Виды мутаций

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск

Что такое мутация?

Начнем с того, что “правильного” генокода не существует. Поэтому если у меня ген один, а у вас другой, то это не означает еще, что один из нас мутант.

Тем не менее, существуют такие изменения в генокоде, которые приводят к явным проблемам, и обычно они редко встречаются; их и называют мутации. Изменения, которые встречаются у более чем 1% населения, правильнее называть не мутации, а полиморфизмы.

Мутации можно унаследовать у родителей, или же они могут возникнуть только у ребенка — в этом случае их называют de novo

Мутации могут возникнуть уже при развитии организма, при делении и дифференциации клеток — такие называют соматическими мутациями; их нельзя унаследовать, потому что они “живут” в клетках тела (сома), но не в половых клетках..

Наоборот, мутации, которые затрагивают половые клетки, наследуются, и их называют мутациями в зародышевой линии (germline mutations)


Мутации могут быть молчаливыми — они есть, а эффекта нет. Таких подавляющее большинство — если помните, гены занимают лишь менее 2% всей ДНК. Каждый из нас является носителем как минимум десятков таких мутаций. Если они приходятся на малозначимые участки ДНК, никто ничего не заметит.

Мутации могут затрагивать одну “букву” генокода — а могут и целый огромный фрагмент ДНК. Этот фрагмент чаще всего может быть потерян (делеция) или задвоен (дупликация) — в этом случае клетки изменят количество синтезируемых белков по затронутым генам — изменится их доза

Для разных видов мутаций существуют разные виды анализов и тестов, и мы по ним сейчас попробуем пройтись.

От больших — к маленьким

Анеуплодия — аномалия числа хромосом

Aneuplody.jpg


Самая большая по размеру генетическая аномалия — изменение числа хромосом. Хотя это и не аутизм, но начать стоит с него 50 лет назад было открыто, что синдром Дауна вызывается тремя 21 хромосомами, вместо двух. Это называется трисомией; а изменение вообще числа хромосом — анеуплодией. Помимо этого встречается трисомия 13 хромосомы (синдром Патау) и 18 (синдром Эдвардса), а также ряд анеуплодий половых хромосом (X и Y)

Все это можно разглядеть в обычный оптический микроскоп — анализ называется “кариотипирование”. Хромосомы делящихся клеток фотографируют, сортируют и описывают. На картинке виден кариотип женщины с тремя 21 хромосомами.

Эффект от трисомий огромен и заметен в очень многих процессах: и в строении тела, и в физиологических процессах, и даже по характерным белкам в крови носящей матери (именно так работают сейчас скрининговые тесты на с. Дауна)

Почему встречаются только трисомии 21, 13 и 18 и половых хромосом? Случиться это может с любой хромосомой, но остальные не выживают даже до стадии заметной беременности. Возможно причина в том, что 21, 13 и 18 хромосомы — одни из самых “бедных” белковыми генами (помните, нумерация там по размеру, они ведь еще и маленькие) и увеличение их дозы относительно переносимо. Это подтверждается таблицей ниже: на ранних фазах развития возможны любые анеуплодии, а по мере приближения к успешным родам — только вот эти 3.

Incidence.jpg

Copy Number Variation

Duplication.jpg

CNV — это тоже либо задвоение, либо отсутствие определенной части ДНК, но уже не на уровне целой хромосомы, а несколько миллионов нуклеотидов.

Для их обнаружения применяют тестирование, называемое CGH array: comparative genomic hybridization, также FISH и другие.В нашей практике часто называют также “молекулярное кариотипирование”, микроматричный хромосомный анализ и т.п.

Это все равно огромные куски ДНК, которые могут включать в себя десятки генов и управляющих структур. Эффект от них очень заметен, почти всегда включает в себя дисморфизмы и измененения когнитивных способностей. Обозначают их по затронутому участку генокода, например 2q32 deletion — потеря участка в полоске 32 на длинной руке 2 хромосомы (вспоминаем часть 1 и “адреса” участков хромосом) Туда же относятся и многие известные “именные” синдромы, например синдром Вильямса — 7q11.23 deletion

Такие CNV мутации, как считается объясняют от 3% до 10% случаев аутизма. Это практически единственный вид генетической аномалии, который уверенно связан с некоторыми — синдромными — формами аутизма.

Еще раз — основное, что нужно знать про CNV в аутизме: они работают в небольшой доле случаев,но их эффект заметен в очень многих аспектах, от дисморфизмов до интеллекта. Т.е. наличие дефектов в CNV почти всегда можно увидеть либо прямо на лице, либо в виде довольно очевидных нарушений типа системной гипотонии и атаксии...

Некоторые известные и документированные CNV

CNV table.png

При этом наличие данных CNV не гарантирует аутизма как диагноза. Пенетрантность не 100% никогда. Недавнее эстонское исследование группы людей без каких-либо диагнозов показало, что носители CNV 16p11.2 демонстрируют диcморфизмы головы, ожирение, нарушение когнитивных способностей — но не имеют диагноза аутизма, вопреки данным в таблице выше;

Существует онлайн-база данных CNV, вызывающих аутизм и сходные синдромы http://projects.tcag.ca/autism/

Синдромный аутизм

Синдромным аутизм называют тогда, когда считается, что аутистические симптомы вызваны понятным генетическим расстройством — как правило CNV, но не только (см. Fragile X например). Многие ученые говорят, что термин этот некорректный. Правильнее наверное говорить "аутизм понятной генетической этиологии" или что-нибудь в этом роде.

Очень хороший обзор самых известных форм аутизма с "понятной генетической этиологией" — т.е. синдромных форм аутизма можно найти в блоге Эмили Казанова

Еще раз про пенетрантность

Пенетрантность — penetrance — это термин, означающий процент носителей мутации, у которой проявляется (в данном случае) аутизм. В обзоре в предыдущей главе видно, что пенетрантность для синдромных форм аутизма от 60 до 90 процентов

Пенетрантность в 92% для idic(15) называют "ошеломительной". Да, это много. Это более чем достаточно, чтобы считать данный генетический вариант причиной аутизма — если он найден у ребенка и симптомы сходятся. Это же дает основания полагать, что если эту мутацию исключить при PGD — у следующего ребенка тех же родителей аутизма не будет.

SNP

Snp.png

Теперь давайте доберемся до самых маленьких генетических вариаций, заключенных всего в одном нуклеотиде, одной “букве” В человеческом геноме есть несколько миллионов точек, где распространены вариации в одной “букве” генокода; вокруг все стабильно, а вот в этих конкретных местах — у разных людей по разному. Причем такие вариации почему-то почти всегда биаллельны, то есть там только два варианта “букв” из четырех, и присутствуют они у очень большой доли населения — часто один вариант у 60%, а другой — у 40%. Это не мутация, а полиморфизм, если вспомнить часть 7. (для того, чтобы SNP официально признали таковым, его распространенность должна быть не менее 1%)

То есть это не “мутации”, не ошибки ДНК. Это норма и ее варианты.

Такие вариации называют SNP (читается “снип”), обозначают номерами типа rs2320030 и их найдено и описано порядка 10 миллионов.

Genome-wide association studies

Анализ, показывающий какие варианты (аллели) SNP присутствуют у конкретного человека проводят на SNP чипе. Он представляет из себя пластинку, на которой “напечатаны” образцы генома человека вокруг популярных SNP, ДНК испытуемого (часто образец слюны) наносится на эту пластину и далее смотрят, куда она “прилипла”, а куда нет. Популярный анализ 23andme именно такой, и дает около 1 миллиона таких SNP. Это называется “генотипирование” и оно довольно дешево, а поэтому его применяют сейчас часто ( и часто не по делу). Дешево потому, что SNP хорошо известны, и этот анализ удобно делать на потоке, массово.

Эта доступность породила особый вид исследований, Genome-Wide Association Studies (GWAS), при которых берется группа носителей наследуемого признака, и контрольная группа, всех генотипируют, а затем смотрят, нет ли какого-нибудь SNP, который бы у первых был в одном варианте, а у вторых — в другом.

Проблема здесь в статистике: так как SNPов миллионы, велика вероятность того, что мы увидим связь там, где её нет: просто например, на группе в 30 аутистов найдется такой SNP который 30 раз выпадет “правильно” у них. Если монетку бросить миллион раз, она и на ребро встанет :) С этой проблемой можно бороться статистическими же методами, и бороться успешно. Однако в целом GWAS результаты для аутизма отвратительно реплицируются.


Что означает наличие SNP

Snpreport.png

Эффект от одного или другого варианта SNP как правило мизерный. По другому и быть не может, так как они все по определению очень распространены в популяции. Однако есть заболевания (например муковисцидоз) для которых определяющими являются именно они (но как правило не в одном SNP: обычно наличие “плохого” варианта статистически повышает риск расстройства, скажем, на 2%)

Ни одного SNP, связанного хоть сколь-нибудь значимо с аутизмом, не найдено. Кстати, те, что связаны хоть сколько-нибудь — как правило, сидят не в генах, а в управляющих элементах ДНК — т.е. не в экзоме.

Поэтому все тесты, которые используют SNP генотипирование и рассчитывают значимый “риск аутизма” — шарлатанство скорее всего. Есть не мало сайтов, предлагающих загрузить результаты 23andme и получить “персональные” рецепты лечения аутизма. Самый знаменитый — это “доктор” Yasko, продвигающий рецепты от MTHFR “мутаций”. Шарлатанство. Еще раз, это не мутации. MTHFR — важный ген в фолатном обмене, и он вероятно связан с аутизмом, но не на SNP уровне это искать.

Справедливости ради надо сказать, что комбинация SNP (сотен разных снипов, каждый из которых дает мизерный вклад, но в сумме набирается что-то существенное) кажется способна объяснить шизофрению (в отличие от аутизма) — что пытаются выявить почти те же люди, что делали Human Genome Project, и почти столь же титаническими усилиями. Но там речь идет именно что о сотне снипов.

De novo мутации

De novo.png

“Настоящие” мутации, не живущие постоянно в популяции, мутации, которые появляются у конкретных людей и передаются их детям (или возникают у детей), называются de novo мутациями. Они могут быть как большими участками (CNV), как маленькими вставками и удалениями (indels) так и отдельными “буквами”. Этот пост про последние два вида.

Для их обнаружения тесты на дешевых чипах непригодны, геном надо читать подряд, или, как это называется, секвенировать (sequencing). Можно читать как весь геном вообще — whole genome sequencing (дорого), так и только экзом, только часть, кодирующую белки — exome sequencing, (относительно недорого, $1000 за человека). Соответственно, в клинической практике оно не применяется почти совсем.

Таких de novo мутаций в принципе довольно много — каждый из родителей передает ребенку не менее 100 таких, но только малая часть выпадает на значимые места ДНК. Свежие уважаемые публикации (Iossifov и коллеги 2012) оценивают ключевой вклад de novo мутаций в приблизительно 10% случаев аутизма. Если вы были на конференции в мае, там был доклад Nagwa Meguid о “Новом гене и уникальной форме аутизма” — ровно такой случай, de novo мутации (различные) в гене BCKDK.

Однако и в этой простой истории: вот мутация, вот она затронула ген, важный для работы мозга, вот мы продемонстрировали, что этот ген влияет на аутизм — есть большая загадка. Если, в отличие от Ивана Иосифова исследовать семьи не с одним, а с двумя аутистами, как это сделал Yuen и коллеги в этом году, то оказывается, что они ухитряются брать разные мутации от одних и тех же родителей.

Обобщаем и классифицируем виды “мутаций”

Genetic architecture.png

В предыдущих частях мы кратко прошлись по различным видам генетических вариантов в ДНК. От больших по размеру, как правило имеющих заметный эффект, до совсем маленьких.

И правило здесь такое: большие по размеру аномалии как правило редки, но имеют заметный эффект на многие аспекты фенотипа маленькие варианты часто распространены в популяции, но каждая из них имеет мизерный эффект

Это можно суммировать на диаграме типа вот такой, где по горизонтали — распространенность аллели (генетического варианта), от редких к частым, а по вертикали — проявленный эффект у носителей.


Надо отметить, что для аутизма и шизофрении даже самые “сильные” CNV не имеют менеделевского эффекта, обычно повышая риск развития клинически определяемого заболевания с 1% до 3%—10%. Это называется incomplete penetrance. Можно быть носителем известного “шизофренического CNV”, можно иметь дизморфизмы и отклонения в эндокринной системе, характерные для него, но не иметь шизофрении, хотя и обнаруживать некоторые субклинические отклонения.

Соответственно, индивидуальный эффект от полиморфизмов типа SNP вообще мизерный и почти не имеет практического значения для диагностики аутизма.

Ликбез по генетике аутизма
I. Ликбез по генетике аутизма • II. Генетика и близнецы • III. Виды мутаций • IV. GWAS Шизофрения