Тест-система для преимплантационного генетического тестирования спиноцеребеллярной атаксии 1 типа

Изобретение относится к области медицины. Предложена тест-система для диагностики патогенного варианта NC_000006.11:g. 16327867-16327953 в гене ATXN1, связанного со спиноцеребеллярной атаксией 1 типа. Тест-система включает ПЦР-смесь для первого раунда амплификации и ПЦР-смесь второго раунда амплификации. Изобретение обеспечивает создание тест-системы для диагностики патогенного варианта в гене ATXN1 с двойной системой детекции - прямой и косвенной. 1 пр.

 

Изобретение относится к преимплантационному генетическому тестированию моногенных заболеваний. В настоящее время в мире насчитывается более 350 миллионов людей, страдающих редким заболеванием (по данным RARE Project). Общее количество таких заболеваний по подсчетам European Organization for Rare Diseases (EURORDIS) варьируется от 5 до 7 тысяч: При этом около 80% редких заболеваний имеют генетическую причину. Известная генетическая основа заболевания позволяет с высокой точностью предсказать не только здоровье уже родившегося ребенка, но и оценить риск рождения такого ребенка при анализе генотипов родителей, а также провести генетическую диагностику на самых ранних этапах. Преимплантационное генетическое тестирование (ПГТ) моногенного заболевания становится мощным инструментом для профилактики таких заболеваний.

Настоящее изобретение относится к способу преимплантационного генетического тестирования спиноцеребеллярной атаксии 1 типа. Спиноцеребеллярная атаксия, тип 1 - это наследственное прогрессирующее заболевание, характеризующееся атаксией, дизартрией, ухудшением бульбарных функций с манифестацией в основном после 30 лет, однако описаны и более ранние случаи. Спиноцеребеллярная атаксия, тип 1 встречается с частотой 1 на 100,000 человек в мире, однако в конкретных популяциях частота этого заболевания может быть гораздо выше, достигая частоты 46 случаев на 100,000 человек у коренного населения Якутии [Fedor A. Platonov et al., 2016]. Это заболевание приводит к нарушению походки, координации других действий, удержания баланса, затруднении глотания и речи, спастичности мышц, офтальмоплегии, иногда - к когнитивным нарушениям. Также при развитии заболевания могут появиться онемение, покалывание или боль в руках и ногах (сенсорная невропатия), неконтролируемое напряжение мышц (дистония), атрофия мышц и мышечные подергивания. Пациенты с этим заболеванием могут прожить от 10 до 30 лет после появления первых признаков. При аутосомно-доминантном типе наследования заболевания вероятность рождения ребенка с этим заболеванием в семье составляет 50%.

К заболеванию спиноцеребеллярная атаксия, тип 1 могут приводить патогенные генетические варианты в гене ATXN1, располагающемся на хромосоме 6. Этот ген кодирует белок атаксин-1, функция которого неизвестна.

Он располагается в ядре клетки, его экспрессию наблюдают во множестве тканей и органов человека. Предположительно, атаксин-1 участвует в регуляции транскрипции и процессинге мРНК. В гене ATXN1 располагается CAG повтор, экспансия которого приводит к нарушению работы гена. В норме количество блоков CAG в составе повтора не превышает 35, при увеличении количества блоков развивается заболевание. При этом полной пенетрантностью обладают повторы с количеством блоков более 39, а патогенность аллеля с 36 и более блоками также зависит от наличия CAT блоков, которые прерывают CAG-повторяемость.

ПГТ спиноцеребеллярной атаксии 1 типа проводится для семей, имеющих подтвержденную молекулярно-генетическую природу заболевания. Важно отметить, что обоснование патогенности и каузативности генетических вариантов происходит до проведения ПГТ моногенного заболевания и не входит ни цели и задачи ПГТ моногенного заболевания, ни в комплекс мероприятий по проведению ПГТ моногенного заболевания. Оценку патогенности проводят по международному стандарту - по критериям, описанным в 2015 году Американским Колледжем Медицинской генетики и Геномики (American College of Medical Genetics and Genomics-Association for Molecular Pathology (ACMG-AMP)) в ходе поиска молекулярно-генетической причины заболевания. ПГТ рекомендуется семьям с высоким риском рождения ребенка с тяжелым (неизлечимым) наследственным заболеванием с установленным патогенными вариантом, обуславливающим этот риск. ПГТ позволяет выбрать из всех эмбрионов, полученных при ЭКО (экстракорпоральном оплодотворении), эмбрионы без патогенного варианта и, следовательно, без риска развития заболевания.

Основной проблемой при генетической диагностике эмбрионов является малое исходное количество биоматериала, так как биоптат содержит от одной до трех клеток. В этом случае для повышения эффективности и точности анализа важно как полностью исключить возможность контаминации, так и нивелировать возможный эффект неравномерной и/или неполной амплификации, а также деградации биоматериала. Это требует разработки тест-системы с особыми характеристиками. При этом тест-система разрабатывается с учетом возможности использовать биоматериал разного типа - тотальную дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), выделенную из разных тканей, продукт полногеномной амплификации (Whole Genome Amplification, WGA), а также единичные клетки. Сочетание универсальности по отношению к биоматериалу с поэтапной амплификацией целевых фрагментов позволяет проводить анализ нескольких патогенных вариантов для одного образца, в том числе на единичных клетках, а также выявить ситуацию неполной амплификации, контаминации или деградации образца. Еще одной особенностью ПГТ является отсутствие информации о биологических особенностях эмбриона: в отличие от взрослого человека, у эмбриона могут быть любые хромосомные аномалии, которые усложняют задачу оценки статуса эмбриона по конкретному генетическому варианту. Поэтому тест-система для ПГТ моногенного заболевания должна давать возможность выявить такие случаи и оценить их влияние на достоверность результата диагностики.

Наиболее близкими техническими решениями могут быть методы проведения ПГТ спиноцеребеллярной атаксии 1 типа, предложенные Chun-Hua Liao и коллегами [Liao С.Н. Diagnostics (Basel). 2019;9(2):44]. Published 2019 Apr 23. doi:10.3390/diagnostics9020044] и Man Tur-Kaspa и коллегами [Tur-Kaspa I. Nat Rev Neurol. 2014 Jul; 10(7):417-24]. Однако в доступных источниках научной информации нет возможности найти подробного описания предложенной им методики, что делает невозможным сравнение эффективности этих решений с предлагаемым.

Представленный нами метод ПГТ спиноцеребеллярной атаксии 1 типа решает задачу разработки более точного способа преимплантационного генетического тестирования этого моногенного заболевания без использования дорогостоящих приборов и реагентов, который можно было бы применять на биоматериале различного типа: ДНК, выделенную из разных тканей, продукт полногеномной амплификации (WGA), единичные клетки.

Техническим результатом стало создание тест-системы для диагностики патогенного варианта (номер нуклеотидов в референсной последовательности геномной ДНК обозначен префиксом NC): NC_000006.11:g. 16327867-16327953 (экспансия CAG повторов), в гене ATXN1 с двойной системой детекции - прямой и косвенной. Такая система необходима при работе с малым количеством биоматериала, так как нестабильная амплификация может привести к потере информации или сниженной точности анализа. Связь этого патогенного варианта с заболеванием Спиноцеребеллярная атаксия 1 типа была достоверно выявлена в 1993 г. [Orr Н.Т. et al, Nat Genet 1993; 4:221-226], и впоследствии была подтверждена множеством научных работ. Прямая диагностика подразумевает анализ непосредственно наличия-отсутствия патогенного варианта. В данном случае для генетического варианта NC_000006.11:g.16327867-16327953 (экспансия CAG повторов) типа инсерция (вставка нескольких нуклеотидов, англ. Insertion ins) были подобраны праймеры, которые позволяют произвести детекцию мутации по разнице длин фрагментов с помощью капиллярного электрофореза. Косвенная диагностика заключается в анализе наследования молекулярно-генетических маркеров, сцепленных с мутацией, т.е. наследуемых вместе с ней. Для этого на расстоянии не более 3 мБ (что соответствует 3% кроссинговера в среднем) от гена ATXN1 в каждую сторону были выбраны полиморфные локусы, называемые STR (short tandem repeat -короткий тандемный повтор), с гетерозиготностью не менее 0,70 для обеспечения максимальной информативности косвенной диагностики. STR представляют собой повторы 2х и более нуклеотидов расположенные друг за другом (например пара аденин-цитозин (АЦ), повторяющаяся несколько раз подряд: АЦАЦАЦАЦ) и в большом количестве присутствуют в геноме человека. Количество повторов в каждом из них может варьироваться от индивидуума к индивидууму, а также может быть разным у одного и того же человека на 2х гомологичных хромосомах. Гетерозиготность выше 0,70 означает, что высока вероятность того, что у одного и того же человека количество повторов нуклеотидов в данном STR на одной хромосоме будет отличаться от количества повторов в этом же STR на гомологичной хромосоме, другими словами, аллели данного маркера у этого человека будут отличаться между собой по длине. При амплификации фрагмента, содержащего такой маркер, будут получены ампликоны двух разных длин. Проанализировав количество повторов в нескольких маркерах, окружающих патогенный вариант, и изучив то, как они наследуются в тестируемой семье, можно установить сцепление между аллелями маркеров и патогенным вариантом. Диагностическая ценность исследования количества повторов в данных маркерах у эмбрионов состоит в том, что по тому, какой аллель каждого из маркеров был унаследован эмбрионом, можно судить о том, унаследовал ли эмбрион ген ATXN1, несущий патогенный вариант, или же он унаследовал ген ATXN1 с другой, гомологичной хромосомы, не содержащий патогенный вариант. Для каждого из этих локусов были подобраны праймеры для амплификации по типу гнездовой или полугнездовой полимеразной цепной реакции (ПЦР) в 2 раунда, позволяющей повысить точность и эффективность амплификации. В тест-систему были включены 13 STR локусов для гена ATXN1: D6S1539, D6S1540, D6S1543.3, D6S1543, D6S1554, D6S1572, D6S1596, D6S1648, D6S1674, D6S1744, D6S1769, D6S1837, D6S1879. Праймеры для амплификации находятся на 6 хромосоме в районе координат 15392271-16906287 (в соответствии с hg19). Важно отметить, что при подборе праймеров соблюдали ряд особенных требований: длина продукта с внешними праймерами для первого раунда ПЦР не должна превышать 500 п. н. (для наработки с фрагментов, получаемых при полногеномной амплификации), длина продукта с внутренних праймеров для второго раунда ПЦР от 120 до 350 п. н., высокая специфичность внешних праймеров, температура отжига не отличается более чем на 1°С.

Подготовительный этап ПГТ

На подготовительном этапе проводится отработка тест-системы: подбор условий амплификации, оптимальных для работы праймеров, анализ эффективности и специфичности ПЦР-амплификации в обоих раундах, оценки универсальности тест-системы для биообразцов различного типа (ДНК, продукт WGA, единичные клетки). При отработке тест-системы были приготовлены стоковые разведения праймеров с концентрацией 100 гпМ, и рабочие разведения комбинаций праймеров (комбинация пар праймеров для 1 и 2 раунда ПЦР) с концентрацией 10 тМ каждого праймера в растворе. Так как в рамках диагностики клинического материала могут быть использованы различные типы матриц, при отработке тест-системы были использованы две биопсии единичных клеток, находящихся в специальном лизирующем буфере (1*PCR Buffer, 0,1% Tween-20, 0,1% Triton X-100, 1 мкг Proteinase К), два образца продуктов полногеномной амплификации биопсиий эмбриона (WGA), а также тотальной ДНК членов семьи, выделенной из крови, для составления родословной и выявления сцепления патогенного варианта с аллелями полиморфных маркеров.

В рамках гнездовой и полугнездовой ПЦР амплификация проводится в два этапа. На первом этапе проводится мультиплексная ПЦР со всеми внешними праймерами для всех локусов, входящих в тест-систему, для обогащения образца всеми целевыми фрагментами. На втором этапе проводится индивидуальная амплификация каждого фрагмента с внутренними праймерами.

Полугнездовая ПЦР

Для первого этапа были подобраны внешние высокоспецифичные праймеры для амплификации фрагментов от 300 до 500 п. н. Для второго этапа были подобраны праймеры для амплификации фрагментов длиной не более 350 пар оснований, а также были введены метки для детекции методом фрагментного анализа. ПЦР-смесь для первого раунда амплификации содержала 1×PCR Buffer with Mg2+ (Евроген, Россия), 0.1 mM каждого деоксинуклеотида, 0.15 рМ каждого праймера, 2,5 U/μl of HsTaq DNA-polymerase (Евроген, Россия), 6% of DMSO и 1 мкл тотальной ДНК или 2,5 мкп WGA или 5 мкл лизирующего буфера с образцом в качестве матрицы. Первый этап амплификации проводился по следующему протоколу: этап денатурации 94°С в течение 2 минут, 30 циклов с понижением температуры отжига праймеров с 62 до 45°С в каждом, этап достройки всех матриц 72°С 10 минут. Далее продукты 1-ого этапа были разнесены в индивидуальные пробирки с одной парой праймеров на определенный локус.

В состав ПЦР смеси для второго этапа входили 1×PCR буфер с Мg2+ (Евроген, Россия), 0.5×RediLoad™ загрузочный буфер (Thermo Fisher Scientific, USA), 0.2 mM каждого деоксинуклеотида, 0.2 рМ каждого праймера, 1U/pl ДНК полимеразы HsTaq (Евроген, Россия), 6% диметилсульфоксида (DMSO) и 1 pi ПЦР-продукта первого этапа амплификации в качестве матрицы. Второй этап амплификации проводился по следующему протоколу: этап денатурации 95°С в течение 2 минут, 35 циклов: денатурация 95°С 30 секунд, отжиг праймеров - 57°С 30 секунд, синтез матрицы - 72°С 1 минута, этап достройки всех матриц 72°С 5 минут. Оценку эффективности и специфичности амплификации проводили с помощью электрофореза в 2% агарозном геле. Результат электрофореза в агарозном геле позволяет определить необходимую степень разведения продуктов амплификации для нанесения на фрагментный анализ (продукты амплификации ДНК членов семьи).

Фрагментный анализ продуктов амплификации проводили с помощью капиллярного электрофореза на приборе 3130×1 Genetic Analyzer (Applied Biosystems, USA). По результатам фрагментного анализа составляется родословная и отмечаются информативные полиморфные STR-локусы для каждой семьи, которые в дальнейшем будут использованы в клинической диагностике. Локусы делятся на неинформативыне (носитель патогенного варианта гомозиготен по этому локусу), полуинформативные (на некоторых и родительских хромосом аллели по этому маркеру совпадают), информативные (на всех хромосомах родителей аллели этого маркера разные, что дает возможность отличить каждую из них при анализе генотипа эмбриона). Детекция патогенного варианта NC_000006.11:g.16327867-16327953 (экспансия CAG повторов), проводилась с помощью праймеров для амплификации: Внешние праймеры:

Пример 1

Пациенты А

В ЦГРМ Генетико обратилась семья А, в которой родился ребенок с заболеванием спиноцеребеллярная атаксия, тип 1 с гетерозиготным носительством патогенного варианта NC_000006.11:g. 16327867-16327953 (экспансия CAG повторов), в гене ATXN1. Паре было рекомендовано проведение ПГТ заболевания спиноцеребеллярная атаксия, тип 1 в рамках ЭКО для отбора эмбрионов, не унаследовавших заболевание.

Гаплотипирование семьи

На первом этапе был получен биоматериал (периферическая кровь) членов семьи для детекции патогенного варианта и выявления групп сцепления аллелей полиморфных маркеров. Было проанализировано 13 STR локусов. Из них 8 оказались информативными по матери и/или отцу. Таким образом, образцы эмбрионов тестировались только на информативные маркеры. Полученные результаты по информативным маркерам (аллели, указанные с одной стороны от символа «/», для разных маркеров располагаются на одной хромосоме, то есть составляют группу сцепления): партнер пациентки (носитель патогенного варианта): D6S1540 - 252/240, D6S1554 - 207/202, D6S1572 - 283 /290, ATXN1 - 271 (49)/220 (33), D6S1674 - 182/180, D6S1690 - 255/253, D6S1769 - 205/207, D6S1837 -274/268, D6S1879 - 225/215; пациентка: D6S1540 - 233/231, D6S1554 - 202/204, D6S1572 - 295/304, ATXN1 - 209 (29)/215 (31), D6S1674 - 182/176, D6S1690 -255/257, D6S1769 - 205/211, D6S1837 - 272/277, D6S1879 - 229/225; ребенок партнера пациентки без заболевания: D6S1540 - 240/231, D6S1554 - 202/202, D6S1572 - 290/290, ATXN1 - 221 (33 CAG)/ 210 (29 CAG), D6S1674 - 180/182, D6S1690 - 253/257, D6S1769 - 207/205, D6S1837 - 268/272, D6S1879 - 215/225; ребенок пациентки без заболевания: D6S1540 - 231/233, D6S1554 - 202/202, D6S1572 - 290/295, ATXN1 - 216 (31 CAG)/ 210 (29 CAG), D6S1674 - 176/182, D6S1690 - 257/255, D6S1769 - 211/205, D6S1837 - 277/272, D6S1879 - 225/229.

В результате гаплотипирования был сделан вывод, что у партнера пациентки с патогенным вариантом были связаны следующие аллели STR-маркеров: D6S1540 - 252, D6S1554 - 207, D6S1572 - 283, D6S1674- 182, D6S1690 -255, D6S1769 - 205, D6S1837 - 274, D6S1879 - 225.

Преимплантационное генетическое тестирование

В цикле ЭКО было получено 2 эмбрионов, проведена биопсия на 5 день развития (в клинике ЭКО), биоптат в буфере для WGA (1xPBS (Invitrogen, США), 1% поливинилпирролидона (PVP) (Fertipro, Бельгия)) направлен в лабораторию «Генетико». Для контроля контаминации на разных этапах работы с образцом в лаборатории разработана система контролей: контроль контаминации буфера для биопсии, контроль контаминации при транспортировке (одна пробирка с буфером не открывается эмбриологом), контроль контаминации каждого образца (проба среды из последней отмывочной капли биопсиийного материала). Все эти контроли вместе с образцами проходят этап полногеномной амплификации, после которого будет заметно малейшее количество ДНК, контаминировавшей контроли. Полногеномную амлификацию проводили с помощью коммерческого набора SurePlex (lllumina, США).

Продукт полногеномной амплификации, а также ДНК всех членов семьи амплифицировали на 1 этапе в мультиплексной ПЦР с праймерами для детекции патогенного варианта и праймерами для информативных для семьи А полиморфных маркеров в соответствии с разработанным в рамках подготовительного этапа протоколом для тест-системы. На 2 этапе амплификацию проводили для каждого маркера отдельно в соответствии с разработанным протоколом для тест-системы. Таким образом были установлены группы сцепления, унаследованные каждым эмбрионом. Полученные результаты: эмбрион 1: D6S1540 - 252/231, D6S1554 - 207/204 D6S1572 - 283/304, ATXN1 -271(49)/215(31) D6S1674 - 182/176, D6S1690 - 255/ADO D6S1769 - 205/ADO, D6S1837 - FA D6S1879 - 225; эмбрион2: D6S1540 - 252/231, D6S1554 - 207/204, D6S1572 - 283/304, ATXN1 - 265(47)/215(31), D6S1674 - 182/176, D6S1690 -255/257, D6S1769 - 205/211, D6S1837 - 274/277, D6S1879 - 225.

По результатам прямой и косвенной диагностики у обоих эмбрионов выявлен гаплотип, соответствующий унаследованному заболеванию, и они не были рекомендованы к переносу.

Перечень последовательностей праймеров:

Тест-система для диагностики патогенного варианта NC_000006.11:g. 16327867-16327953 в гене ATXN1, связанного со спиноцеребеллярной атаксией 1 типа, с двойной системой детекции - прямой и косвенной, включающая ПЦР-смесь для первого раунда амплификации, содержащая 1xPCR буфер с Mg2+, 0,1 mM каждого дезоксинуклеотида, 0,15 μM каждого праймера, 2,5 U/μl ДНК полимеразы HsTaq, 6% диметилсульфоксида (DMSO) и 1 мкл тотальной ДНК или 2,5 мкл WGA или 5 мкл лизирующего буфера с образцом в качестве матрицы, ПЦР смесь второго раунда амплификации, содержащая 1xPCR буфер с Mg2+, 0,5xRediLoad загрузочный буфер, 0,2 mM каждого дезоксинуклеотида, 0,2 μM каждого праймера, 1 U/μl ДНК полимеразы HsTaq, 6% DMSO и 1 μl ПЦР-продукта первого этапа амплификации в качестве матрицы, причем детекцию патогенного варианта проводят с помощью праймеров для амплификации:

Внешние праймеры:

5'-GTGTGTGGGATCATCGTCT-3' (Fout)

5'-AATACAGTGGAACCTATGCCA-3' (Rout)

Внутренние праймеры:

5'-AACTGGAAATGTGGACGTACT-3' (fin)

5'-СAACATGGGCAGTCTGAG-3' (rin),

а праймеры для локусов представляют собой SEQ ID N1-41.