа изменений числа копий ДНК, что делает его более подходящим для диагностических целей. С помощью этого метода можно выявлять изменения числа копий на уровне 5–10 килобаз последовательностей ДНК. По состоянию на 2006 год, даже массивы CGH с высоким разрешением (HR CGH) способны точно обнаруживать структурные вариации (SV) с разрешением 200 пар оснований. Этот метод позволяет идентифицировать новые рекуррентные хромосомные изменения, такие как микроделеции и дупликации, при заболеваниях человека, таких как рак и врожденные пороки развития, обусловленные хромосомными аберрациями.

Методология

Массив CGH основан на том же принципе, что и традиционный CGH. В обеих техниках ДНК из референсного (или контрольного) образца и ДНК из исследуемого (или пациента) образца дифференциально маркируются двумя различными флюорофорами и используются в качестве зондов, которые конкурентно гибридизуются к мишеням нуклеиновых кислот. В традиционном CGH мишенью является референсный метафазный спред. В массивном CGH эти мишени могут быть фрагментами генома, клонированными в различных векторах (таких как BAC или плазмиды), кДНК или олигонуклеотидами. Рисунок 2.

Технологические подходы к массивным ГХК

Массив CGH был реализован с использованием широкого спектра техник. Поэтому некоторые преимущества и ограничения массивного CGH зависят от выбранной техники. Первоначальные подходы использовали массивы, созданные из крупных клонов геномной ДНК, таких как BAC. Использование BAC обеспечивает достаточно интенсивные сигналы для обнаружения изменений в одной копии и точного определения границ аберраций. Однако начальный выход ДНК изолированных клонов BAC невелик, и необходимы методы амплификации ДНК. К этим методам относятся полимеразная цепная реакция (ПЦР) с лигированием, ПЦР с вырожденными праймерами с использованием одного или нескольких наборов праймеров и амплификация скатывающимся кругом. Массивы также могут быть сконструированы с использованием кДНК. Эти массивы в настоящее время обеспечивают высокое пространственное разрешение, но количество кДНК ограничено генами, закодированными на хромосомах, и их чувствительность низка из-за перекрестной гибридизации. Последний подход заключается в нанесении на массивы коротких олигонуклеотидов. Количество олигонуклеотидов практически бесконечно, а обработка быстрая, экономичная и простая. Хотя олигонуклеотиды не обладают чувствительностью для обнаружения изменений в одной копии, усреднение соотношений от олигонуклеотидов, картирующихся рядом друг с другом на хромосоме, может компенсировать сниженную чувствительность. Также возможно использование массивов с перекрывающимися зондами для выявления специфических точек разрыва.

Подходы к проектированию

Существует два подхода к разработке микромассивов для применения в сравнительной геномной гибридизации (КГГ): анализ всего генома и целевой анализ. Микромассивы для анализа всего генома предназначены для охвата всего человеческого генома. Они часто включают клоны, обеспечивающие широкое покрытие генома, а также массивы с непрерывным покрытием в пределах генома. Микромассивы для анализа всего генома в основном создавались для исследовательских целей и доказали свою выдающуюся ценность в открытии генов. Они также очень полезны для скрининга генома на предмет усилений и делеций ДНК с беспрецедентным разрешением. Этот подход также может быть использован для изучения хромосомных аберраций в геномах плода и новорожденных. Кроме того, традиционная КГГ может быть использована для выявления хромосомных аномалий и показала свою эффективность в диагностике сложных аномалий, связанных с генетическими заболеваниями человека. Некоторые из этих изменений, по-видимому, общи для различных типов злокачественных опухолей, в то время как другие более специфичны для опухолей. Например, усиления хромосомных областей 1q, 3q и 8q, а также делеции 8p, 13q, 16q и 17p, часто встречаются при ряде типов опухолей, таких как рак молочной железы, яичников, предстательной железы, почек и мочевого пузыря (рисунок 3). Другие изменения, такие как усиления 12p и Xp при раке яичек, делеция 13q при раке мочевого пузыря, делеция 14q при раке почек и делеция Xp при раке яичников, более специфичны и могут отражать уникальные селективные силы, действующие в процессе развития рака в разных органах. Ряд исследований показали, что традиционная КГГ подходит для выявления делеций, а также более сложных хромосомных аберраций. Например, Levy et al. (2002) сообщили о младенце с «кошачьим криком» – характерным признаком синдрома «кошачьего крика», но с нечетким кариотипом. Анализ КГГ выявил делецию хромосомного материала в области 5p15.3, что подтвердило клинический диагноз. Эти результаты демонстрируют, что традиционная КГГ является надежным методом выявления структурных аберраций и в определенных случаях может быть более эффективной в диагностике сложных аномалий. Массив КГГ также может применяться не только для выявления хромосомных аномалий при раке, но и для мониторинга прогрессирования опухолей. Дифференциация между метастатическими и незначительными поражениями также возможна с использованием FISH после идентификации аномалий с помощью массива КГГ. Эти небольшие аберрации не могут быть обнаружены с помощью цитогенетики или традиционной КГГ, но могут быть легко обнаружены с помощью массива КГГ. В качестве доказательства принципа Vissers et al. (2003) создали геномный массив с разрешением 1 Мб для скрининга трех пациентов с известными, подтвержденными FISH микроделеционными синдромами, включая одного с синдромом Прадера-Вилли. Во всех трех случаях аномалии, варьирующиеся от 1,5 до 2,9 Мб, были легко идентифицированы. Таким образом, массив КГГ был показан как специфичный и чувствительный метод выявления субмикроскопических аберраций. При использовании перекрывающихся микромассивов также можно выявить точки разрыва, связанные с хромосомными аберрациями.

Пренатальная генетическая диагностика

Хотя это еще не широко распространенная методика, использование массива CGH в качестве инструмента для преимплантационной генетической диагностики становится все более популярным подходом. Он обладает потенциалом для выявления CNV и анеуплоидии в яйцеклетках, сперматозоидах или эмбрионах, что может способствовать неудачной имплантации эмбриона, выкидышу или таким состояниям, как синдром Дауна (трисомия 21). Это делает массив CGH перспективным инструментом для снижения частоты возникновения серьезных заболеваний и повышения эффективности попыток ЭКО. Методика включает в себя амплификацию всего генома из одной клетки, которая затем используется в анализе CGH. Она также может быть применена у пар, являющихся носителями хромосомных транслокаций, таких как сбалансированные взаимные транслокации или транслокации Робертсона, которые могут привести к хромосомной нестабильности у их потомства.

Ограничения CGH и массива CGH

Основным недостатком традиционной КGH является неспособность выявлять структурные хромосомные аберрации без изменений числа копий, такие как мозаицизм, сбалансированные хромосомные транслокации и инверсии. КGH также может обнаруживать только усиления и потери относительно уровня плоидности. Кроме того, хромосомные области с короткими повторяющимися последовательностями ДНК сильно варьируют у разных людей и могут затруднять анализ КGH. Более того, разрешение традиционной КGH является серьезной практической проблемой, ограничивающей ее клиническое применение. Хотя КGH зарекомендовала себя как полезный и надежный метод в исследованиях и диагностике как рака, так и генетических заболеваний человека, ее применение ограничено выявлением грубых аномалий. Из-за ограниченного разрешения метафазных хромосом аберрации размером менее 5–10 Мб не могут быть обнаружены с помощью традиционной КGH.