Теоретический обзор
Полиморфизм генов
Геномы различных организмов в рамках одного биологического вида идентичны с точки зрения общего набора генов и их внутренней структуры. В то же время существует значительное число межиндивидуальных различий, связанных с теми или иными вариациями нуклеотидной последовательности ДНК. Таким образом, любой ген (в более широком смысле — любой генетический локус) может существовать в виде различных альтернативных вариантов — аллелей. Количество аллелей одного гена может составлять от двух до нескольких десятков. Аллели имеют идентичную локализацию в гомологичных хромосомах. Обычно белки, кодируемые разными аллелями одного гена, обладают одинаковыми функциональными свойствами, то есть замена аминокислоты нейтральна или почти нейтральна с точки зрения естественного отбора. О наличии тех или иных аллелей часто судят на основании анализа аминокислотной последовательности соответствующих белков. Большинство генов в каждом организме представлено двумя аллелями, один из которых унаследован от отца, а другой — от матери. Если оба аллеля идентичны, то организм считается гомозиготным, если разные — гетерозиготным. В ходе эволюции разные аллели произошли в результате мутаций от единого аллеля-предшественника. Таким образом, гены, которые представлены в популяции несколькими разновидностями (аллелями), называют полиморфными. Существование генетического полиморфизма обусловливает разнообразие признаков внутри вида и является обязательным условием разнообразия живой природы. Изучение полиморфизмов ДНК широко используется для исследования популяционного разнообразия, поиска причин возникновения генетических заболеваний, выявления генетических ассоциаций, оценки чувствительности пациента к лекарственному средству, генетической идентификации личности.
Причины возникновения полиморфизмов
Любое изменение структуры ДНК, возникающее спонтанно либо индуцированное путём целенаправленного воздействия физическими или химическими факторами, называется мутацией. Мутации ведут к возникновению новых аллелей соответствующих генов и лежат в основе генетической изменчивости в живой природе. Во многих случаях мутация не имеет каких-либо заметных фенотипических последствий, например при её локализации в функционально незначимых областях молекулы ДНК. Другим примером «молчащей мутации» является замена нуклеотида, при которой новый кодон имеет прежний информационный смысл, то есть кодирует ту же самую аминокислоту и поэтому не меняет структуру белка (см. Общая генетика, глава 5). Такие нейтральные мутации рассматриваются как нормальные полиморфизмы, они не элиминируются отбором и могут иметь достаточно высокую частоту в популяции. В отличие от нейтральных мутаций (полиморфизмов), патологические мутации приводят к нарушению механизмов транскрипции, трансляции либо к синтезу аномального белкового продукта. В литературе общий термин «мутация» нередко используется применительно именно к тем случаям нарушений структуры гена, которые имеют несомненное патогенетическое значение.
Типы полиморфизмов
Полиморфизмы нуклеотидных последовательностей обнаружены во всех структурных элементах генома: экзонах, интронах, регуляторных участках и т.д. Тем не менее вариации, затрагивающие кодирующие фрагменты генов и отражающиеся на аминокислотной последовательности их продуктов, встречаются относительно редко. Полиморфизм ДНК ещё более выражен в некодирующих областях генома, что может приводить к изменению в уровне транскрипции матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) гена. Если один и тот же ген у разных людей отличается только на один нуклеотид, то в этом случае говорят об однонуклеотидном полиморфизме, или SNP (англ. Single Nucleotidе Polymorphism). Однонуклеотидный полиморфизм является самым распространённым. Так, в геноме человека в среднем он встречается один на 300 нуклеотидов. Столь высокая плотность позволяет эффективно использовать однонуклеотидный полиморфизм в качестве генетического маркёра. Помимо замены отдельных нуклеотидов, в основе полиморфизма ДНК лежат вставки, делеции и изменение числа микросателлитных (1‒6 п.н. STR — Short Tandem Repeats) и минисателлитных (7‒190 п.н. VNTR — Variable Number Tandem Repeats) тандемных повторов. Приблизительное число уникальных полиморфизмов составляет 50 млн. Другим распространённым видом генетического полиморфизма является вариация числа копий (Copy Number Variation, CNV). В этом случае в популяции наблюдаются вариации числа копий протяжённых участков ДНК, которые могут нести в себе функциональные гены. Происходит это за счёт несбалансированных хромосомных перестроек, таких как делеции и дупликации. Около 100 полиморфизмов возникают de novo в каждом поколении. В геномах разных людей различается одна из 100‒200 п.н. Ген считается полиморфным, если его самый распространённый аллель встречается менее чем у 99% людей, или наиболее общий аллель полиморфного гена должен иметь частоту не более 1%.
Генетический полиморфизм и фенотип
Фенотипическое выражение десятков миллионов полиморфных участков ДНК в человеческой популяции проявляется в колоссальном генетическом разнообразии популяции. Широко известное использование полиморфизма в криминалистике представляет собой мощный и надёжный инструмент для установления тождества личности. В фундаментальной и практической медицине свойство полиморфизма применяют в качестве генетического маркёра для поиска генов, ответственных за возникновение генетических заболеваний. Для функционального исследования генетического полиморфизма в 2008 г. был запущен проект под названием «1000 геномов», который поставил целью описать всё генетическое разнообразие человеческой популяции. В результате секвенирования около 1100 геномов людей, относящихся к 14 популяциям (в Европе, Африке, Восточной Азии, Северной и Южной Америках), было картировано 38 млн однонуклеотидных полиморфизмов, 1,4 млн инсерций/делеций и свыше 14 тыс. крупных делеций. Полученные данные сегодня активно используются мировым научным сообществом для исследования генетики сложных заболеваний, таких как онкологические, нейродегенеративные, сердечно-сосудистые и многие другие.