Анеуплоидия что это такое простыми словами
Анеуплоидия что это такое простыми словами
Набор хромосом с любым их количеством, кроме 46, называется гетероплоидным. Количество хромосом, кратное гаплоидному (b), — эуплоидное, любое другое число хромосом — анеуплоидное.
Триплоидия и тетраплоидия
Кроме диплоидного (2n) набора хромосом, характерного для нормальных соматических клеток, встречаются два других эуплоидных хромосомных набора, триплоидный (3n) и тетраплоидный (4n), изредка наблюдаемые в клиническом материале. Как триплоидия, так и тетраплоидия обнаружены у плодов; и хотя триплоидные младенцы могут родиться живыми, долго они не живут. Триплоидия встречается в 1-3% всех зачатий; большинство среди тех, которые донашиваются до конца I триместра, вызвано оплодотворением двумя сперматозоидами (диспермией).
Часть случаев также может быть вызвана нарушением одного из мейотических делений, приводящим к образованию диплоидной яйцеклетки или сперматозоида. Фенотипическая манифестация триплоидного кариотипа зависит от источника дополнительного набора хромосом; триплоиды с дополнительным набором отцовских хромосом обычно имеют аномальную плаценту и классифицируются как частично гидатиформные беременности (пузырный занос), с дополнительным набором материнских хромосом — спонтанно прерываются на более ранних сроках беременности. Тетраплоиды — всегда 92,ХХХХ или 92,XXYY; отсутствие половых конституций XXXY или XYYY подсказывает, что тетраплоидия происходит вследствие неправильного завершения первых делений зиготы.
Анеуплоидия
Анеуплоидии — наиболее частый клинически значимый тип хромосомных нарушений у человека, наблюдаемый, по крайней мере, в 5% клинически распознанных беременностей. Большинство анеуплоидных пациентов имеют или трисомии (три хромосомы вместо двух в норме), или, реже, моносомии (только одна конкретная хромосома). Как моносомии, так и трисомии бывают с серьезными фенотипическими последствиями.
Трисомия может захватывать любую часть генома, но трисомия целой хромосомы редко совместима с жизнью. Наиболее частый тип трисомии у живорожденных младенцев — трисомия 21 (кариотип 47.ХХ или XY.+21), хромосомная конституция, наблюдаемая у 95% пациентов с синдромом Дауна. Другие трисомии, встречающиеся у живорожденных детей, — трисомия 18 и трисомия 13. Примечательно, что все эти три (13, 18 и 21) аутосомы — с самым низким числом генов; возможно, трисомии аутосом с большим числом генов в большинстве случаев детальны.
Моносомия по целой хромосоме почти всегда летальна; важное исключение — моносомия хромосомы X, наблюдаемая при синдроме Тернера.
Хотя причины анеуплоидий до конца не понятны, известно, что наиболее частый механизм их образования — нерасхождение хромосом в мейозе. Это связано с неспособностью пары хромосом правильно разойтись в дочерние клетки в одном из делений мейоза, обычно в первом. Последствия нерасхождения в ходе первого и второго делений различны. Если ошибка происходит в течение первого деления мейоза, гамета с 24 хромосомами содержит в паре как отцовскую, так и материнскую хромосому.
Если же она происходит в ходе второго деления, гамета с дополнительной хромосомой содержит две одинаковые копии или отцовской, или материнской хромосомы. (Строго говоря, упомянутые утверждения относятся только к отцовской или материнской центромере, так как обычно в предыдущем делении мейоза между гомологичными хромосомами происходит рекомбинация, приводя к генетическим различиям между хроматидами и, таким образом, между соответствующими дочерними хромосомами).
Склонность хромосомной пары к нерасхождению сильно связана с отклонениями в частоте или положении рекомбинаций в первом делении мейоза. Хромосомная пара с малым числом рекомбинаций (или с их отсутствием), а также с рекомбинациями, расположенными слишком близко к центромере или теломере, более подвержена нерасхождению, чем хромосомная пара с типичным числом и распределением событий рекомбинации.
Дополнительно к классическому нерасхождению, когда неправильное разделение хромосом — результат нарушенного спаривания или рекомбинации, существует другой механизм, лежащий в основе анеуплоидий, — преждевременное разделение сестринских хроматид в мейозе I вместо мейоза II. Если это случается, разделенные хроматиды могут случайным образом расходиться в овоцит и полярное тельце, что также ведет к образованию несбалансированной гаметы.
Описаны также более сложные формы множественной анеуплоидий. Гаметы редко несут более одной дополнительной хромосомы. Однако если нерасхождение происходит сразу в двух делениях мейоза или одновременно как в мужских, так и в женских гаметах, это приводит к появлению чрезвычайно редко встречающихся зигот (за исключением половых хромосом) с необычным количеством хромосом. Нерасхождение также может происходить в митотическом делении уже после образования зиготы. Если подобное происходит в первых делениях зиготы, появляется клинически значимый мозаицизм.
В некоторых линиях злокачественных клеток и клеточных культурах митотическое нерасхождение может приводить к значительным аномалиям в кариотипе.
Большой вклад в диагностику анеуплоидий, особенно пренатальных, внесло использование многоцветной FISH в интерфазных клетках. Метод обеспечивает быструю диагностику без необходимости культивирования клеток. В настоящее время многие лаборатории пренатальной цитогенетики выполняют интерфазный анализ для выявления анеуплоидий хромосом 13, 18, 21, X и Y, т.е. тех пяти хромосом, которые участвуют в большинстве анеуплоидий у новорожденных.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Анеуплоидии
Наша команда профессионалов ответит на ваши вопросы
Кроме того, у человека может наблюдаться увеличение полного набора хромосом (полиплоидия), в частности триплоидия и тетраплоидия. Однако полиплоидии, как правило, не совместимы с жизнью и встречаются у абортусов и мертворожденных.
«Золотым стандартом» выявления хромосомных нарушений во всем мире долгое время являлся и продолжает оставаться метод кариотипирования с дифференциальной окраской хромосом. Этот метод позволяет анализировать кариотип в целом и определять крупные (не менее 5-10 млн пар нуклеотидов) хромосомные перестройки. Однако у него существует ряд ограничений, таких как трудоемкость, длительность (1-2 недели), высокие требования к квалификации и опыту специалиста, проводящего исследование, а также, в ряде случаев, технические проблемы (недостаточное количество и качество исследуемого материала, отсутствие митозов или роста культуры).
В последнее время в практике многих зарубежных (и некоторых российских) лабораторий для диагностики наиболее частых трисомий (синдром Дауна, Эдвардса, Патау), синдромов, связанных с нарушением числа половых хромосом (Шерешевского-Тернера, Кляйнфельтера), а также полиплоидий применяется метод количественной флуоресцентной полимеразной цепной реакции (КФ-ПЦР). В основе данного метода лежит мультиплексная ПЦР с использованием флуоресцентно-меченых праймеров, ограничивающих полиморфные короткие тандемные повторы (STR-локусы). На каждой исследуемой хромосоме выбрано пять STR-локусов (маркеров), что позволяет с высокой точностью выявлять изменение числа этих хромосом. Для любого маркера в норме может наблюдаться два случая. Если число тандемных повторов на двух гомологичных хромосомах различается, на электрофореграмме наблюдаются два пика одинаковой высоты – маркер информативен (Рис. 1, случай А). Если же число повторов на двух хромосомах одинаковое, наблюдается один пик – маркер не информативен (Рис. 1, случай Б). При трисомии возможны три случая. Если число тандемных повторов на трех гомологичных хромосомах различается, на электрофореграмме наблюдаются три пика одинаковой высоты – маркер информативен (Рис. 2, случай А). Если число повторов на двух хромосомах одинаковое, а на третьей отличается, наблюдается два пика, высота которых различается в два раза – маркер информативен (Рис. 2, случай Б). Если же число повторов на трех хромосомах одинаковое, наблюдается один пик – маркер не информативен (Рис. 2, случай В). Достоверность КФ-ПЦР сравнима с достоверностью стандартного кариотипирования (99,7-99,9%), при этом КФ-ПЦР позволяет обойти ограничения данного метода, связанные с количеством и качеством исследуемого материала, является более дешевым, быстрым (при необходимости анализ можно провести в течение 24 часов) и обладает значительно большей пропускной способностью (десятки образцов в день). Кроме того, КФ-ПЦР позволяет выявлять частичные трисомии (дупликации небольших участков хромосом, а не целой хромосомы), не выявляемые с помощью стандартного кариотипирования. Однако метод КФ-ПЦР имеет и ограничения: в мозаичных случаях он позволяет выявлять только высокоуровневый мозаицизм (от 20%), кроме того, он не может исключить наличие более редких хромосомных нарушений, которые могут быть связаны с пороками развития плода.
Для любого маркера в норме может наблюдаться два случая. Если число тандемных повторов на двух гомологичных хромосомах различается, на электрофореграмме наблюдаются два пика приблизительно одинаковой высоты – маркер информативен (Рис. 1, случай А). Если же число повторов на двух хромосомах одинаковое, наблюдается один пик – маркер не информативен (Рис. 1, случай Б). При трисомии возможны три случая. Если число тандемных повторов на трех гомологичных хромосомах различается, на электрофореграмме наблюдаются три пика приблизительно равной высоты – маркер информативен (Рис. 2, случай А). Если число повторов на двух хромосомах одинаковое, а на третьей отличается, наблюдается два пика, высота которых различается в два раза, так называемый эффект дозы, – маркер информативен (Рис. 2, случай Б). Если же число повторов на всех трех гомологичных хромосомах одинаковое, наблюдается один пик – маркер не информативен (Рис. 2, случай В). На Рисунке 3 приведен пример результатов диагностики синдрома Дауна методом КФ-ПЦР.
Достоверность КФ-ПЦР сравнима с достоверностью стандартного кариотипирования (99,7-99,9%), при этом КФ-ПЦР позволяет обойти ограничения данного метода, связанные с количеством и качеством исследуемого материала, является более дешевым, быстрым (при необходимости анализ можно провести в течение 24 часов) и обладает значительно большей пропускной способностью (десятки образцов в день). Кроме того, КФ-ПЦР позволяет выявлять частичные трисомии (дупликации небольших участков хромосом, а не целой хромосомы), не выявляемые с помощью стандартного кариотипирования. Однако метод КФ-ПЦР имеет и ограничения: в мозаичных случаях он позволяет выявлять только высокоуровневый мозаицизм (от 20%), кроме того, он не может исключить наличие более редких хромосомных нарушений, которые могут быть связаны с пороками развития плода.
Хромосомная анеуплоидия эмбрионов, полученных в циклах ЭКО без стимуляции
W. Verpoest, B.C. Fauser, E. Papanikolaou, C. Staessen, L. Van Landuyt, P. Donoso, H. Tournaye,I. Liebaers и P. Devroey
ПГС все чаще проводится в программах экстракорпорального оплодотворения с целью выявления численных хромосомных аномалий (анеуплоидии) эмбрионов, что направлено на повышение эффективности репродуктивного лечения. В настоящей работе описывается распространенность анеуплоидии среди эмбрионов, полученных в результате нестимулированных циклов ЭКО и ПГС, и беременности, закончившиеся рождением двух живых детей.
В естественном, нестимулированном менструальном цикле у всех пациенток проводилось трансвагинальное ультразвуковое исследование и гормональный анализ сыворотки с определением концентрации ФСГ, лютеинизирующего гормона, эстрадиола и прогестерона. В случае снижения концентрации эстрадиола и одновременного подъема уровня прогестерона овуляцию считали ложной и от забора ооцита отказывались. С целью снижения риска отсутствия оплодотворения во всех циклах использовали ИКСИ.
Оплодотворение оценивали через 18 часов, далее развитие эмбриона оценивали на 2 и 3-й день перед биопсией. Биопсию эмбриона проводили на 6-клеточной или более стадии развития. Проводили анализ хромосом X, Y, 13, 18 и 21 на первом этапе и хромосом 16 и 22 – на втором этапе.
Перенос эмбриона проводили на стадии бластоцисты на 5-й день после забора ооцита. Поддержка лютеиновой фазы не проводилась.
Средний возраст пациенток составил 31,4 года. Показаниями для лечения бесплодия в исследуемой группе служили необъяснимое бесплодие у 12 пациенток, олигоастенотератозооспермия у 17 пациенток и блокада маточных труб у одной пациентки.
Результаты данного исследования, в первую очередь, демонстрируют тот факт, что отсутствие экзогенной стимуляции яичников не исключает возникновения многочисленных хромосомных аномалий эмбрионов. Во многих исследованиях с использованием ооцитов, как животных, так и человека, было подтверждено увеличение частоты анеуплоидии после индукции овуляции. В исследованиях последних лет было показано, что в ооцитах после индукции овуляции имеет место повышенная частота нарушений геномного импринтинга. Возможно, это обусловлено не только исходными материнскими факторами, такими как возраст, но и внешними факторами, в частности, субоптимальными или аномальными биохимическими характеристиками фолликулярной жидкости и развитием цитоплазмы. Кроме того, частота анеуплоидии в ооцитах человека, как известно, существенно выше, чем в ооцитах различных видов животных, что, насколько можно полагать, связано со стимуляцией яичников, поскольку это единственная группа, в которой определялась анеуплоидия ооцитов. Другие факторы, такие как качество спермы и условия культивирования эмбрионов, также могут оказывать влияние на хромосомные характеристики эмбриона, давая толчок таким аномалиям, как мозаицизм. Эти аномалии невозможно исключить, пропуская этап стимуляции яичников.
Во-вторых, исследование подтвердило, что анеуплоидия присутствует в единичных бластомерах эмбрионов молодых женщин в возрасте до 36 лет. Хотя известно, что частота анеуплоидии в возрасте старше 36 лет увеличивается, немногое известно о частоте анеуплоидии у молодых женщин, поскольку ПГС в этой группе обычно не проводится.
Признавая ограничения этого исследования в отношении размера выборки, важно также понимать, что ПГС, будучи единственным доступным средством для оценки хромосомной состоятельности эмбриона, не может считаться оптимальным методом оценки влияния стимуляции яичников на статус хромосом ооцитов. ПГС позволяет оценить всего один или два бластомера эмбриона, который состоит как минимум из шести бластомеров, что является потенциальным источником ошибок, включая диагностику мозаицизма.
Данные настоящего исследования показывают, что исключение стимуляции яичников у молодых женщин не исключает возникновения численных хромосомных аномалий.
Неинвазивная диагностика анеуплоидий у плода: от идеи к продукту
Неинвазивная диагностика анеуплоидий у плода: от идеи к продукту
Яблоня без яблок бесполезна. Без ствола и ветвей яблоня будет без яблок, то есть бесполезна. Яблоня без корней нежизнеспособна.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Генетические заболевания в разной степени ухудшают качество и продолжительность жизни человека. Иногда их можно и не заметить, если повезет не встретиться с триггером, запускающим каскад поломок в организме. А какие-то генетические нарушения неизбежно приводят к боли, страданиям и смерти. Некоторые из них протекают настолько тяжело, что считаются медицинскими показаниями к искусственному прерыванию беременности. Такие состояния можно детектировать неинвазивно на ранних сроках, что создает основу для этически очень непростого, но осознанного решения родителей о прекращении или продолжении беременности. Число подобных анализов с каждым годом растет, на высококонкурентном рынке соревнуются несколько компаний. В этой заметке рассмотрим способ, применяемый фирмой Natera. При этом важно понимать, что высокотехнологичный коммерческий продукт вырастает из результатов фундаментальных исследований, которые на первый взгляд практической пользы не несут, а лишь удовлетворяют любопытство увлеченных людей.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Академия & Бизнес» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
У всех увлеченных людей есть потребность в удовлетворении своего любопытства. Некоторым из нас везет — это можно делать в рабочее время за счёт денег налогоплательщиков или потребителей. На первый взгляд такой процесс с непредсказуемым результатом может показаться неэффективным расходом ресурсов. Но это не так. Технологические прорывы возникают только тогда, когда кто-то рискует, дает волю своей фантазии и начинает использовать ресурсы неожиданным образом. При этом если результат Его Величества Эксперимента известен заранее, то это уже не эксперимент, а копирование чужой идеи. Замечу, что творческую деятельность сложно выполнять по приказу. «Иванов, до 31 числа жду от тебя пять озарений», — звучит смешно, но реально. Бóльшая часть научных открытий никакой прямой пользу обществу не несет. Фундаментальная наука создает основу для прикладной; конечный результат — статья в рецензируемом научном журнале, то есть идея с зафиксированным приоритетом. Прикладная же наука скорее использует эти статьи в попытке найти им применение; конечный результат — патент, то есть защищенный от копирования вариант использования идеи. Патенты могут быть востребованы бизнесом для создания коммерчески доступных продуктов, которые удовлетворяют нужды потребителей и приумножают вложенный капитал. Получается пирамида «ворох идей → горсть применений → щепотка продуктов». Не идеально, но ничего эффективнее нет — только так идеи становятся коммерчески доступными продуктами [1]. В этой заметке рассмотрим один из успешных примеров, (слегка) изменивших мир.
А в чем проблема?
В 2004 году моя сестра родила сына с синдромом Дауна. Ребенка не стало через шесть дней после рождения. Это был опустошающий опыт для всей нашей семьи. Я основал компанию Natera, потому что верю, что все семьи заслуживают доступа к технологиям, которые предлагают раннее обнаружение генетических заболеваний.
Качество и продолжительность жизни зависит от генетических особенностей индивидуума и давления внешней среды. Некоторые генетические нарушения могут настолько сильно ухудшить физическое, душевное и социальное благополучие человека, что считаются медицинскими показаниями к искусственному прерыванию беременности.
В ядре человеческой клетки в норме 23 пары хромосом. Одну хромосому из каждой такой пары мы получаем от папы, а вторую — от мамы. А потом передаем своим детям 23 хромосомы, скомпонованные из отцовских и материнских хромосом. А второй родитель добавляет другой перемешанный вариант 23 хромосом. В результате встречи двух гамет (сперматозоида и яйцеклетки) может образоваться эмбрион с 23 парами хромосом. Но иногда что-то идет не так, и у нового организма общее число хромосом отличается от 46-и. Такое нарушение называют анеуплоидией (строго говоря, это «некратное увеличение набора хромосом»). В самых тяжелых случаях эмбрион в принципе не будет развиваться, имплантации не произойдет — и женщина даже не заметит признаков не начавшейся беременности [2]. Иногда беременность наступит, но преждевременно прервется — произойдет выкидыш [3]. А при некоторых анеуплоидиях (например, синдроме Дауна) эмбрион разовьется, и беременность может завершиться родами. Часть родителей отказывается от детей с особенностями развития, часть посвящает себя уходу за ребенком. Современные методы позволяют диагностировать анеуплоидии на ранних стадиях развития плода, что, повторюсь, является медицинским показанием к искусственному прерыванию беременности. Результат такого анализа может стать основой для этически очень непростого, но осознанного решения родителей о прекращении или продолжении беременности. Отмечу, что синдром Дауна — далеко не единственный результат анеуплоидий. Также, например, возможно развитие синдромов Эдвардса, Патау и других генетических отклонений от условной нормы.
Как диагностировать анеуплоидии?
Достоверно диагностировать анеуплоидию можно только определив число хромосом в геноме плода. Но как безопасно получить биоматериал? Человеческий эмбрион развивается в амниотической полости. Этот мешок окружен плодными оболочками, внутренняя часть которых называется амнионом. Кстати говоря, в русском языке есть выражение «в рубашке родился». Такой «рубашкой» (рис. 1) называют неразорвавшиеся во время родов плодные оболочки. Эмбрион плавает в околоплодных водах (амниотической жидкости), в которой есть отмершие клетки плода. В результате анализа генома этих клеток можно посчитать число хромосом нового организма.
Рисунок 1. «В рубашке родился»!
Амниотическую жидкость для анализа получают в результате амниоцентеза. Такая инвазивная процедура заключается в проколе амниотической оболочки и заборе околоплодных вод для анализа. Надо отметить, что амниоцентез может провоцировать выкидыши. Вероятность такого неблагополучного исхода беременности составляет примерно 30 случаев на 10 000 процедур [4]. Существуют и другие способы инвазивной пренатальной диагностики с сопоставимыми рисками. При этом в среднем из 10 000 новорожденных 13 появляются на свет с синдромом Дауна [5]. Это значит, что, грубо говоря, инвазивная диагностика скорее приведет к выкидышу, чем выявит анеуплоидии плода.
Как неинвазивно диагностировать анеуплоидии?
В 1969 году в крови беременной женщины обнаружили клетки, содержащие Y-хромосомы [6]. В результате родов на свет появился мальчик. Таким образом, стало понятно, что клетки плода могут находиться в крови беременной женщины. Тем не менее таких клеток мало, что затрудняет разработку рутинных диагностических тестов [7]. Затем в 1997 году фетальную (от лат. fetus — плод) ДНК обнаружили в плазме крови беременных женщин [8]. Отмечу, что плазма — это жидкая бесклеточная фракция крови, в которой взвешены форменные элементы, то есть клетки крови. Таким образом, в результате такой малоинвазивной процедуры, как забор крови беременной женщины, можно исследовать ДНК плода. Тем не менее существующий на начало 2000-х годов уровень развития технологий не предполагал рутинного решения для диагностики анеуплоидий [9].
А причем тут высокопроизводительное секвенирование?
Иногда в результате творчества научных сотрудников и преобразования возникших идей в коммерчески доступный продукт мир меняется. В 2005 году произошла революция. Компания 454 Life Sciences стала продавать первый прибор для высокопроизводительного секвенирования [10]. Этот подход был основан на идее, опубликованной в 1998 году [11]. Затем в конкурентной борьбе технология-пионер проиграла другим методам [12]. Сейчас чаще всего используют секвенаторы производства компаний Illumina и Thermo Fisher Scientific [13]. Эти технологии не идеальны — исходные нуклеиновые кислоты служат матрицей для создания новых фрагментов ДНК. То есть на подготовительном этапе возможны искажения, вклад которых сложно оценить. Иначе говоря, происходит косвенное секвенирование — идентифицируют не исходные последовательности, а производные от исходных. Недавно появились способы прямого секвенирования нуклеиновых кислот — технологии компаний Oxford Nanopore [14] и Pacific Biosciences [13] позволяют секвенировать нуклеиновые кислоты без посредников.
Но всё это не важно. Мир поменялся — стало возможным одновременно секвенировать много нуклеотидных последовательностей, что на несколько порядков удешевило ряд исследований. Например, секвенирование генома человека при помощи метода, описанного в конце 1970-х годов [15], стоило несколько миллиардов долларов в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Сейчас же получение аналогичных данных обойдется в несколько сотен долларов. Неинвазивная диагностика анеуплоидий, по сути, стала возможной благодаря этой технологической революции.
Исследование фетальной ДНК из свободной от клеток фракции крови, то есть плазмы, стало доступным за счет появления методов высокопроизводительного секвенирования. Существуют разные способы выполнения такого анализа. Запатентованный компанией Natera метод вошел в широкую клиническую практику [16]. Для исследования внеклеточную ДНК выделяют из плазмы крови беременной женщины. Затем некоторые фрагменты этой ДНК амплифицируют и секвенируют. Параллельно то же самое делают с геномной ДНК мамы и папы. В результате получают массивы данных высокопроизводительного секвенирования, в которых зашифрована информация о десятках тысяч однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП). Эти большие данные обрабатывают при помощи соответствующего алгоритма [17].
Что такое однонуклеотидный полиморфизм?
В норме нуклеотидные последовательности одного человеческого организма продублированы. Мы получаем 23 хромосомы от мамы и 23 хромосомы от папы. Это значит, что каждая позиция генома существует в двух вариантах, или аллелях. При этом некоторые позиции генома у разных людей не совпадают, то есть полиморфны. А бывает, что и у одного человека на двух аллелях в одной и той же позиции разные нуклеотиды. Если один нуклеотид не совпадает, а окружающие его соседние нуклеотиды совпадают, то это однонуклеотидный полиморфизм (ОНП). Например, у Маши в 231 позиции гена qwerty на обоих аллелях расположен нуклеотид G (дезоксигуанозин-5′-монофосфат). А у Пети в этой же позиции на одной аллели G, а на второй C. Значит, для Маши и Пети эта позиция полиморфна. И для одного Пети, кстати, тоже полиморфна. А теперь представьте, что рассматриваем всю человеческую популяцию — тогда таких ОНП наберется довольно много.
В методе NATERA рассматривают только два самых частых варианта ОНП. Для упрощения обозначим первый вариант ОНП символом «А», а второй — символом «В». Если секвенировать один человеческий организм, то возможно три варианта сочетаний ОНП из двух хромосом: АА, АВ и ВВ. Для каждого ОНП измеряют частоту встречаемости ОНП «А», то есть фракцию «А». Для сочетания АА это значение будет равно 100%, для сочетания АВ — 50%, а для сочетания ВВ — 0%. Теперь усложним задачу — пусть в образце есть ДНК из двух разных организмов. Тогда, если в обоих организмах ОНП присутствует в одинаковом варианте АА, то частота А составит 100%. Но возможна и такая ситуация, что в одном организме есть сочетание АА (на двух хромосомах одинаковый ОНП — «А»), а в другом — АВ (на одной хромосоме ОНП «А», а на второй — «В»). Тогда общая фракция «А» будет меньше 100%. Это значение зависит от соотношения между количеством ДНК разных организмов в образце. Если материнской ДНК 99%, а фетальной — 1%, то разница будет незаметна для человеческого глаза. А если материнской ДНК 50%, и фетальной ДНК тоже 50%, то частота «А» в смеси составит 75%. И так далее — возможны разные сочетания вариантов АА, АВ, ВВ из двух разных организмов. Подобную ситуацию можно проиллюстрировать графиком (рис. 2 и 3). Исследуемые ОНП располагают по абсциссе согласно месту локализации в геноме, фракции «А» для каждого ОНП откладывают по ординате. Если оба организма содержат нормальное число хромосом, то получится что-то подобное рисунку 2. Вклад фетальной ДНК приводит к распределению точек в отдельные кластеры-отпечатки, которые можно использовать для определения числа копий хромосомы.
Рисунок 2. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. В методе NATERA рассматриваются такие ОНП, для которых возможны два варианта нуклеотидов. Для упрощения первый вариант ОНП обозначают символом «А», а второй — символом «В». Доля фетальной ДНК в образце составила 28,1%. На оси абсцисс расположены все ОНП согласно позиции в хромосоме. Название хромосом указано над графиком. Каждая точка представляет собой один ОНП, где точное положение по оси Y отображает совместную фракцию «А» материнской и фетальной ДНК. Точки красного цвета соответствуют сочетанию вариантов АА у матери на двух хромосомах, синего — сочетанию ВВ, зеленого — сочетанию АВ. В образце следов анеуплоидии нет. Также отсутствуют ОНП, принадлежащие Y-хромосоме, то есть плод — женского пола.
А теперь представим ситуацию, когда одна из хромосом плода продублирована. Тогда получится что-то подобное рисунку 3.
Рисунок 3. Визуализация результатов секвенирования внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины. Доля фетальной ДНК в образце составила 19,2%. Описание этого рисунка аналогично предыдущему.
На рисунке 3 видно, что паттерн распределение частот «А» для ОНП 13-й хромосомы отличается от паттерна распределения фракции «А» для ОНП 18-й, 21-й и Х-хромосомы. Это значит, что у плода есть три 13-е хромосомы. Такое состояние называют синдромом Патау, при котором наблюдают тяжелые врожденные пороки. Следует отметить, что при малой доле фетальной ДНК во внеклеточной ДНК плазмы крови беременной женщины паттерны распределения фракции «А» для ОНП разных хромосом неразличимы для человеческого глаза при анеуплоидии у плода. Невидимые глазу искажения распределения фракций «А» можно различить при помощи автоматизированной обработки данных на основе разработанного алгоритма [18]. Таким образом, неинвазивная процедура (забор крови беременной женщины) позволяет выявить анеуплоидии у плода.
А что с коммерциализацией?
Сейчас услугой компании Natera воспользовались более двух миллионов беременных женщин из нескольких десятков стран. Стоимость анализа составляет сотни долларов, что доступно для значимой части целевой аудитории продукта. Число проводимых тестов с каждым годом растет, то есть рынок далек от насыщения. Запатентованная технология неинвазивного выявления анеуплоидий у плода во время беременности — одна из двух основных приносящих доход продуктов компании Natera. За первые три месяца 2020 года общий доход компании составил 94 миллиона долларов, валовая прибыль — 49 миллионов долларов. То есть эта динамично развивающаяся компания удовлетворяет запросы всё большего числа потребителей за счет превращения воздушных идей научных сотрудников в приземленный материальный продукт.
Заключение
Эта заметка — краткая справка по одному из способов неинвазивной диагностики анеуплоидий у плода. Но сколько фундаментальных и прикладных исследований понадобилось, чтобы из идей-фантазий получилось что-то материальное? Много. Знали ли авторы этих работ, что получится в результате? Не знали. Сколько было неудачных попыток превращения идей в коммерческий продукт? Неизвестно. Для успеха скорее необходима плодотворная среда, в которой комфортно сосуществуют фантазеры и жесткие прагматики. Для каких-то работ исход сложно предсказать, нужно включать фантазию и не бояться ошибаться. Но чем четче очертания конечного результата, тем проще привлечь капитал, которым рискуют в надежде приумножить. Сухой расчет необходим для оценки необходимых вложений и вероятных доходов. Чем приземленнее такой расчет, тем меньше рисков потерять привлеченный капитал и тем больше вероятность ситуации Win-Win для всех причастных.