Определение первичной структуры и картирование ДНК являются основными направлениями использования микроматриц олигонуклеотидов в настоящее время. Прямое секвенирование генов с помощью олигонуклеотидных микрочипов сдерживается необходимостью применения мягких условий гибридизации, при которых происходит внутреннее спаривание нуклеотидов как в зондах, так и в анализируемых частях генов, что часто является причиной неправильной интерпретации получаемых данных. Тем не менее, на основании результатов гибридизации продуктов ПЦР-амплификации частей клонов геномных библиотек с микроматрицами олигонуклеотидов удается осуществлять достаточно эффективное упорядочивание клонов друг относительно друга. Продемонстрирована возможность осуществления биохимических манипуляций с ДНК, иммобилизованных на микрочипах, с использованием ДНК-полимераз и эндонуклеаз рестрикции. Такие воздействия применяют параллельно с гибридизацией для получения дополнительной информации об анализируемых ДНК.
Исследование генетического полиморфизма ДНК. Более информативными оказываются результаты использования микроматриц ДНК для оценки генетического полиморфизма родственных геномов. Способность зондов гибридизоваться с ДНК микроматриц сильно изменяется при наличии даже единственного неспаренного нуклеотида в гибридах зонд–мишень. Это позволяет с высокой эффективностью осуществлять поиск полиморфизмов в сравниваемых геномах даже на уровне различий в отдельных нуклеотидах. Например, путем гибридизации геномной ДНК двух штаммов дрожжей с микроматрицами олигонуклеотидов удалось картировать на участке ДНК длиной в 57 т.п.о. полиморфные локусы, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость. Детальное сравнение экзона 11 гена BRCA1 человека с гомологичными последовательностями семи других биологических видов позволило обнаружить отдельные полиморфные нуклеотиды с замечательной точностью (99,5–99,9%).
|
|
Такого рода результаты дали возможность разработки на основе микроматриц ДНК нескольких ДНК-диагностикумов, с помощью которых обнаруживают полиморфизмы на уровне отдельных нуклеотидов в геноме вирусов, бактерий, дрожжей и высших эукариот. С применением этого подхода были идентифицированы мутации в геноме человека, ассоциированные с различными заболеваниями, включая рак молочной железы, муковисцидоз, b-талассемию, а также диагностирована ВИЧ-инфекция. В недавно проведенном исследовании участка генома человека длиной в 2,3·106 п.о. было обнаружено ~2000 полиморфизмов на уровне отдельных нуклеотидов, что позволяет представить себе масштабы генетической изменчивости в популяциях человека.
Исследование экспрессии генов с использованием микроматриц ДНК. Технология микрочипов ДНК позволяет осуществлять одновременный мониторинг за экспрессией большого числа генов (expression profiling). С этой целью для генов с известными последовательностями нуклеотидов создается микроматрица сегментов кДНК длиной 0,5–1,0 т.п.о. Из анализируемых образцов (например опухоли и здоровой ткани) выделяют суммарную мРНК, которую с помощью обратной транскрипции превращают в кДНК, метят флуоресцентными красителями и используют для последующей конкурентной гибридизации с зондами, нанесенными на микроматрицу. Интенсивность флуоресценции отдельных элементов микроматрицы после образования гибридов позволяют качественно характеризовать различия в уровнях экспрессии конкретных генов в анализируемых образцах. Например, отсутствие конкуренции за образование гибридов со стороны кДНК нормальной ткани может говорить о транскрипции в опухоли новых генов, не экспрессирующихся в нормальных клетках.
|
|
Такой подход успешно использовали для характеристики ответа клеток в культуре или in vivo по изменению уровней экспрессии генов на различные внешние стимулы, включая тепловой шок, воспалительные реакции и канцерогенные воздействия. Помимо известных генов в мониторинг иногда включают и случайные клоны кДНК, что позволяет идентифицировать новые гены, экспрессия которых ассоциирована с патологическими состояниями органов и тканей. С использованием микроматриц кДНК в современный анализ могут быть одновременно включены до 10000 экспрессирующихся генов.
Микроматрицы олигонуклеотидов также применяют для определения профилей экспрессии генов. В этом случае для повышения эффективности мониторинга одновременно в разных элементах матрицы используют несколько олигонуклеотидов, комплементарных различным частям анализируемых кДНК. С помощью этого подхода недавно был определен профиль экспрессии 6800 генов в культивируемых клетках фибросаркомы в присутствии g-интерферона.
Функциональная геномика. Эффективное использование результатов мониторинга за экспрессией большого числа генов требует лучшего понимания функций анализируемых генов. Решением проблемы определения функций новых генов занимается раздел генетики, получивший название функциональной геномики. Лишь немногие заболевания возникают в результате повреждения отдельных конкретных генов. В большинстве случаев приходится говорить о предрасположенности к заболеванию в связи с наличием в геноме конкретной мутации. Сопоставление генетической информации, получаемой при использовании микроматриц ДНК, с результатами статистического анализа возникновения, протекания и исхода заболеваний может дать ключ к правильной интерпретации результатов генетического скрининга генома человека обсуждаемыми методами. Возможность одновременного наблюдения за изменением экспрессии очень большого числа генов в строго контролируемых условиях открывает новые перспективы функционального исследования генома как единого целого.
|
|
В заключение можно сказать, что микроматрицы ДНК уже сегодня находят применение в фундаментальных исследованиях, промышленности и клинике в качестве инструментов анализа экспрессии большого числа генов, определения генетической предрасположенности организма к различным патологическим состояниям, скрининга новых фармакологических препаратов. Критическими моментами, препятствующими широкому распространению этих технологий, являются ограниченные чувствительность обнаружения гибридизационных сигналов и специфичность гибридизации, трудности в количественной оценке сигналов и обработке большого количества получаемых данных с целью их интерпретации, а также высокая стоимость микрочипов ДНК. Однако микроматрицы ДНК даже в современном виде успешно используются и будут применяться для решения многих задач биологии и медицины.