Что такое генетические тесты и как они помогают узнать риски заболеваний

Генетические тесты анализируют дезоксирибонуклеиновую кислоту для выявления мутаций, связанных с наследственными заболеваниями и предрасположенностью к ним.

Исследование обнаруживает патогенные варианты генов, вызывающие муковисцидоз, синдром Дауна, а также предрасположенность к онкологическим и сердечно-сосудистым патологиям.

Данные применяются в персонализированной медицине для разработки программ профилактики и таргетной терапии.

Процедура включает сбор биоматериала, экстракцию дезоксирибонуклеиновой кислоты и лабораторный анализ.

Как работают генетические тесты: от образца до результатов анализа ДНК

Процесс генетического тестирования представляет собой сложный, многоступенчатый путь, который начинается со сбора биологического материала и завершается выдачей подробного заключения. Каждый этап — от получения образца до окончательной интерпретации данных — критически важен для обеспечения точности и надежности результатов анализа ДНК, позволяющих оценить генетические риски заболеваний и разработать эффективные профилактические стратегии.

Сбор биологического образца для анализа ДНК

Первый и самый важный шаг в проведении генетического теста — это получение биологического материала, содержащего клетки с ДНК. От качества и корректности сбора образца во многом зависит успешность дальнейших лабораторных исследований. Сбор обычно прост и малоинвазивен, что делает процедуру доступной для широкого круга пациентов.

Для анализа дезоксирибонуклеиновой кислоты используются следующие образцы.

• Кровь: наиболее распространенный и надежный источник ДНК. Обычно забирается небольшое количество венозной крови.
• Слюна: удобный, неинвазивный метод сбора, часто используемый для домашних наборов генетических тестов. ДНК выделяется из клеток эпителия слизистой оболочки рта.
• Клетки буккального эпителия (соскоб со щеки): также неинвазивный метод, при котором клетки слизистой щеки собираются с помощью специальной щетки или ватной палочки.
• Ткань: может быть получена в ходе биопсии или хирургической операции, например, для анализа опухолевой ткани.
• Амниотическая жидкость или ворсины хориона: используются для пренатальной диагностики в случаях, когда необходимо исследовать генетический материал плода.
• Пуповинная кровь: иногда используется для неонатального скрининга.

Образец маркируется и транспортируется в лабораторию с соблюдением температурного режима для предотвращения деградации генетического материала.

Выделение ДНК из образца

После поступления биологического образца в лабораторию следующим этапом становится выделение (извлечение) дезоксирибонуклеиновой кислоты. Этот процесс необходим, чтобы отделить ДНК от других клеточных компонентов, таких как белки, липиды и РНК, которые могут мешать дальнейшему анализу. Цель выделения — получить чистую и достаточно концентрированную ДНК для последующих молекулярно-генетических исследований.

Алгоритм извлечения дезоксирибонуклеиновой кислоты.

1. Лизис клеток: Разрушение клеточных мембран и ядерных оболочек для высвобождения ДНК в раствор. Это достигается с помощью химических реагентов (например, детергентов) и/или физических методов.
2. Удаление белков: Избавление от белков, связанных с ДНК, с использованием протеаз (ферментов, расщепляющих белки).
3. Очистка ДНК: Отделение ДНК от других нежелательных клеточных компонентов. Часто используются методы, основанные на изменении растворимости ДНК, например, осаждение спиртом, или применение специальных фильтрующих колонок с матрицей, которая связывает ДНК, пропуская остальные вещества.
4. Элюирование ДНК: Растворение очищенной ДНК в буферном растворе для ее стабилизации и подготовки к дальнейшему анализу.

Очищенный образец проходит спектрофотометрический контроль качества и концентрации.

Основные методы лабораторного анализа ДНК

Выбор молекулярно-генетического метода зависит от диагностической задачи.

Применяемые лабораторные методы.

• Полимеразная цепная реакция (ПЦР): Метод, позволяющий многократно увеличить (размножить) специфические участки ДНК. Это необходимо для того, чтобы получить достаточное количество генетического материала для дальнейшего изучения, например, для обнаружения точечных мутаций или идентификации инфекционных агентов. Разновидностью является ПЦР в реальном времени, которая позволяет количественно оценить содержание ДНК.
• Секвенирование ДНК: Технология определения точной последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Различают:
  • Секвенирование по Сэнгеру: "золотой стандарт" для анализа коротких участков ДНК, позволяет выявить точечные мутации, небольшие делеции (потери) или инсерции (вставки) генетического материала.
  • Секвенирование нового поколения (NGS, Секвенирование нового поколения): высокопроизводительный метод, способный одновременно анализировать миллионы участков ДНК или даже весь геном человека, что позволяет выявлять широкий спектр генетических изменений, включая крупные перестройки, мутации и вариации числа копий.
• Хромосомный микроматричный анализ (ХМА): Метод для обнаружения субмикроскопических изменений в хромосомах — делеций и дупликаций (увеличения числа копий) отдельных участков ДНК, которые могут быть причиной задержек развития, врожденных пороков или других генетических синдромов. ХМА обеспечивает гораздо более высокое разрешение по сравнению с традиционным кариотипированием.
• Кариотипирование: Классический цитогенетический метод, при котором исследуются все хромосомы человека (их количество, форма, структура) под микроскопом. Позволяет выявить крупные хромосомные аномалии, такие как трисомии (например, при синдроме Дауна) или крупные транслокации (обмен участками между хромосомами).
• Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH): Метод, использующий флуоресцентно-меченные ДНК-зонды, которые связываются с комплементарными участками хромосом. FISH позволяет обнаружить специфические хромосомные перестройки, микроделеции или амплификации (увеличения числа копий) генов, которые не всегда видны при стандартном кариотипировании.

При сложных патологиях применяется комбинация методов секвенирования и цитогенетики.

Анализ и интерпретация полученных генетических данных

После завершения лабораторных исследований и получения сырых данных о последовательности ДНК или хромосомных аномалиях начинается самый ответственный этап — их анализ и интерпретация. Этот процесс требует глубоких знаний в области генетики, биоинформатики и клинической медицины.

Алгоритм анализа данных.

1. Биоинформатический анализ: Сырые данные, полученные с секвенаторов или других аналитических приборов, представляют собой огромный объем информации. Биоинформатики используют специализированное программное обеспечение для фильтрации, выравнивания последовательностей ДНК с эталонным геномом, выявления генетических вариантов (мутаций и полиморфизмов) и оценки их качества.
2. Аннотация вариантов: Выявленные генетические изменения сопоставляются с обширными базами данных (такими как ClinVar, OMIM, gnomAD), содержащими информацию о ранее описанных мутациях и их связи с заболеваниями или фенотипами. Это позволяет определить, является ли найденный вариант известным патогенным, вероятно патогенным, доброкачественным или вариантом с неопределенным клиническим значением (VUS, Вариант неопределенного клинического значения).
3. Клиническая интерпретация: Генетик или медицинский специалист с соответствующей квалификацией анализирует все полученные данные в контексте клинической картины пациента, его семейного анамнеза, возраста и этнической принадлежности. Это позволяет определить клиническую значимость обнаруженных генетических вариантов и их влияние на здоровье человека. Особое внимание уделяется вариантам с неопределенным клиническим значением, которые требуют дальнейшего изучения или дополнительных исследований.
4. Оценка пенетрантности и экспрессивности: Генетик также оценивает, насколько вероятно, что обнаруженный генетический вариант приведет к развитию заболевания (пенетрантность) и в какой степени проявятся симптомы (экспрессивность). Эти факторы могут сильно варьироваться даже для одного и того же генетического изменения.

Процесс интерпретации сложен и может потребовать консультации с другими специалистами для выработки наиболее точного заключения. Важность квалификации интерпретатора для правильной оценки рисков заболеваний на основе анализа ДНК трудно переоценить.

Формирование заключения и предоставление результатов

Финальный этап генетического тестирования — это формирование подробного заключения и его предоставление пациенту или лечащему врачу. Заключение генетического теста представляет собой официальный документ, который содержит всю ключевую информацию, полученную в результате анализа ДНК.

Структура генетического заключения.

• Идентификационные данные: Информация о пациенте и лечащем враче.
• Метод исследования: Указание всех использованных лабораторных методов и их разрешающей способности.
• Обнаруженные генетические варианты: Подробное описание всех выявленных мутаций, полиморфизмов или хромосомных аномалий.
• Клиническая интерпретация: Разъяснение значения обнаруженных генетических изменений для здоровья пациента. Указывается, связаны ли они с наследственными заболеваниями, предрасположенностью к ним, реакцией на лекарства или другими клинически значимыми состояниями.
• Рекомендации: На основе полученных результатов могут быть даны рекомендации по дальнейшим диагностическим обследованиям, консультациям со специалистами, изменению образа жизни, мерам профилактики или лечению.
• Ограничения метода: Описание возможных ограничений примененного генетического теста, например, что он не исключает наличие других, неисследованных генетических вариантов.
• Заключение специалиста: Подпись медицинского генетика или другого квалифицированного специалиста, ответственного за интерпретацию.

Посттестовое медико-генетическое консультирование необходимо для маршрутизации пациента и выбора тактики профилактики.

Сводная таблица этапов тестирования.

Виды генетических тестов и их основные цели

Классификация генетических тестов базируется на клинических задачах и типе исследуемых мутаций.

Диагностические генетические тесты

Диагностические генетические тесты проводятся для подтверждения или исключения конкретного наследственного заболевания у человека, уже имеющего симптомы, указывающие на возможное генетическое нарушение. Основная цель таких тестов — установить точный диагноз, что критически важно для определения дальнейшей тактики лечения, прогноза заболевания и планирования семьи. Они позволяют выявить специфические мутации или хромосомные аномалии, ответственные за развитие патологии.

Целевые патологии для диагностических панелей.

• Муковисцидоз: выявление мутаций в гене CFTR у пациентов с характерными респираторными и пищеварительными симптомами.
• Синдром Марфана: подтверждение мутаций в гене FBN1 при наличии соответствующих скелетных, сердечно-сосудистых и глазных проявлений.
• Миодистрофия Дюшенна/Беккера: анализ гена DMD у мальчиков с прогрессирующей мышечной слабостью.
• Синдром ломкой Х-хромосомы: диагностика расширения тринуклеотидных повторов в гене FMR1 у детей с задержкой развития и интеллектуальными нарушениями.

Идентификация мутации позволяет подобрать таргетную терапию.

Пресимптоматические и прогностические генетические тесты

Пресимптоматическое тестирование оценивает риск развития патологии до манифестации клинических симптомов.

Пресимптоматические тесты: Предназначены для выявления генетических мутаций, которые почти со 100% вероятностью приведут к развитию заболевания в будущем, но симптомы ещё не проявились. Такие тесты актуальны для людей из семей, где уже были случаи моногенных заболеваний с высокой пенетрантностью.

• Болезнь Гентингтона: выявление экспансии тринуклеотидных повторов в гене HTT. Положительный результат означает практически неизбежное развитие болезни, хотя время начала и тяжесть могут варьироваться.
• Наследственный рак толстой кишки без полипоза (синдром Линча): обнаружение мутаций в генах репарации ДНК (MLH1, MSH2, MSH6, PMS2). Лица с такими мутациями имеют значительно повышенный риск развития колоректального рака и других видов опухолей.

Прогностические (предиспозиционные) тесты: Оценивают генетическую предрасположенность к многофакторным заболеваниям, то есть определяют повышенный риск их развития, но не гарантируют их появление. На развитие таких заболеваний влияют также факторы окружающей среды и образ жизни. Эти тесты помогают в разработке персонализированных стратегий профилактики.

• Рак молочной железы и яичников: анализ мутаций в генах BRCA1 и BRCA2, которые значительно увеличивают риск развития этих видов рака.
• Болезнь Альцгеймера: тестирование полиморфизмов в гене APOE (например, вариант APOE ε4), который связан с повышенным риском поздней формы болезни.
• Сахарный диабет 2 типа, сердечно-сосудистые заболевания: выявление генетических вариантов, влияющих на метаболизм и функцию органов, повышая предрасположенность к этим распространенным патологиям.

Выявление генетической предиспозиции требует разработки индивидуального плана скрининга.

Тесты на носительство

Скрининг на носительство выявляет гетерозиготные мутации аутосомно-рецессивных заболеваний у асимптомных лиц.

Задачи скрининга носительства.

• Репродуктивное планирование: Помогают парам оценить риск рождения ребенка с наследственным заболеванием. Если оба родителя являются носителями мутации в одном и том же гене, риск рождения больного ребенка составляет 25% при каждой беременности.
• Идентификация рисков в семьях с отягощенным анамнезом: Позволяют членам семьи узнать свой статус носительства, если в семье уже были случаи наследственных заболеваний.

Таргетные гены при репродуктивном скрининге.

• Муковисцидоз (ген CFTR).
• Спинальная мышечная атрофия (ген SMN1).
• Серповидно-клеточная анемия (ген HBB).
• Болезнь Тея-Сакса (ген HEXA).
• Фенилкетонурия (ген PAH).

При выявлении мутаций у обоих партнеров показано применение преимплантационного генетического тестирования.

Пренатальные и преимплантационные генетические тесты

Пренатальные и преимплантационные генетические тесты предназначены для анализа генетического материала плода или эмбриона. Их основная цель — выявить генетические аномалии до рождения ребенка или до имплантации эмбриона в матку, предоставляя родителям возможность принять обоснованные решения о продолжении или прерывании беременности, или о выборе эмбриона для переноса.

Пренатальные тесты: Выполняются во время беременности для оценки генетического здоровья плода. Они могут быть неинвазивными и инвазивными.

• Неинвазивный пренатальный тест (НИПТ): Анализ свободной фетальной ДНК, циркулирующей в крови матери. Позволяет выявлять риски хромосомных аномалий, таких как трисомии 21 (синдром Дауна), 18 (синдром Эдвардса) и 13 (синдром Патау), а также аномалии половых хромосом. НИПТ является скрининговым методом, и положительные результаты требуют подтверждения инвазивными процедурами.
• Инвазивные методы (амниоцентез, биопсия хориона): Забор образцов амниотической жидкости или клеток плаценты непосредственно из матки. Эти процедуры позволяют получить клетки плода для кариотипирования, хромосомного микроматричного анализа (ХМА) и целевого секвенирования ДНК для диагностики конкретных генных мутаций. Они являются более точными, но несут небольшой риск осложнений.

Преимплантационные генетические тесты (ПГТ): Проводятся в рамках программ экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) до переноса эмбриона в матку. Цель ПГТ — выбрать здоровые эмбрионы для имплантации, чтобы увеличить шансы на успешную беременность и рождение здорового ребенка.

• ПГТ на анеуплоидии (ПГТ-А): Выявление эмбрионов с неправильным количеством хромосом (например, лишних или недостающих), что является частой причиной неудачных имплантаций и выкидышей.
• ПГТ на моногенные заболевания (ПГТ-М): Идентификация эмбрионов, унаследовавших конкретные мутации, которые вызывают серьезные наследственные заболевания (например, муковисцидоз, болезнь Гентингтона), если родители являются носителями таких мутаций.
• ПГТ на структурные хромосомные перестройки (ПГТ-СП): Для пар, у которых один из партнеров является носителем сбалансированной хромосомной перестройки (например, транслокации), что может приводить к несбалансированным эмбрионам и репродуктивным потерям.

Эти тесты предоставляют ценную информацию для семей, сталкивающихся с повышенными генетическими рисками, позволяя им принимать информированные решения о репродуктивном здоровье.

Неонатальный скрининг

Неонатальный скрининг — это массовое генетическое тестирование новорожденных, проводимое в первые дни жизни. Его главная цель — выявить редкие, но серьезные наследственные заболевания на досимптомной стадии, когда эффективное лечение или диетическая коррекция может предотвратить тяжелые последствия, такие как умственная отсталость, задержка развития или летальный исход.

Забор сухой капли крови из пятки проводится на тест-бланк для тандемной масс-спектрометрии и полимеразной цепной реакции.

Базовая панель неонатального скрининга.

• Фенилкетонурия (ФКУ): нарушение метаболизма аминокислоты фенилаланина, которое без диетотерапии приводит к тяжелому поражению центральной нервной системы.
• Врожденный гипотиреоз: недостаточная функция щитовидной железы, которая при отсутствии заместительной терапии вызывает задержку физического и умственного развития.
• Муковисцидоз: генетическое заболевание, поражающее легкие, поджелудочную железу и другие органы. Ранняя диагностика позволяет начать своевременное лечение.
• Адреногенитальный синдром (АГС): группа наследственных нарушений синтеза стероидных гормонов, требующих гормональной заместительной терапии.
• Галактоземия: нарушение метаболизма галактозы, ведущее к тяжелым поражениям органов и систем без специальной диеты.
• Спинальная мышечная атрофия (СМА): тяжелое наследственное заболевание нервной системы, которое в некоторых регионах включено в расширенный неонатальный скрининг для раннего начала таргетной терапии.

Ранняя верификация диагноза позволяет своевременно назначить заместительную ферментную терапию.

Фармакогенетические тесты

Фармакогенетические тесты (фармакогеномика) изучают, как генетические вариации человека влияют на его реакцию на лекарственные препараты. Основная цель этих тестов — персонализировать медикаментозное лечение, позволяя врачам выбирать наиболее эффективные препараты и их дозировки, а также минимизировать риск нежелательных побочных эффектов. Понимание генетических особенностей метаболизма лекарств помогает оптимизировать терапию.

Секвенирование выявляет аллельные варианты, меняющие метаболическую активность печеночных ферментов.

Клинические маркеры фармакогенетики.

• Антикоагулянты (например, варфарин): Полиморфизмы в генах CYP2C9 и VKORC1 влияют на чувствительность к варфарину. Генетический тест помогает подобрать оптимальную начальную дозу для снижения риска кровотечений или тромбозов.
• Антидепрессанты (например, селективные ингибиторы обратного захвата серотонина): Варианты в генах ферментов цитохрома P450 (CYP2D6, CYP2C19) могут влиять на скорость метаболизма антидепрессантов, определяя их эффективность и вероятность побочных эффектов.
• Противоопухолевые препараты (например, тиопурины при лейкемии): Мутации в гене TPMT связаны с повышенной токсичностью тиопуриновых препаратов. Тест позволяет скорректировать дозу для предотвращения тяжелых побочных эффектов.
• Противотромботические препараты (например, клопидогрел): Полиморфизмы в гене CYP2C19 могут снижать активность клопидогрела, увеличивая риск повторных сердечно-сосудистых событий. Тестирование помогает определить пациентов, которым требуется альтернативная терапия.

Данные фармакогенетики минимизируют ятрогенные осложнения.

Онкогенетические тесты

Онкогенетические тесты — это специализированные генетические исследования, направленные на выявление изменений ДНК, связанных с развитием или прогрессированием онкологических заболеваний. Они имеют две основные цели: оценить наследственную предрасположенность к раку и персонализировать лечение уже существующей опухоли.

Тесты на наследственную предрасположенность к раку (герминальные): Анализируют генетический материал (обычно из крови) на наличие унаследованных мутаций, которые значительно увеличивают риск развития определенных видов рака в течение жизни. Эти мутации присутствуют во всех клетках организма и могут передаваться по наследству.

• Рак молочной железы и яичников: мутации в генах BRCA1 и BRCA2.
• Синдром Линча (наследственный неполипозный колоректальный рак): мутации в генах MLH1, MSH2, MSH6, PMS2.
• Синдром Ли-Фраумени: мутации в гене TP53.

Носителям герминальных мутаций показано превентивное хирургическое вмешательство или усиленный скрининг.

Тесты на соматические мутации в опухоли (соматические, опухолевые): Анализируют ДНК, выделенную непосредственно из опухолевой ткани (полученной при биопсии) или из циркулирующей опухолевой ДНК (жидкая биопсия). Эти мутации возникают в течение жизни человека только в раковых клетках и не передаются по наследству.

• Выбор таргетной терапии: Выявление специфических мутаций (например, EGFR при раке легкого, BRAF при меланоме, HER2 при раке молочной железы), которые делают опухоль чувствительной к определенным таргетным препаратам.
• Прогнозирование ответа на лечение: Некоторые мутации могут указывать на вероятность ответа на химиотерапию или иммунотерапию.
• Мониторинг заболевания: Анализ циркулирующей опухолевой ДНК в крови может использоваться для отслеживания эффективности лечения и раннего выявления рецидивов.

Идентификация соматических драйверных мутаций определяет чувствительность к ингибиторам тирозинкиназ.

Сводная таблица видов тестирования.

Список литературы

1. Бочков Н.П. Клиническая генетика: учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2017. 592 с.
2. Козлова С.И., Демикова Н.С., Демикова Н.С. Наследственные синдромы и медико-генетическое консультирование: Атлас-справочник. 3-е изд. М.: Практическая медицина, 2011. 448 с.
3. Nussbaum R.L., McInnes R.R., Willard H.F. et al. Thompson & Thompson Genetics in Medicine. 9th ed. Elsevier, 2021. 768 p.
4. Richards S., Aziz N., Bale S. et al. Standards and guidelines for the interpretation of sequence variants: a joint consensus recommendation of the American College of Medical Genetics and Genomics and the Association for Molecular Pathology // Genetics in Medicine. 2015. Vol. 17, № 5. P. 405-424.
5. Turnpenny P.D., Ellard S. Emery's Elements of Medical Genetics and Genomics. 15th ed. Elsevier, 2017. 496 p.