Однонуклеотидный полиморфизм

Однонуклеотидный полиморфизм (SNP, от англ. Single Nucleotide Polymorphism, читается как «снип») — это тип генетической вариации, при котором последовательность ДНК различается у представителей одного биологического вида или между гомологичными хромосомами особи заменой одного нуклеотида (аденина, тимина, гуанина или цитозина) на другой. SNP являются наиболее распространённым типом генетических вариаций в геноме человека: по оценкам, в геноме человека встречается более 10 миллионов однонуклеотидных полиморфизмов, составляющих около 90 % всех известных генетических вариаций.

История открытия и изучения

Концепция однонуклеотидных вариаций возникла в 1970-х годах с развитием методов секвенирования ДНК. Первые SNP были обнаружены при анализе ферментативных рестрикционных фрагментов: различия в сайтах рестрикции (RFLP) позволили выявить точечные замены. В 1990-х годах, с началом проекта «Геном человека», стало ясно, что SNP — основной источник генетического разнообразия между людьми. В 1998 году был создан международный консорциум SNP Consortium (TSC), который к 2001 году каталогизировал более 1,4 миллиона SNP. В 2005 году завершился проект HapMap, целью которого было картирование гаплотипов (блоков сцепленных SNP) в популяциях человека. В 2010-х годах, с распространением технологий полногеномного секвенирования и микрочипов, SNP стали широко использоваться в популяционной генетике, медицинской геномике и судебной экспертизе.

Классификация

По типу замены нуклеотида

• Транзиции — замена пуринового основания на другое пуриновое (A↔G) или пиримидинового на другое пиримидиновое (C↔T). Транзиции встречаются в геноме примерно в два раза чаще, чем трансверсии.
• Трансверсии — замена пурина на пиримидин или наоборот (A↔C, A↔T, G↔C, G↔T).

По локализации в геноме

• Кодирующие SNP — расположены в экзонах (белок-кодирующих участках) генов. Делятся на:
• Синнонимичные (синонимичные) — не меняют аминокислотную последовательность белка из-за вырожденности генетического кода.
• Несинонимичные — приводят к замене аминокислоты в белке (миссенс-мутации) или к появлению стоп-кодона (нонсенс-мутации).
• Некодирующие SNP — расположены в интронах, межгенных участках, регуляторных областях (промоторы, энхансеры, сайленсеры) и нетранслируемых участках (5'-UTR, 3'-UTR). Могут влиять на уровень экспрессии генов, сплайсинг и стабильность мРНК.

По частоте аллеля

• Частые SNP — аллель с частотой более 1 % в популяции. Именно такие вариации обычно называют полиморфизмами в строгом смысле.
• Редкие SNP — частота минорного аллеля менее 1 %. Часто называются мутациями.

Характеристики и свойства

SNP характеризуются двумя основными параметрами: частота минорного аллеля (MAF, от англ. Minor Allele Frequency) и коэффициент неравновесия по сцеплению (LD, от англ. Linkage Disequilibrium). Большинство SNP являются биаллельными (существуют в двух вариантах), хотя три- и тетрааллельные полиморфизмы встречаются крайне редко. SNP наследуются по законам Менделя и могут быть как нейтральными (не оказывающими влияния на фенотип), так и функциональными (изменяющими активность белка или регуляцию гена).

Скорость возникновения новых SNP в геноме человека оценивается примерно в 1×10⁻⁸ на нуклеотид за поколение. Это означает, что каждый новорождённый имеет около 60–70 новых однонуклеотидных замен по сравнению с родительскими геномами.

Методы обнаружения и генотипирования

Для выявления SNP используются следующие подходы:

• Секвенирование по Сэнгеру — «золотой стандарт» для подтверждения единичных SNP, но низкопроизводительный.
• Микрочипы (SNP-чипы) — гибридизация меченой ДНК с олигонуклеотидными зондами, позволяющая одновременно генотипировать сотни тысяч или миллионы SNP. Наиболее распространённые платформы — Illumina и Affymetrix.
• ПЦР в реальном времени с аллель-специфичными зондами (TaqMan) — используется для анализа небольшого числа SNP.
• Полногеномное секвенирование (WGS) и секвенирование экзома (WES) — дают полную информацию о всех SNP в геноме или кодирующих областях.
• Методы высокопроизводительного секвенирования (NGS) — позволяют выявлять редкие SNP и структурные вариации.

Применение

Медицинская генетика

SNP широко используются в исследованиях ассоциаций «геном-фенотип» (GWAS, от англ. Genome-Wide Association Studies). GWAS позволяют выявить SNP, ассоциированные с предрасположенностью к многофакторным заболеваниям (сахарный диабет 2 типа, ишемическая болезнь сердца, шизофрения, рак молочной железы). Например, SNP rs9939609 в гене FTO ассоциирован с ожирением, а rs1229984 в гене ADH1B — с защитным эффектом против алкоголизма. SNP также используются для фармакогенетики: определение вариантов генов CYP2C9 и VKORC1 позволяет подбирать дозу варфарина, а SNP в гене TPMT — прогнозировать токсичность 6-меркаптопурина.

Популяционная генетика и антропология

SNP служат маркерами для изучения генетического разнообразия популяций, миграций древних людей и эволюционных процессов. Например, SNP в мтДНК и Y-хромосоме используются для реконструкции гаплогрупп. В российской популяционной генетике SNP применяются для анализа генетической структуры народов России (русские, татары, башкиры, народы Кавказа и Сибири).

Судебная медицина

SNP-профилирование применяется для идентификации личности (например, в криминалистике), установления родства (отцовства, материнства) и в случаях массовых катастроф. В отличие от STR-маркеров (коротких тандемных повторов), SNP требуют меньшего количества ДНК и лучше работают с деградированным материалом.

Сельское хозяйство и биотехнология

SNP используются в селекции растений и животных для маркер-ассоциированной селекции (MAS). Например, SNP в генах, отвечающих за устойчивость к болезням (у пшеницы — к ржавчине, у риса — к пирикуляриозу), позволяют ускорять создание новых сортов. В животноводстве SNP-чипы применяются для оценки племенной ценности крупного рогатого скота, свиней и кур.

Базы данных и ресурсы

Основные базы данных SNP:

• dbSNP (Национальный центр биотехнологической информации, США) — крупнейшая база, содержащая более 1 миллиарда записей SNP для различных организмов.
• Ensembl (Европейский институт биоинформатики) — интегрирует данные о SNP с аннотациями генов, регуляторных элементов и фенотипов.
• 1000 Genomes Project — каталог вариаций (включая SNP) в 26 популяциях мира.
• GWAS Catalog (NHGRI-EBI) — коллекция опубликованных ассоциаций SNP с заболеваниями и признаками.

Критика и ограничения

Основные ограничения использования SNP:

• Эффект популяционной стратификации — ложные ассоциации в GWAS из-за различий в генетической структуре сравниваемых групп.
• Неполнота охвата — SNP-чипы могут не содержать редкие или структурные варианты (вставки, делеции, копийные вариации).
• Этическая проблема — использование SNP для прогнозирования предрасположенности к заболеваниям может вызывать дискриминацию со стороны страховых компаний или работодателей (в некоторых странах это регулируется законами, например, GINA в США).
• Сложность интерпретации — большинство SNP находятся в некодирующих областях, и их функциональное значение часто остаётся неясным.

Интересные факты

• Человек отличается от шимпанзе примерно на 35 миллионов SNP (около 1,2 % генома).
• SNP rs1426654 в гене SLC24A5 в значительной степени определяет пигментацию кожи у европейцев.
• В России крупнейшее исследование SNP было проведено в рамках проекта «Генетическая карта народов России» (Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН).

Источники

• International HapMap Consortium. A haplotype map of the human genome. Nature. 2005;437(7063):1299-1320.
• 1000 Genomes Project Consortium. A global reference for human genetic variation. Nature. 2015;526(7571):68-74.
• Sherry ST, Ward MH, Kholodov M, et al. dbSNP: the NCBI database of genetic variation. Nucleic Acids Res. 2001;29(1):308-311.
• Kruglyak L, Nickerson DA. Variation is the spice of life. Nat Genet. 2001;27(3):234-236.
• Visscher PM, Wray NR, Zhang Q, et al. 10 years of GWAS discovery: biology, function, and translation. Am J Hum Genet. 2017;101(1):5-22.
• Балановский О. П. Генофонд Европы. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2015.