Лекция 11.

Генетические задачи решаются легко
только тогда, когда они предварительно
уже
решены
другими.
Поэтому
необходимо предостеречь тех, кто
впервые приступает к генетическому
анализу, от уныния и пессимизма, если
их
первые
попытки
окажутся
неудачными.
Александр Сергеевич Серебровский
1.
–
–
2.
3.
Методы молекулярноцитогенетического анализа и
диагностика хромосомных патологий.
Цитогенетические
методы
исследования
кариотипа человека.
FISH.
Методы,
используемые
для
идентификации
известных мутаций.
Новые методы обнаружения мутаций и генетических
полиморфизмов
Стратегия эксперимента
Метод исследования выбирается в зависимости от поставленной
задачи и типа материала
Основные этапы :
1. Выделение материала
4. Окраска
2. Культивирование
5. Оценка кариотипа:
3. Фиксация
• Числовая
• Структурная характеристика
Использование методов стандартной окраски позволяет произвести
1.
2.
3.
Оценку количества хромосом
Количество хромосом внутри
группы
Определение хромосомных и
хроматидных разрывов,
межхромосомных обменов
Используется для диагностики
синдромов ломкости хромосом.
Стандартная окраска
Диагностическими характеристиками при определении ломкости хромосом на цитогенетическом уровне
являются:
1. частота и спектр спонтанных хромосомных аберраций,
2. частота и спектр индуцированных in vitro хромосомных аберраций.
При цитогенетическом анализе проводится учет следующих показателей (%):
- суммарная частота всех хромосомных аберраций,
- частота хромосомных аберраций хроматидного типа (хроматидная делеция, внутрихромосомный
внутриплечевой или межплечевой обмен, межхромосомный хроматидо-хроматидный обмен)
- частота хромосомных аберраций хромосомного типа (хромосомная делеция, ацентрический свободный
парный фрагмент, ацентрическое кольцо, перицентрическая инверсия, кольцевая хромосома,
реципрокная транслокация, дицентрическая хромосома).
1 1
2
1
2
1
3
- ацентрический свободный парный
фрагмент(1)
- одиночный разрыв (2)
- изохроматидный пробел (3)
Стандартная окраска
-
межхромосомные хроматидо-хроматидные обмены между
негомологичными хромосомами
Дифференциальное окрашивание (G-окрашивание)
•Основной метод использующийся для
определения кариотипа клеток
•Позволяет наиболее полно оценить
крупные изменения кариотипа
Дифференциальное окрашивание (G-окрашивание)
Гиперплоидия (47-50 хр.): 48,XX,+X,+21.
46,XY,t(11;19)(q23;p13)
Гиперплоидия (>50 хр.): 58,
XX,-X,-1,-2,-3,-5,-9,-11,-12,-13,
+14,-15,-16,+18,-19,-20,+21,-22.
46,XY,t(4;11)(p22;q23)
Дифференциальное окрашивание (G-окрашивание)
57,XY,t(1;22)(p13;q13),del(1)(p13),del(1)(q23), +1,+2,+5,+6,+7,+10,+15,+19,+21,+21,+22
Диагностика хромосомных патологий. Принцип
флуоресцентной микроскопии
Хромосомные аномалии - одна из распространенных причин
наследственных заболеваний и врожденных патологий человека. С
реорганизацией хромосом часто связана злокачественная трансформация
клеток, ведущая к развитию онкологических заболеваний.
Для решения многих проблем цитогенетической диагностики оказалось
недостаточно использования только классических методов хромосомного
анализа, базирующихся на дифференциальном окрашивании хромосомных
районов.
За пределами возможностей этих методов остаются:
• идентификация материала малых сверхчисленных маркерных хромосом,
• дупликации, делеции, инсерции небольших районов,
• несбалансированные транслокации.
Сравнение эффективности хромосомного анализа, проведенного методом
24-цветной флуоресцентной гибридизации iп situ (FISH), и методом GTGдифференциальной
окраски
хромосом
наглядно
демонстрирует
необходимость широкого внедрения в практическую диагностику
современных молекулярно-цитогенетических методов исследования.
Диагностика хромосомных патологий. Принцип
флуоресцентной микроскопии.
Показано, что в случае гематологических заболеваний методами
дифференциального окрашивания хромосом выявлялось и правильно
идентифицировалось только 30% хромосомных перестроек, обнаруженных
с помощью 24-цветной FISH. Еще около трети перестроек
идентифицировалось неверно, а треть - оставалась совсем незамеченной.
Еще хуже дело обстояло с анализом хромосомных перестроек в клетках
солидных опухолей:
• методы дифференциального окрашивания хромосом позволяют выявить
и правильно идентифицировать лишь 15% хромосомных перестроек,
описанных с помощью 24-цветной FISH [Schroeck et al., 2000];
Современные
методы
молекулярно-цитогенетического
анализа
хромосомных аномалий значительно повысили разрешающую способность
диагностики хромосомных патологий и её надежность. Они сделали
возможным проведение исследований при полном отсутствии
митотических клеток, что позволило в ряде случаев полностью
пересмотреть принципы проведения хромосомного анализа.
Наследственные и врожденные хромосомные патологии
Большинство численных и структурных аномалий хромосом проявляется в
виде разнообразных нарушений развития организма. Исключением является
часть инверсий хромосомных районов и сбалансированных транслокаций.
Анеуплоидии хромосом обычно либо несовместимы с жизнью, либо
приводят к множественным порокам развития. Существует лишь
небольшой список трисомий и моносомий, совместимых с рождением
жизнеспособного потомства.
Наименее серьезные нарушения развития вызывает анеуплоидия половых
хромосом (45,Х; 47,ХУУ; 47,ХХХ; 47,ХХУ).
Известны примеры трисомии аутосом: 13-й (синдром Патау), 18-й (синдром
Эдвардса) и 21-й (синдром Дауна). Зарегистрированы единичные случаи
родов с трисомией хромосом 8, 9 и 22. Эти хромосомные патологии
сопровождаются множественными пороками развития, резким снижением
жизнеспособности и ранней постнатальной смертностью.
Трисомии других аутосом являются причиной гибели плода уже на ранних
стадиях эмбрионального развития. Частичные (по отдельным районам
хромосом) трисомии и моносомии наблюдали в 4% обследованных
беременностей. Обычно они являются следствием несбалансированных
транслокаций, инсерций, делеций и дупликаций небольших хромосомных
районов, формирования малых сверхчисленных хромосом. К сожалению,
этот перечень полностью совпадает с списком хромосомных перестроек,
диагностика которых серьезно затруднена в случае использования только
«классических» методов хромосомного анализа.
Наследственные и врожденные хромосомные патологии
Некоторые хромосомные аномалии могут сохраняться в нескольких
поколениях и не вызывать серьезных аномалий развития, в то время как
другие приводят к формированию ярко выраженных клинических синдромов.
•Синдром тетрасомии 18р обычно связан с наличием сверхчисленной хромосомы
i(l8)(pl0).
•Синдром Паллистера-Киллиана обусловлен присутствием в части клеток
изохромосомы i(J2)(р1О).
•Синдром «кошачьего глаза» является результатом трисомии или тетрасомии
района 22pter~qll.
•Для формирования синдрома Дауна не обязательна трисомия всей хромосомы 21.
Вполне достаточно трисомии района 2Jq22.
Большое значение для развития того или иного синдрома имеет положение точек
разрыва, которые происходят при хромосомной перестройке. Нередко их
минимальное смещение приводит к принципиально иным последствиям. Например,
у пациентов с делецией части района 3pter~p25 наблюдается целый спектр
различных аномалий развития: от нормального варианта до задержки физического
развития, умственной отсталости, микроцефалии, нарушений развития сердечнососудистой системы и др. Показано, что при сохранении на аномальной хромосоме 3
близко расположенных локусов D3SJ585 и D3SJ263 (район 3р25) делеция приводит
лишь к несущественным отклонениям от нормального фенотипа. При делеции,
затрагивающей только дистальный локус, развиваются значительно более
серьезные нарушения, включающие поражение сердечнососудистой системы,
задержку умственного развития и ряд других аномалий. Таким образом, точное
описание хромосомной аномалии нередко оказывается решающим фактором при
постановке диагноза, определении прогноза и принятии решения о прерывании
беременности.
Цитогенетический анализ при онкологических заболеваниях
Анализ процесса малигнизации клеток и дальнейшей опухолевой прогрессии
показал, что они тесно связаны с реорганизацией генома, которая нередко
проявляется в виде структурных или численных изменений хромосом и их
отдельных районов.
В настоящее время известны множественные примеры хромосомных
перестроек, которые либо обуславливают предрасположенность к
развитию онкологических заболеваний, либо могут являться прямой
причиной злокачественной трансформации. Опухолевая прогрессия часто
связана с появлением клеточных клонов, несущих новые хромосомные
перестройки и отличающихся от исходного штамма рядом признаков,
имеющих непосредственное значение для прогнозирования развития
заболевания и выбора оптимальной стратегии лечения.
Результаты анализа 26 523 неоплазий, несущих различные хромосомные
аномалии, были суммированы и опубликованы в пятом издании «Каталога
хромосомных аберраций при онкологических заболеваниях» (Mite1mal1 et al.,
1997). Выявлены новые гены, изменение экспрессии которых в ряде случаев
приводит к малигнизации клеток. Стала очевидной клиническая
значимость данных хромосомного анализа.
Хромосомы малигнизированных клеток печально известны своей «плохой,
морфологией,
крайне
затрудняющей
проведение
«классического»
цитогенетического анализа. После проведения курса химио- или
радиотерапии крайне проблематичным становится даже получение
препаратов метафазных хромосом.
Цитогенетический анализ при онкологических заболеваниях
Решение было найдено благодаря переходу от изучения морфологии
аномальной хромосомы к визуализации районов ДНК, входящих в ее
состав.
Это определило развитие цитогенетики злокачественных заболеваний в
двух направлениях:
1) - создание и развитие новых методов анализа хромосомных перестроек
неизвестного происхождения;
2) - создание методов выявления определенной хромосомной перестройки.
06а эти направления имеют большое практическое значение.
В настоящее время одним из основных методов идентификации
хромосомного района (по входящей в его состав ДНК) является
гибридизация нуклеиновых кислот iп situ (FISH). В различных
вариантах она является составной частью большинства современных
методов молекулярно-цитогенетического анализа. Диапазон получаемых
результатов варьирует от определения хромосомной принадлежности
районов всех хромосом анализируемой клетки, выявления нарушения
баланса
хромосомных
районов,
до
детекции
транслокаций,
сопровождающейся локализацией точек разрывов с точностыо до
десятков тысяч пар нуклеотидов.
Основные принципы гибридизации
нуклеиновых кислот in situ
Гибридизация НК iп situ была разработана для локализации фрагментов
нуклеиновых кислот в метафазных и профазных хромосомах. Вскоре этот метод
нашел широкое применение и в диагностических лабораторияx, связанных с
анализом хромосомных патологий. В его основе лежит создание и использование
препаратов ДНК, содержащих последовательности нуклеотидов, отвечающие
определенным требованиям. В простейшем случае это последовательности,
гомологичные участкам ДНК интересующего исследователя хромосомного
района.
Для их использования при гибридизации iп situ необходимо введение в ДНК
элементов, позволяющих выявлять меченую ДНК при микроскопическом анализе,
т.е. создание меченой ДНК - «ДНК-пробы». После получения ДНК-пробы можно
пристynать к проведению гибридизации ДНК-пробы и ДНК цитологического
препарата. В общих чертах, опуская технические пункты протокола,
гибридизация iп situ заключается в денатурации ДНК-пробы и цитологического
препарата с последующей совместной ренатурацией, обеспечивающей
формирование дуплексов меченой ДНК и ДНК препарата. Несвязанная меченая
ДНК отмывается, после чего проводится выявление (визуализация на
цитологическом препарате) введенных в ДНК-пробу элементов.
В первых экспериментах таким элементом был тритий - радиоактивный
изотоп водорода. Замена последнего на определенные химические соединения
обеспечила более высокий уровень разрешения и открыла путь к одновременному
использованию большого числа ДНК-проб, новым методам регистрации и
обработки результатов гибридизации iп situ. Что привело к появлению нового
раздела цитогенетики - количественной молекулярной цитогенетики.
Принцип метода FISH
Основные принципы гибридизации
нуклеиновых кислот in situ
Сегодня мечение ДНК принято разделять на «прямое» и «непрямое». Прямое
меченuе предполагает введение в ДНК репортерных элементов (РЭ), которые
могут непосредственно наблюдаться при микроскопии. Это различные
флуорохромы, такие как флуоресuеинизотиоцианат (FIТC), родамин,
диэтиламинокумарин (DЕАС), аминометилкумарин (АМСА), техасский
красный (TexRed), цианиновые красители (Су3, Су3,5, Су5, Су5.5, Су7) и многие
другие.
При непрямом способе меченuя в качестве РЭ применяют также самые
разные соединения (биотин, дигоксигенин, 2,4-динитрофенил), присутствие
которых на цитологическом препарате выявляется «не прямо», а
опосредованно,
с
помощью
перечисленных
выше
флуохромов,
конъюгированных с молекулами, специфически связывающимися с РЭ.
Непрямой вариант мечения ДНК-пробы позволяет добиться уровня сигнала, в
несколько раз превышающего сигнал при использовании прямо меченной ДНКпробы. Это объясняется присутствием трех-четырех молекул флуорохрома
на молекуле антитела, специфичного к РЭ. Кроме того, в некоторых
системах детекции существует возможность каскадного усиления сигнала.
Такое усиление достигается несколькими последовательными обработками
препарата. К сожалению, одновременно с интенсивностью сигнала растет
уровень фона, что не позволяет проводить бесконечные циклы усиления.
Острота проблемы регистрации слабого сигнала значительно уменьшилась
благодаря совершенствованию микроскопической техники и способов
регистрации флуоресцентного сигнала. Охлаждаемые CCD-камеры
позволяют накапливать сигнал в течение десятков минут и надежно
регистрировать очень слабую флуоресценцию.
Основные принципы гибридизации нуклеиновых кислот in situ
Этим обусловлена тенденция все более широкого использования прямо
меченных ДНК-проб, но и сегодня при одно- или двухцветной FISH чаще
используется непрямое мечение. Для мечения ДНК могут быть
использованы самые разные методы:
1) прямое введение РЭ в результате химической модификации ДНК;
2) включение меченных предшественников с использованием ДНК-полимераз
3) для крупных молекул ДНК эффективным является использование никтрансляции.
4) Если ДНКпроба представляет собой относительно короткий фрагмент,
не
превышающий
1,5-2,5
kb,
фланкированный
известными
последовательностями, то наиболее рациональным является ПЦР.
Необходимо учитывать, что даже в тех случаях, когда ДНК-проба
соответствует фрагменту ДНК размером в сотни тысяч или млн. пар
нуклеотидов, для гибридизации iп situ она должна быть подготовлена в
виде молекул ДНК размером от 0,1 до 1 kb. Для более крупных молекул
ДНК-мишень на цитологическом препарате часто оказывается
недоступной, либо доступной лишь частично. В ходе ПЦР происходит не
только включение РЭ в ДНК, но и увеличение ее количества на несколько
порядков. В связи с этим, ПЦР как метод мечения приобретает все
большую популярность. Использование в ПЦР вырожденного или
частично вырожденного праймера позволяет решить сразу три задачи:
ввести в ДНК РЭ, разбить длинную молекулу ДНК на фрагменты
размером 0,2-1,5 kb, наработать необходимое количество ДНК-пробы. К
сожалению, этот подход может быть реализован только для молекул
ДНКдостаточно большого размера.
Основные принципы гибридизации нуклеиновых кислот in situ
Гибридизация ДНК-проб, гомологичных протяженным районам, имеет ряд
особенностей.
В
составе
такой
ДНК-пробы
находятся
последовательности, гомологичные диспергированным повторам. Для
подавления их гибридизации с ДНК цитологического препарата перед
проведением FISH денатурированная ДНК-проба отжигается с 50-100кратным избытком немеченой Cotl ДНК человека (фракuия
высокоповторенной ДНК). В результате отжига основная масса
меченой повторенной ДНК реассоциирует с Cotl ДНК и таким образом
выводится из процесса гибридизации с ДНК хромосом или интерфазных
ядер.
Этот методический прием позволяет использовать ДНК-пробы,
приготовленные на основе хромосомо- и районоспецифичных ДНКклонотек, огромных фрагментов геномной ДНК, клонированных в
дрожжевых (УАС), бактериальных (ВАС) и вирусных (РАС) векторах.
Метод FISH с супрессией гибридизации диспергированных повторов
получил широкое распространение в диагностике хромосомных
патологий и свое собственное название: Chromosomal iп situ suppression
hybridization (СISS-гибридизация).
FISH (флуоресцентная гибридизация iп situ )
Locus specific identifiers probe (LSI)
Локус-специфичные ДНК-зонды
Whole chromosome painting probe (WCP)
Хромосом-спеuифические ДНК-пробы
«цельнохромосомные красители»
Chromosome enumeration probe (CEP)
хромосомные нумераторы
Принцип флуоресцентной микроскопии
окуляр или камера
Запирающий
фильтр
100 watt
ртутная
лампа
Дихроическое
зеркало
Возбуждающий
фильтр
Принцип флуоресцентной микроскопии.
Построение изображения в тройном фильтре.
Принцип флуоресцентной микроскопии
Chromosome enumeration probe (CEP)
• моносомия?
• колокализация?
• трисомия
Уровень ложноположительных сигналов*
моносомия
5%
трисомия
0,2%
* Dewald et al.
(2001) Clinical Lab Medicine, Chapter 32.
Области использования WCP FISH
Предимплантационная
диагностика
методом FISH
Принцип флуоресцентной микроскопии
Локус-специфичные ДНК-зонды
(LSI - locus-specific identifiers)
• Высокая чувствительность зонда
• Возможность проведения анализа
на интерфазных ядрах
• Дополнительный контроль
нормальная клетка
аберрантная клетка
- сложность анализа аберрантного
клона в несбалансированном состоянии
из-за колокализации сигнала
колокализованный
сигнал
Принцип флуоресцентной микроскопии
ff
ff
ff
d
ff
ff
Принцип флуоресцентной микроскопии
Whole chromosome painting probe (WCP)
А.
А. Нормальная клетка
Б.
Б. Аберрантная клетка
Принцип флуоресцентной микроскопии
Использование зондов WCP при анализе маркерных хромосом
(на примере t(10;11)(p12;q23) )
• методы стандартной
цитогенетики (G-бэндинг)
• флюоресцентная in-situ
гибридизация (FISH)
• полимеразная цепная реакция
Возможные варианты образования химерного гена
на примере t(10;11)(p12;q23)
•транслокация
•вставка
•инверсия + вставка
•инверсия + транслокация
•транслокация+ микроинверсия
Принцип флуоресцентной микроскопии
Инвертированная вставка
G- бэндинг
FISH c использованием
локус-специфического
ДНК-зонда на MLL ген
FISH c использованием
ДНК-зондов для окраски
хромосом 10 и 11
Принцип флуоресцентной микроскопии
Механизм возникновения инвертированной вставки
p
p
MLLT10
p
p
MLL-MLLT10
q
q
11q21 вставка q
MLL
(11q23)
Хромосома
10
Хромосома 11
точка разрыва
q
3’ MLL
Хромосомa
10
Хромосома 11
Принцип флуоресцентной микроскопии
Инверсия + транслокация
G- бэндинг
FISH c использованием
локус-специфического ДНК-зонда
на MLL ген
FISH c использованием
ДНК-зондов для окраски
хромосом 10 и 11
Принцип флуоресцентной микроскопии
Механизм осуществления инверсии и транслокации
p
p
MLLT10
p
p
MLL-MLLT10
q
q
транслокация
11q21
q
MLL
(11q23)
Хромосома
10
Хромосома 11
точка разрыва
q
MLLТ10
Хромосомa
10
Хромосома 11
Принцип флуоресцентной микроскопии
Выявление криптической вставки
G- бэндинг 46, XX
FISH c использованием
локус-специфического
ДНК-зонда на MLL ген
ПЦР для выявления MLL-MLLT10
FISH c использованием
ДНК-зондов для окраски
хромосом 10 и 11
Принцип флуоресцентной микроскопии
Механизм реализации криптической вставки
p
p
MLLT10
p
p
MLL-MLLT10
q
q
вставка q
MLL
(11q23)
Хромосома
10
Хромосома 11
точка разрыва
q
3’ MLL
Хромосомa
10
Хромосома 11
Использование многоцветного i-FISH
(на примере окрашивания ткани опухоли)
• 4 зонда
RREB1 (6p25) SpectrumRed
MYB (6q23) SpectrumGold
CEP 6 SpectrumAqua
CCND1 (11q13)
SpectrumGreen
Использование многоцветного i-FISH
(на примере окрашивания ткани опухоли)
Клетки невуса с полным набором сигналов
2 aqua, 2 gold, 2 red, 2 green
Использование многоцветного i-FISH
(на примере окрашивания ткани опухоли)
клетка меланомы
кератиноцит
Принцип флуоресцентной микроскопии
CISH
(Chromogenic in Situ Hybridization)
Hybridization of Texas Red and
FITC labeled FISH probes
Incubation with CISH
antibody mix
Incubation with Red-followed by
Blue Chromogen-substrate solution
Принцип флуоресцентной микроскопии
Multi-colour FISH (M-FISH) and Spectral Karyotyping (SKY)
Принцип флуоресцентной микроскопии
M-FISH
Принцип флуоресцентной микроскопии
Cross-Species Colour Banding (RX-FISH)
Принцип флуоресцентной микроскопии
Принцип флуоресцентной микроскопии