ДНК как улика

В организме человека постоянно умирают от естественных причин клетки, и их ДНК попадает в кровь. В случае патологических процессов и травм так называемой циркулирующей ДНК в плазме крови становится еще больше. Сразу несколько исследовательских групп сейчас занято разработкой методов анализа, которые по фрагментам ДНК из крови человека могли бы определять, какие ткани его организма повреждены.

Некоторые виды подобной диагностики уже нашли клиническое применение. С 2011 года медики способны определять синдром Дауна у эмбриона, по фрагментам его ДНК в крови беременной женщины (о применении этого метода можно прочитать в опубликованном ранее интервью с заведующим лабораторией геномики и эпигеномики позвоночных Центра «Биоинженерия» РАН Егором Прохорчуком).

В онкологии по наличию в крови фрагментов ДНК, содержащей вызвавшую опухоль мутацию, медики контролируют успешность лечения. Сейчас ученые надеются применить исследование циркулирующей ДНК и для ранней диагностики опухоли. Идея применить анализ неклеточной ДНК в крови для диагнозов в онкологии возникла в ходе применения этого метода в диагностике генетических аномалий эмбриона. Тесты часто настроены на выявление нечетного количества хромосом в какой-то паре. Например, при синдроме Дауна в геноме больного дополнительная третья хромосома содержится в 21-й паре. Однако ученые обнаружили, что у некоторых матерей тесты показывали нечетное количество хромосом в определенной паре, но эмбрион при этом оказывался здоровым и не имеющим данной генетической аномалии. Оказалось, что у многих из этих женщин имелись опухоли на ранней стадии. Для опухолевых клеток часто характерна хромосомная нестабильность, например утроение хромосом. Когда клетки опухоли гибнут под воздействием иммунной системы организма, фрагменты их ДНК попадают в кровь, и их становится возможным обнаружить. Об этом открытии мы рассказывали в особом очерке.

Несколько подобных методик подготовлены, но пока нуждаются в более масштабных клинических испытаниях. К тому же им надо выдержать конкуренцию с методами диагностики, основанными на выявлении в крови гормонов, метаболитов и других негенетических молекул. Юваль Дор (Yuval Dor) и его коллеги из Еврейского университета в Иерусалиме недавно опубликовали результаты, которые позволяют использовать такой метод для выявления рака поджелудочной железы, диабета первого типа, рассеянного склероза и черепно-мозговых травм. Две другие команды ученых независимо друг от друга разрабатывают методы диагностики различных видов рака.

Чтобы определить происхождение циркулирующей ДНК, сейчас предлагается использовать так называемый паттерн метилирования. К любой молекуле ДНК в организме присоединяются метильные группы, с помощью которых в клетке регулируется активность генов. Распределение метильных групп специфично для каждого типа клеток. Поэтому выловив из плазмы крови фрагменты ДНК с определенным расположением метильных групп, можно установить, из каких клеток происходит эта молекула ДНК, а значит и определить, где происходит патологический процесс.

В октябре 2015 года группа исследователей во главе с профессором Деннисом Ло (Dennis Lo) из Китайского университета Гонконга сообщила в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, что им удалось выявить отличительные закономерности в циркулирующих фрагментах ДНК. Например, у больных раком печени исследователи наблюдали рост циркулирующей ДНК, которая происходит из погибших гепатоцитов – клеток печени. Недостатком метода Ло и его коллег оказывается то, что в нем используется полногеномный анализ метилирования, стоимость которого сейчас превышает 1000 долларов за образец.

На этой неделе в том же журнале Proceedings of the National Academy of Sciences команда во главе с Ювалем Дором, специалистом по метилированию ДНК Рут Шемер из Еврейского университета в Иерусалиме и эндокринологом Бенджамином Глейзером из Медицинского центра Хадасса предложила потенциально более простой и дешевый подход. Они использовали уже установленные паттерны метилирования различных тканей, чтобы выбрать из метилированных участков генома такие, которое могут стать уникальным признаком для данной ткани, своеобразным «отпечатком пальца». Ученые сообщают, что при исследовании циркулирующей ДНК и определении в ней данных участков у людей с сахарным диабетом первого типа они обнаружили доказательства гибели бета-клеток. Именно эти клетки печени вырабатывают инсулин, который снижает уровень глюкозы в крови. Характерные признаки в циркулирующей ДНК исследователи выявили у всех 11 больных, принявших участие в эксперименте.

Данный метод может быть применен для заблаговременного скриннига людей с высоким риском развития диабета первого типа (например, имеющих генетическую предрасположенность к данному заболеванию). Он будет способен установить диагноз достаточно рано, пока поджелудочная железа больного еще не настолько сильно повреждена, чтобы уровень сахара в крови повысился.

В другом эксперименте той же группы израильских ученых по фрагментам внеклеточной ДНК удалось подтвердить диагноз рассеянный склероз у 14 из 19 пациентов. Анализ позволил определить по паттерну метилирования, что фрагменты ДНК принадлежали олигодендроцитам – клеткам нервной системы, которые разрушаются при данной болезни. Также тест выявляет гибель клеток мозга после черепно-мозговой травмы или временной остановки сердца. Рак поджелудочной железы авторы исследования смогли определить у половины из 42 пациентов. Они оказались способными даже отличить случаи рака от панкреатита, который тоже повышает уровень ДНК гепатоцитов в крови. Для этого использовалась специфическая для рака мутация.

Метилирование ДНК оказалось не единственным ключом к происхождению фрагментов ДНК из крови. В январе группа ученых из Университета штата Вашингтон в Сиэтле опубликовала в журнале Cell описание метода, где такая задача решается при помощи анализа способов упаковки ДНК в структуры, которые называются нуклеосомами. Специальный фермент связывает спиральную цепочку ДНК, формируя «клубки», которые оказываются специфичными для различных тканей организма. На данный момент ученые смогли поставить правильный диагноз по форме нуклеосом внеклеточной ДНК трем из пяти больных с поздними стадиями рака.

Ряд ученых скептически относятся к возможностям диагностики рака по циркулирующей в крови ДНК. Такой диагноз был бы ценным на ранних стадиях, но тогда в крови находится еще слишком малое количество соответствующей ДНК. На поздних стадиях, когда ДНК в плазме крови становится достаточно, болезнь легче выявить другими средствами. Однако надо заметить, что еще совсем недавно и диагностика синдрома Дауна по фрагментам ДНК плода в крови матери казалась фантастикой, а сейчас эта процедура ежегодно используется для тысяч женщин.