Полиморфизм числа копий

Полиморфизм числа копий (англ. copy number variation, CNV) — это тип генетической вариабельности, при котором у разных индивидуумов одного вида наблюдаются различия в количестве копий определённого участка генома. Размер таких участков может варьироваться от нескольких сотен пар оснований до нескольких миллионов пар оснований. Полиморфизм числа копий является одной из основных форм структурных вариаций генома и играет значительную роль в фенотипическом разнообразии, предрасположенности к заболеваниям и эволюции.

История изучения

Первые свидетельства существования вариаций числа копий были получены в 1970-х годах при цитогенетическом анализе хромосом, однако систематическое изучение CNV стало возможным только с развитием технологий секвенирования ДНК и методов сравнительной геномной гибридизации (CGH).

В 2004 году две независимые группы исследователей (Iafrate et al. и Sebat et al.) опубликовали первые карты вариаций числа копий в геноме человека, выявив сотни участков с изменённым числом копий. Эти работы заложили основу для понимания масштаба и значения CNV. В 2006 году был создан проект «Database of Genomic Variants» (DGV), который систематизирует известные CNV у здоровых людей.

С развитием технологий секвенирования нового поколения (NGS) в 2010-х годах стало возможным выявлять CNV с высоким разрешением и в больших популяционных выборках. Крупные проекты, такие как «1000 Genomes Project» и «UK Biobank», значительно расширили знания о распространённости и типах CNV в различных популяциях.

Типы и классификация

Полиморфизм числа копий включает несколько типов структурных изменений:

Делеция — потеря участка хромосомы (уменьшение числа копий).
Дупликация — увеличение числа копий участка.
Инсерция — вставка дополнительного фрагмента ДНК.
Инверсия — поворот участка на 180°, часто сопровождающийся изменением числа копий.
Транслокация — перемещение участка в другую хромосому.

По размеру CNV подразделяют на:

Малые (менее 1 кб) — редкие, трудно выявляемые.
Средние (1–100 кб) — наиболее распространённые.
Крупные (более 100 кб) — часто связаны с патологиями.

По частоте встречаемости в популяции выделяют:

Распространённые CNV — встречаются более чем у 1% населения, часто являются полиморфизмами без явного фенотипического эффекта.
Редкие CNV — встречаются менее чем у 1% населения, часто ассоциированы с заболеваниями.

Механизмы возникновения

Основными механизмами образования CNV являются:

Неаллельная гомологичная рекомбинация (NAHR) — происходит между повторяющимися последовательностями ДНК (например, низкокопийными повторами), что приводит к неравному кроссинговеру.
Негомологичное соединение концов (NHEJ) — репарация двуцепочечных разрывов ДНК, при которой могут возникать делеции или дупликации.
Ошибки репликации — проскальзывание ДНК-полимеразы во время репликации, особенно на участках с микросателлитами.
Ретротранспозиция — вставка мобильных генетических элементов (например, LINE-1, Alu).

Методы выявления

Для обнаружения и анализа CNV используются следующие методы:

Сравнительная геномная гибридизация на микроматрицах (array CGH) — позволяет выявлять делеции и дупликации с разрешением от 5–10 кб.
SNP-микроматрицы — одновременно генотипируют однонуклеотидные полиморфизмы и выявляют CNV по интенсивности сигнала.
Секвенирование нового поколения (NGS) — позволяет выявлять CNV с высоким разрешением, включая малые вариации.
Количественная ПЦР (qPCR) — используется для валидации и точного определения числа копий конкретных участков.
Цифровая капельная ПЦР (ddPCR) — обеспечивает абсолютное количественное определение числа копий.

Значение в медицине

Наследственные заболевания

CNV являются причиной многих наследственных синдромов и заболеваний. Например:

Синдром делеции 22q11.2 (синдром ДиДжорджи) — делеция участка хромосомы 22, вызывающая пороки сердца, иммунодефицит и характерные черты лица.
Синдром Вильямса — делеция участка 7q11.23, приводящая к когнитивным нарушениям и сердечно-сосудистым аномалиям.
Синдром Прадера-Вилли и синдром Ангельмана — делеции участка 15q11-q13, проявляющиеся различными неврологическими симптомами.

Онкология

Соматические CNV играют ключевую роль в развитии рака. Амплификация онкогенов (например, ERBB2 при раке молочной железы) или делеция генов-супрессоров опухолей (например, TP53) являются частыми событиями в канцерогенезе. Выявление CNV используется для диагностики, прогноза и выбора таргетной терапии.

Фармакогенетика

CNV влияют на метаболизм лекарств. Например, вариации числа копий гена CYP2D6, кодирующего фермент, участвующий в метаболизме многих препаратов, определяют скорость их выведения и риск побочных эффектов.

Эволюционное значение

CNV являются важным источником генетического разнообразия и адаптации. Они могут приводить к появлению новых функций генов или изменению уровня экспрессии. Например, у человека дупликация гена амилазы (AMY1) связана с адаптацией к диете с высоким содержанием крахмала. У собак CNV в гене, кодирующем рецептор меланокортина, влияют на размер тела.