СОМАТИЧЕСКИЙ МОЗАИЦИЗМ ПРИ АТЕРОСКЛЕРОЗЕ: СТРУКТУРНЫЕ ВАРИАЦИИ В ЭКЗОМЕ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1. Этиология и патогенез атеросклероза: современный взгляд 8
1.2. Архитектура генома человека 11
1.2.1. Структурные вариации в геноме человека 12
1.2.2. Клиническое значение структурных вариаций 15
1.3. Атеросклероз и структурные вариации 17
1.4. Нестабильность генома и соматический мозаицизм 21
1.5. Заключение по обзору литературы 23
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 25
2.1. Объем и структура материала 25
2.2. Выделение ДНК из биологического материала 26
2.3. Проведение полноэкзомного секвенирования 28
2.4. Биоинформатическая обработка данных 28
2.5. Аннотационный анализ 30
2.6. Приоритизация генов 31
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 32
3.1. Контроль и оценка качества полноэкзомного секвенирования 32
3.2. Герминативные и соматические CNV у больных каротидным
атеросклерозом: идентификация, характеристика, генные сети 33
3.3. Приоритизация генов герминативных и соматических CNV 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
ВЫВОДЫ 54
Список литературы 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 66
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 67
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 70
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1. Этиология и патогенез атеросклероза: современный взгляд 8
1.2. Архитектура генома человека 11
1.2.1. Структурные вариации в геноме человека 12
1.2.2. Клиническое значение структурных вариаций 15
1.3. Атеросклероз и структурные вариации 17
1.4. Нестабильность генома и соматический мозаицизм 21
1.5. Заключение по обзору литературы 23
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 25
2.1. Объем и структура материала 25
2.2. Выделение ДНК из биологического материала 26
2.3. Проведение полноэкзомного секвенирования 28
2.4. Биоинформатическая обработка данных 28
2.5. Аннотационный анализ 30
2.6. Приоритизация генов 31
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 32
3.1. Контроль и оценка качества полноэкзомного секвенирования 32
3.2. Герминативные и соматические CNV у больных каротидным
атеросклерозом: идентификация, характеристика, генные сети 33
3.3. Приоритизация генов герминативных и соматических CNV 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
ВЫВОДЫ 54
Список литературы 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 66
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 67
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 70
Наиболее распространенными причинами смерти во всем мире являются инсульт и ишемическая болезнь сердца (ИБС). Они составляют более 80% среди всей смертности от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) и до четверти всех причин смерти в мире [26]. Ведущей причиной сосудистых заболеваний является атеросклероз. Установлены многие факторы риска развития атеросклероза, такие как ожирение, курение, повышенное артериальное давление, сахарный диабет и метаболический синдром [37]. Однако молекулярные механизмы развития и генетическая компонента этого патологического процесса мало изучены.
Обеспечение более комплексного понимания патогенетики атеросклероза позволит улучшить диагностику и лечение, в том числе в аспекте персонифицированной медицины. Последние представления о генетических вариантах, влияющих на риск развития атеросклероза, в значительной степени основаны на полногеномных ассоциативных исследованиях (genome-wide association studies, GWAS) с однонуклеотидными полиморфными вариантами (single nucleotide polymorphism, SNP) [4, 39, 44]. Однако помимо SNP структурная вариабельность генома представлена другими малоизученными вариантами, как вариации по числу копий участков ДНК (copy number variation, CNV), инсерции/делеции (indel) и инверсии. Размер данных структурных вариаций может варьировать от нескольких десятков нуклеотидов до нескольких миллионов. Поэтому в них могут содержаться как части генов, так и целые гены, вплоть до нескольких групп генов. Кроме того, такие генетические вариации как CNV открыты относительно недавно [48] и являются многообещающими в отношении изучения генетической компоненты при многих заболеваниях.
Ранние исследования показали связь ряда CNV с атеросклерозом и его факторами риска. В частности, CNV, содержащие ген CYP2E1- член суперсемейства ферментов цитохрома P450, которые играют важную роль в метаболизме жирных кислот - ассоциированы с гипертриглицеридемией [66]. Увеличение копий гена KIV2влияют на размер аполипопротеина A1 и концентрацию липопротеина [32]. Также установлено, что CNV, содержащие такие гены как ERLIN1, UNG, ACACB, PCDH15ассоциированы с атеросклерозом [47]. В атерогенезе значительную роль играет иммуновоспалительный ответ в сосудистой стенке. Поэтому риск развития атеросклероза увеличивается при наличии полиморфизма в генах провоспалительных цитокинов: интерлейкина 6 (IL6)[57] и рецептора к нему (IL6R)[58], фактора некроза опухоли альфа (TNFA) [92].
Геномная нестабильность и связанные с ней структурные вариации возникают из-за ошибок репликации и репарации ДНК, которые постоянно происходят в геноме. Поэтому в одном организме могут сосуществовать генетически различные популяции клеток в той или иной степени. Результатом таких постзиготических изменений в геноме является соматический мозаицизм [88].
Ранее соматический мозаицизм рассматривали как одну из причин онкологических заболеваний [6, 14, 71]. Хорошо известно, что соматические мутации в геноме клетки, затрагивающие онкогены или гены-онкосупрессоры, способствуют онкотрансформации. В настоящее время соматические мутации активно рассматриваются в отношении продолжительности жизни и старения [7, 81], развитии нервно-психических заболеваний, а также ряда ССЗ и его факторов. Например, появление вариаций в генах, которые имеют повышенную экспрессию в головном мозге, могут привести к задержке умственного развития, аутизму [96], шизофрении [72], болезни Паркинсона [33, 77]. Структурные вариации также связаны с риском развития инсульта [14], ишемической болезни сердца [47], аритмий [51], ожирения [27,61] и других факторов риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. При том, что соматический мозаицизм является распространенным феноменом и найден во многих тканях, его связь с атеросклерозом неясна.
Подавляющее большинство мутаций, имеющих клиническую значимость, локализуется в экзонах - это участки генов, которые кодируют часть зрелой РНК, транскрибированной с этого гена после сплайсинга. В процессе жизнедеятельности экзомы клеток одного организма накапливают разный спектр структурных вариаций. Поэтому для изучения изменений, связанных с конкретным заболеванием, необходим анализ структурных вариаций в разных тканях [88]. В целях поиска соматического мозаицизма необходимо сравнительное исследование экзома клеток биоптатов стенок сосудов и лейкоцитов периферической крови.
Таким образом, актуальным является изучение структурной вариабельности экзома отдельных типов тканей, вовлеченных в атеросклеротический процесс в контексте соматического мозаицизма.
Цель исследования. Оценить спектр и частоту структурных вариаций в контексте соматического мозаицизма в экзоме клеток лейкоцитов периферической крови и клеток атеросклеротических бляшек у больных каротидным атеросклерозом.
Задачи исследования:
1. Оценить спектр герминативных и соматических структурных вариаций у
больных с каротидным атеросклерозом методом полноэкзомного секвенирования.
2. Провести сравнительный анализ герминативных и соматических
структурных вариаций с базой данных Database of Genomic Variants.
3. Выполнить аннотационный анализ герминативных и соматических CNV, гены которых потенциально обладают вкладом в развитие атеросклероза.
4. Провести приоритизацию генов в герминативных и соматических CNV, кандидатных в отношении атеросклеротического процесса.
Обеспечение более комплексного понимания патогенетики атеросклероза позволит улучшить диагностику и лечение, в том числе в аспекте персонифицированной медицины. Последние представления о генетических вариантах, влияющих на риск развития атеросклероза, в значительной степени основаны на полногеномных ассоциативных исследованиях (genome-wide association studies, GWAS) с однонуклеотидными полиморфными вариантами (single nucleotide polymorphism, SNP) [4, 39, 44]. Однако помимо SNP структурная вариабельность генома представлена другими малоизученными вариантами, как вариации по числу копий участков ДНК (copy number variation, CNV), инсерции/делеции (indel) и инверсии. Размер данных структурных вариаций может варьировать от нескольких десятков нуклеотидов до нескольких миллионов. Поэтому в них могут содержаться как части генов, так и целые гены, вплоть до нескольких групп генов. Кроме того, такие генетические вариации как CNV открыты относительно недавно [48] и являются многообещающими в отношении изучения генетической компоненты при многих заболеваниях.
Ранние исследования показали связь ряда CNV с атеросклерозом и его факторами риска. В частности, CNV, содержащие ген CYP2E1- член суперсемейства ферментов цитохрома P450, которые играют важную роль в метаболизме жирных кислот - ассоциированы с гипертриглицеридемией [66]. Увеличение копий гена KIV2влияют на размер аполипопротеина A1 и концентрацию липопротеина [32]. Также установлено, что CNV, содержащие такие гены как ERLIN1, UNG, ACACB, PCDH15ассоциированы с атеросклерозом [47]. В атерогенезе значительную роль играет иммуновоспалительный ответ в сосудистой стенке. Поэтому риск развития атеросклероза увеличивается при наличии полиморфизма в генах провоспалительных цитокинов: интерлейкина 6 (IL6)[57] и рецептора к нему (IL6R)[58], фактора некроза опухоли альфа (TNFA) [92].
Геномная нестабильность и связанные с ней структурные вариации возникают из-за ошибок репликации и репарации ДНК, которые постоянно происходят в геноме. Поэтому в одном организме могут сосуществовать генетически различные популяции клеток в той или иной степени. Результатом таких постзиготических изменений в геноме является соматический мозаицизм [88].
Ранее соматический мозаицизм рассматривали как одну из причин онкологических заболеваний [6, 14, 71]. Хорошо известно, что соматические мутации в геноме клетки, затрагивающие онкогены или гены-онкосупрессоры, способствуют онкотрансформации. В настоящее время соматические мутации активно рассматриваются в отношении продолжительности жизни и старения [7, 81], развитии нервно-психических заболеваний, а также ряда ССЗ и его факторов. Например, появление вариаций в генах, которые имеют повышенную экспрессию в головном мозге, могут привести к задержке умственного развития, аутизму [96], шизофрении [72], болезни Паркинсона [33, 77]. Структурные вариации также связаны с риском развития инсульта [14], ишемической болезни сердца [47], аритмий [51], ожирения [27,61] и других факторов риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. При том, что соматический мозаицизм является распространенным феноменом и найден во многих тканях, его связь с атеросклерозом неясна.
Подавляющее большинство мутаций, имеющих клиническую значимость, локализуется в экзонах - это участки генов, которые кодируют часть зрелой РНК, транскрибированной с этого гена после сплайсинга. В процессе жизнедеятельности экзомы клеток одного организма накапливают разный спектр структурных вариаций. Поэтому для изучения изменений, связанных с конкретным заболеванием, необходим анализ структурных вариаций в разных тканях [88]. В целях поиска соматического мозаицизма необходимо сравнительное исследование экзома клеток биоптатов стенок сосудов и лейкоцитов периферической крови.
Таким образом, актуальным является изучение структурной вариабельности экзома отдельных типов тканей, вовлеченных в атеросклеротический процесс в контексте соматического мозаицизма.
Цель исследования. Оценить спектр и частоту структурных вариаций в контексте соматического мозаицизма в экзоме клеток лейкоцитов периферической крови и клеток атеросклеротических бляшек у больных каротидным атеросклерозом.
Задачи исследования:
1. Оценить спектр герминативных и соматических структурных вариаций у
больных с каротидным атеросклерозом методом полноэкзомного секвенирования.
2. Провести сравнительный анализ герминативных и соматических
структурных вариаций с базой данных Database of Genomic Variants.
3. Выполнить аннотационный анализ герминативных и соматических CNV, гены которых потенциально обладают вкладом в развитие атеросклероза.
4. Провести приоритизацию генов в герминативных и соматических CNV, кандидатных в отношении атеросклеротического процесса.
В настоящей дипломной работе проведено исследование по определению спектра структурных вариаций при атеросклерозе. Выявлены 35 герминативных и 56 соматических CNV разных по размеру и локализации. Среди всех выявленных CNV 32% встречаются более чем у одного пациента. Кроме того, в ходе исследования были выявлены 4 новые CNV, не представленные ранее в базе данных по геномным вариациям DGV. Подтверждено, что гены, содержащиеся в найденных CNV, участвуют в биологических процессах, связанных с воспалением и метаболизмом липидов.
В результате отобраны 6 генов (ADGRE3, GBP3, KIR2DL3, SIGLEC5, ACOT1, GSTT1),которые содержались в CNV, обнаруженных в данном исследовании. Приоритизированные гены и их белковые продукты представлены в биологических процессах, вовлечённых в атерогенез или патологии, связанные с поражением органов сердечно-сосудистой системы. Данное исследование позволяет рассматривать их в качестве кандидатов для дальнейшего изучения в отношении влияния на манифестацию атеросклероза и тяжести его течения.
Перспективным является исследование полученных результатов для каждого из гена с использованием расширенных выборок образцов и альтернативных методов анализа (множественной лигазно-зависимой амплификации зондов, ПЦР в режиме реального времени или цифровая ПЦР). Валидационное исследование позволит убедиться, что данные CNV являются потенциальными маркёрами или звеньями атерогенеза.
В результате отобраны 6 генов (ADGRE3, GBP3, KIR2DL3, SIGLEC5, ACOT1, GSTT1),которые содержались в CNV, обнаруженных в данном исследовании. Приоритизированные гены и их белковые продукты представлены в биологических процессах, вовлечённых в атерогенез или патологии, связанные с поражением органов сердечно-сосудистой системы. Данное исследование позволяет рассматривать их в качестве кандидатов для дальнейшего изучения в отношении влияния на манифестацию атеросклероза и тяжести его течения.
Перспективным является исследование полученных результатов для каждого из гена с использованием расширенных выборок образцов и альтернативных методов анализа (множественной лигазно-зависимой амплификации зондов, ПЦР в режиме реального времени или цифровая ПЦР). Валидационное исследование позволит убедиться, что данные CNV являются потенциальными маркёрами или звеньями атерогенеза.



