Вариация числа копий

Вариация числа копий (англ. copy number variation, CNV) — это тип генетической вариации, при котором определённые участки генома (размером от 1 килобазы до нескольких мегабаз) присутствуют в геноме в разном количестве копий у разных индивидуумов одного вида. В отличие от однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые затрагивают только одно основание ДНК, CNV охватывают целые сегменты ДНК, которые могут быть делецированы (отсутствовать), дуплицированы (удвоены или умножены) или инвертированы. Вариации числа копий являются одной из основных форм структурных вариаций генома и играют значительную роль в генетическом разнообразии, эволюции, развитии наследственных заболеваний и реакции на лекарственные препараты.

История открытия

Первые свидетельства существования вариаций числа копий были получены в 1980-х годах при изучении генома человека с помощью методов цитогенетики и флуоресцентной гибридизации in situ (FISH). Однако систематическое картирование CNV стало возможным только после завершения проекта «Геном человека» (2003) и развития технологий сравнительной геномной гибридизации на микроматрицах (array CGH) и высокопроизводительного секвенирования.

В 2004 году две независимые группы исследователей (Iafrate et al. и Sebat et al.) опубликовали первые карты CNV в геноме человека, показав, что эти вариации гораздо более распространены, чем считалось ранее. К 2006 году был создан проект «Database of Genomic Variants» (DGV), который систематизирует известные CNV у здоровых людей. В 2010-х годах с развитием секвенирования нового поколения (NGS) стало возможным выявлять CNV с разрешением до единичных нуклеотидов, что привело к открытию тысяч новых локусов.

Классификация и типы

Вариации числа копий классифицируют по нескольким признакам.

По размеру

• Микро-CNV — размером от 1 до 100 кб. Часто выявляются только методами высокого разрешения.
• Мезо-CNV — от 100 кб до 1 Мб. Наиболее распространённый класс.
• Макро-CNV — более 1 Мб. Встречаются реже, но часто имеют клиническое значение.

По типу структурной перестройки

• Делеция — потеря участка ДНК (уменьшение числа копий).
• Дупликация — увеличение числа копий (тандемная или диспергированная).
• Инсерция — вставка дополнительного фрагмента ДНК.
• Инверсия — переворот участка, которая может приводить к изменению числа копий при рекомбинации.
• Сложные перестройки — комбинации нескольких типов.

По локализации

• Генные CNV — затрагивают кодирующие последовательности генов.
• Межгенные CNV — расположены в некодирующих областях, но могут влиять на регуляцию соседних генов.

Механизмы возникновения

Основные механизмы, приводящие к образованию CNV, связаны с ошибками репликации и рекомбинации ДНК:

• Неаллельная гомологичная рекомбинация (NAHR) — происходит между повторяющимися последовательностями (например, низкокопийными повторами), что приводит к неравному кроссинговеру. Чаще всего встречается в регионах с сегментными дупликациями.
• Ошибки репликации (Fork Stalling and Template Switching, FoSTeS) — при остановке репликационной вилки происходит переключение матрицы, что приводит к дупликациям или делециям.
• Разрыв-соединение (Breakage-Fusion-Bridge, BFB) — механизм, характерный для раковых клеток, при котором хромосомные разрывы приводят к амплификации участков.
• Транспозон-опосредованные перестройки — мобильные генетические элементы могут вызывать делеции или дупликации при своей транспозиции.

Распространённость в популяции

Вариации числа копий являются нормальным компонентом генетической изменчивости. У каждого человека в среднем обнаруживается от 50 до 100 CNV, покрывающих около 4–5% генома. Большинство из них являются доброкачественными и не влияют на фенотип. Однако некоторые CNV ассоциированы с заболеваниями.

По данным базы DGV (2024 год), у здоровых людей описано более 1,5 миллиона уникальных CNV-локусов. Частота встречаемости конкретных CNV варьирует от 0,1% до 50% в зависимости от популяции.

Роль в заболеваниях

Вариации числа копий могут быть причиной или фактором риска многих заболеваний.

Наследственные синдромы

• Синдром ДиДжорджи (22q11.2 делеция) — частота 1:4000, проявляется пороками сердца, иммунодефицитом, гипокальциемией.
• Синдром Вильямса (7q11.23 делеция) — характеризуется эльфоподобной внешностью, задержкой развития, специфическими когнитивными особенностями.
• Синдром Смит-Магенис (17p11.2 делеция) — включает умственную отсталость, нарушения сна, поведенческие расстройства.
• Синдром Поттера (дупликация 17q12) — ассоциирован с аутизмом, шизофренией, умственной отсталостью.

Онкологические заболевания

CNV играют ключевую роль в канцерогенезе. Амплификация онкогенов (например, ERBB2/HER2 при раке молочной железы, MYC при лимфомах) и делеция генов-супрессоров опухолей (например, TP53, RB1, CDKN2A) являются частыми событиями. В раковых клетках CNV могут быть очень крупными и затрагивать целые хромосомные плечи.

Нейропсихиатрические расстройства

• Шизофрения — ассоциирована с редкими делециями в локусах 1q21.1, 3q29, 15q13.3, 22q11.2.
• Расстройства аутистического спектра — выявлены CNV в генах, связанных с синаптической пластичностью (NRXN1, SHANK3, CNTNAP2).
• Эпилепсия — делеции 15q13.3 и 16p13.11 повышают риск генерализованных припадков.

Фармакогенетика

CNV в генах, кодирующих ферменты метаболизма лекарств, влияют на эффективность и токсичность терапии. Например:

• CYP2D6 — вариация числа копий (от 0 до 13 копий) определяет скорость метаболизма многих антидепрессантов, нейролептиков и бета-блокаторов.
• GSTM1 и GSTT1 — делеции этих генов (нулевые генотипы) встречаются у 30–50% населения и связаны с повышенным риском токсичности химиотерапии.

Методы обнаружения

Цитогенетические методы

• Кариотипирование — позволяет выявить CNV размером более 5–10 Мб.
• FISH — выявляет конкретные локусы с разрешением до 100 кб.

Молекулярно-генетические методы

• Сравнительная геномная гибридизация на микроматрицах (array CGH) — стандартный метод для выявления CNV размером от 10–50 кб. Позволяет сканировать весь геном.
• Секвенирование нового поколения (NGS) — методы whole-genome sequencing (WGS) и whole-exome sequencing (WES) позволяют выявлять CNV с разрешением до единичных нуклеотидов. Используются биоинформатические алгоритмы (например, CNVnator, PennCNV, ExomeDepth).
• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — количественная ПЦР (qPCR) и цифровая капельная ПЦР (ddPCR) применяются для валидации и точного подсчёта числа копий в конкретном локусе.

Биоинформатические подходы

Для анализа CNV из данных NGS используются три основных подхода:

• Read-depth (RD) — основан на подсчёте числа прочтений, картированных на участок генома. Увеличение или уменьшение числа прочтений указывает на дупликацию или делецию.
• Paired-end mapping (PEM) — использует информацию о расстоянии между парными прочтениями. Отклонения от ожидаемого расстояния указывают на структурные перестройки.
• Split-read (SR) — выявляет разрывы в картировании прочтений, характерные для делеций или инсерций.

Клиническое значение и диагностика

В клинической практике анализ CNV является стандартным компонентом диагностики врождённых пороков развития, умственной отсталости, задержки развития и множественных врождённых аномалий. В России и других странах хромосомный микроматричный анализ (ХМА) рекомендован в качестве теста первой линии для детей с этими состояниями.

В пренатальной диагностике CNV выявляются при неинвазивном пренатальном тестировании (НИПТ) и при инвазивной диагностике (хорионбиопсия, амниоцентез). Некоторые CNV, такие как делеция 22q11.2, являются частыми причинами врождённых пороков сердца.

В онкологии анализ CNV используется для:

• Классификации опухолей (например, амплификация HER2 при раке молочной железы).
• Прогноза течения заболевания.
• Выбора таргетной терапии (например, ингибиторы PARP при BRCA1/2-дефицитных опухолях).

Эволюционное значение

Вариации числа копий являются важным двигателем эволюции. Генные дупликации создают резерв для возникновения новых функций генов. Например, дупликация гена амилазы (AMY1) у человека обеспечила способность переваривать крахмал, что сыграло роль в адаптации к сельскохозяйственной диете. У собак CNV в гене, кодирующем рецептор дофамина, связаны с одомашниванием и поведенческими особенностями.

CNV также могут быть связаны с адаптацией к окружающей среде. Например, делеция гена GSTM1, распространённая в популяциях, может защищать от некоторых инфекций, но повышать риск рака лёгких при курении.

Базы данных и ресурсы

• Database of Genomic Variants (DGV) — каталог CNV, обнаруженных у здоровых людей.
• ClinGen — база данных клинически значимых CNV.
• DECIPHER — база данных, связывающая CNV с фенотипами заболеваний.
• gnomAD — содержит данные о частоте CNV в различных популяциях.

Правовые и этические аспекты

В Российской Федерации генетические исследования, включая анализ CNV, регулируются Федеральным законом № 323-ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в РФ» и Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных». Выявление CNV, связанных с наследственными заболеваниями, требует обязательного медико-генетического консультирования. Информированное согласие пациента является обязательным условием проведения тестирования.