Введение
Наследственная генетическая вариация
Мутация зародышевой линии, или герминальная мутация, – это любое обнаруживаемое изменение в зародышевых клетках (клетках, которые, после полного развития, становятся сперматозоидами и яйцеклетками). Мутации в этих клетках – единственные, которые могут передаваться потомству, когда мутировавший сперматозоид или яйцеклетка объединяются для формирования зиготы. После этого события оплодотворения зародышевые клетки быстро делятся, образуя все клетки организма, в результате чего эта мутация присутствует в каждой соматической и зародышевой клетке потомства; это также известно как конституциональная мутация. Мутация, возникающая только в зародышевых клетках, может привести к появлению у потомства генетического заболевания, отсутствующего у обоих родителей; это происходит потому, что мутация отсутствует в остальной части тела родителей, а присутствует только в зародышевой линии. Мутация, возникающая вскоре после оплодотворения, но до определения зародышевых и соматических клеток, будет присутствовать в значительной части клеток организма, без предпочтительного распределения между зародышевыми или соматическими клетками; это также называется гоносомальной мутацией. Эндогенные мутации более распространены в сперматозоидах, чем в яйцеклетках. Это связано с тем, что сперматоциты проходят через большее количество клеточных делений в течение жизни мужчины, что приводит к большему числу циклов репликации, способных вызвать мутацию ДНК. С другой стороны, сперма отца непрерывно реплицируется на протяжении всей его жизни, что приводит к множеству мелких точечных мутаций, возникающих из-за ошибок репликации. Эти мутации обычно включают замещения, делеции и вставки отдельных пар оснований. Это может инициировать повреждение ДНК, поскольку вызывает превращение гуанина в 8-оксогуанин (8-oxoG). Эта молекула 8-oxoG затем ошибочно принимается ДНК-полимеразой за тимин во время репликации, вызывая G>T-трансверсию на одной цепи ДНК и C>A-трансверсию на другой.
Мальчишки
У мышей и у людей частота спонтанных мутаций в мужской зародышевой линии значительно ниже, чем в соматических клетках. Более того, хотя частота спонтанных мутаций в мужской зародышевой линии увеличивается с возрастом, темп этого увеличения ниже, чем в соматических тканях. В популяции сперматогенных стволовых клеток яичка целостность ДНК, по-видимому, поддерживается благодаря высокоэффективному контролю за повреждениями ДНК и защитным механизмам репарации ДНК. К экзогенным мутагенам относятся вредные химические вещества и ионизирующее излучение; ключевое различие между мутациями зародышевой линии и соматическими мутациями заключается в том, что зародышевые клетки не подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения и, следовательно, редко мутируют напрямую под его воздействием.
Клинические последствия
Различные мутации зародышевой линии могут по-разному влиять на человека в зависимости от остальной части его генома. Для доминантной мутации достаточно одной мутировавшей копии гена, чтобы проявился фенотип заболевания, в то время как для рецессивной мутации требуется мутация обоих аллелей для проявления фенотипа заболевания. Например, если эмбрион унаследовал мутировавший аллель от отца, а тот же аллель от матери подвергся эндогенной мутации, то у ребенка проявится заболевание, связанное с этим мутировавшим геном, даже если мутировавший аллель присутствует только у одного из родителей. По оценкам, наследственные генетические мутации вовлечены в 5–10% случаев рака. Эти мутации повышают восприимчивость человека к развитию опухоли, если другая копия онкогена мутирует спонтанно. Эти мутации могут возникать в зародышевых клетках, что обеспечивает их наследуемость. Мутация заключается в увеличении числа повторов в белке Гентингтона, что приводит к увеличению его размера. Пациенты с более чем 40 повторами, скорее всего, будут поражены. Начало заболевания определяется количеством повторов в мутации: чем больше число повторов, тем раньше проявятся симптомы. Благодаря доминантному характеру мутации для развития заболевания достаточно одной мутировавшей копии аллеля. Это означает, что если один из родителей страдает этим заболеванием, у ребенка есть 50% шанс унаследовать его. У этого заболевания нет носителей, поскольку наличие даже одной мутации, как правило, приводит к развитию заболевания. Заболевание обычно проявляется в позднем возрасте, поэтому многие родители успевают завести детей до того, как узнают о наличии у них мутации. Мутацию HTT можно выявить с помощью геномного скрининга.
Трисомия 21
Трисомия 21 (также известная как синдром Дауна) возникает в результате наличия у ребенка трех копий 21-й хромосомы. Другой, более распространенный способ возникновения этого состояния – это нарушение при первом делении клетки после образования зиготы. Данное заболевание можно выявить как неинвазивными, так и инвазивными методами пренатальной диагностики. К неинвазивным методам относится определение ДНК плода в материнской плазме крови.
Кистозный фиброз
Кистозный фиброз – аутосомно-рецессивное заболевание, вызывающее разнообразные симптомы и осложнения, наиболее распространенным из которых является густая слизь, выстилающая эпителий легких из-за нарушения обмена солей, однако оно также может поражать поджелудочную железу, кишечник, печень и почки. Многие физиологические процессы могут быть нарушены из-за наследственного характера этого заболевания; если дефектный ген присутствует в ДНК как сперматозоида, так и яйцеклетки, то он будет присутствовать практически во всех клетках и органах организма; эти мутации могут возникать первоначально в зародышевых клетках или присутствовать во всех клетках родителей. Если у обоих родителей мутировал белок CFTR (регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе), то вероятность рождения ребенка с этим заболеванием составляет 25%.
Текущие методы лечения
Многие менделевские заболевания возникают из-за доминантных точечных мутаций в генах, таких как муковисцидоз, бета-талассемия, серповидноклеточная анемия и болезнь Тея-Сакса.
Редактирование CRISPR/Cas9
Эта система редактирования вызывает двунитевый разрыв в ДНК, используя направляющую РНК и эффекторный белок Cas9 для разрыва цепей ДНК в определенных целевых последовательностях. Этот разрыв может быть восстановлен двумя основными путями: гомологичное направленное восстановление (HDR), если присутствует цепь ДНК, используемая в качестве шаблона (либо гомологичная, либо донорная), и, если таковой нет, то последовательность подвергается нехомологичному сшиванию концов (NHEJ). Этот метод можно использовать для исправления точечной мутации, используя сестринскую хромосому в качестве шаблона, или путем предоставления двунитевого ДНК-шаблона вместе с системой CRISPR/Cas9 для использования в качестве матрицы восстановления.
Редактирование TALEN
Система редактирования генома TALEN (нуклеазы, подобные эффекторным активаторам транскрипции) используется для индуцирования разрыва двухцепочечной ДНК в определенном локусе генома, который затем может быть использован для внесения мутаций или репарации последовательности ДНК. Она функционирует за счет использования специфической повторяющейся последовательности аминокислот длиной 33-34 аминокислоты. После инициирования разрыва ДНК, концы могут быть соединены посредством NHEJ, что приводит к мутациям, или посредством HDR, который может исправить мутации. Домен ZNP может быть изменен для изменения последовательности ДНК, которую разрезает рестрикционный фермент, и это расщепление запускает клеточные процессы репарации, аналогичные тем, что наблюдаются при редактировании ДНК с помощью CRISPR/Cas9. По сравнению с CRISPR/Cas9, терапевтические возможности этой технологии ограничены из-за значительных инженерных усилий, необходимых для придания каждой ZFN специфичности к желаемой последовательности.