Геном человека включает в себя более 6 миллиардов пар оснований, но одним из открытий современной геномики является то, что даже самое незначительное изменение в последовательности – разница в один нуклеотид – может иметь серьезные последствия. Эти небольшие изменения могут лежать в основе целого ряда заболеваний, в том числе рака, или быть причиной резистентности к антибиотикам возбудителей инфекций. Всего от одной мутации зависит, удастся ли остановить развитие заболевания или патологический процесс захватит весь организм.

Ученые Вашингтонского университета (University of Washington, UW) представили на этой неделе новый метод обнаружения мельчайших изменений, известных как одиночные нуклеотидные (или однонуклеотидные) полиморфизмы (ОНП, single nucleotide polymorphisms, SNP), в конкретном фрагменте ДНК, который может помочь в диагностике и лечении таких заболеваний, как рак и туберкулез.

«Мы действительно усовершенствовали более ранние подходы, так как наше решение не требует каких-либо сложных реакций или добавления ферментов – в нем используется только ДНК», – говорит руководитель проекта Георг Зеелиг (Georg Seelig), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и кафедры инженерии UW. «Это означает, что метод остается надежным при изменениях температуры и других параметров окружающей среды, что делает его пригодным для использования в диагностических целях в условиях ограниченности ресурсов».

ДНК – тип нуклеиновой кислоты, биологическая молекула, которая делает генетически уникальным каждое живое существо. В двойной цепочке ДНК, известной как двойная спираль, закодирована наша генетическая информация. Изменения в пределах всего одной пары оснований – замены, вставки или делеции – достаточно, чтобы вызвать значительные биологические последствия. Этими мутациями объясняется развитие определенных заболеваний и резистентность многих штаммов патогенных микроорганизмов даже к самым совершенным антибиотикам последних поколений.

ОНП – наиболее часто встречающиеся в геноме человека генетические вариации. Но они присутствуют и в геноме других видов, в том числе, одноклеточных организмов. Например, ОНП в нужном месте может позволить бактерии, вызывающей туберкулез, развить устойчивость к антибиотикам, в частности, к рифампицину – одному из наиболее часто назначаемых противотуберкулезных препаратов. Несмотря на небольшое различие на молекулярном уровне, разница в один нуклеотид имеет серьезные последствия для больных туберкулезом.

«Лекарственно-устойчивый туберкулез – огромная глобальная проблема, и она приобретает все большее значение», – говорит доктор Зеелиг. «Одной из причин, почему для тестирования нашего метода поиска ОНП мы выбрали туберкулез, является то, что такие тесты жизненно важны для борьбы с этой болезнью».

Теперь у ученых есть возможность установить присутствие мутации в том или ином гене до начала лечения.

Доктор Зеелиг, вместе с Дэвидом Чжаном (David Zhang), PhD, из Университета Райса (Rice University) и Шерри Чэнь (Sherry Chen), докторантом в области электротехники в UW, разработали зонды, которые могут обнаружить мутации в отдельной паре оснований представляющего интерес фрагмента ДНК. Эти зонды позволяют исследователям найти изменения в длинных последовательностях – до 200 пар оснований, – в то время как сегодняшними методами можно обнаружить мутации в участках длиной всего до 20 пар нуклеотидов.

«В ходе этих тестов мы читали ДНК-последовательности длиной в 198 пар оснований, потому что такова длина области, которую мы должны были просканировать для обнаружения полиморфизмов, связанных с устойчивостью к рифампицину», – объясняет доктор Зеелиг. «При необходимости мы могли бы разработать и более длинный зонд. Никаких внутренних ограничений по длине зонда нет. Ограничителем, скорее, является время реакции, но не длина считываемой последовательности».

Проблемой в выявлении ОНП является и селективность тестов. Чем более селективен тест, тем больше вероятность того, чтобы будут обнаружены редко встречающиеся ОНП. Например, больной туберкулезом может быть одновременно заражен и лекарственно-устойчивым, и чувствительным к препарату штаммами.

«Возможно, устойчивым к рифампицину является только 1 процент возбудителей туберкулеза в организме больного», – говорит доктор Чжан. «Если лечить такого пациента рифампицином, будут убиты 99 процентов возбудителя, и его устойчивая к препарату разновидность получит шанс на выживание».

В приведенном выше примере тест на ОНП должен иметь селективность 100 к 1. Некоторые современные методы могут подойти к такому уровню селективности, но только при подготовке образцов при точном соблюдении температуры, рН и других условий.

«Наша селективность в этом исследовании составляет около 12000 к 1, и нам не требуется никаких специальных условий», – продолжает тему доктор Чжан.

Зонд и комплексы-мишени на различных стадиях реакции, определяющей наличие мутаций. Красные точки представляют мутации в паре оснований-мишеней.
Флуоресцентное зеленое свечение индикатора означает, что мутация не обнаружена. (Фото: Yan Liang, L2XY2.com)

Селективность этого метода объясняется использованием двухцепочечных зондов, создание которых было нелегким делом: к каждому концу двухцепочечного зонда ученым пришлось добавить одноцепочечные «плацдармы», улучшающие кинетику реакции и ускоряющие процесс связывания настолько, чтобы сделать тест практичным.

Принцип действия новых зондов основан на связывании с последовательностью ДНК, в которой, как подозревается, присутствуют мутации. Создав последовательность ДНК комплементарную вызывающей сомнения двойной спирали, ученые смешивают молекулы, содержащие обе последовательности, в пробирке с соленой водой, где они будут точно соответствовать друг другу, если в парах оснований последовательности-мишени не произошло никаких изменений. В отличие от предыдущих технологий, молекулы-зонды проверяют на мутации не одну, а обе нити двойной спирали, чем и объясняется повышенная селективность теста.

При полном соответствии молекулы-зонда последовательности, подозреваемой в наличии мутации, появляется флуоресцентное свечение. Отсутствие свечения говорит о том, что в цепочке-мишени действительно присутствует мутация.

Исследователи оформляют патент на свою технологию и работают с Центром коммерциализации UW. Кроме того, они рассчитывают разработать на ее основе бумажный диагностический тест, который можно будет использовать в странах с ограниченными медицинскими ресурсами.

Желающих ознакомиться с новым методом более подробно отсылаем к статье Conditionally fluorescent molecular probes for detecting single base changes in double-stranded DNA, опубликованной в журнале Nature Chemistry.