Zastosowanie techniki RFLP w diagnostyce molekularnej
Transkrypt
Zastosowanie techniki RFLP w diagnostyce molekularnej
&ARM0RZEGL.AUK :ASTOSOWANIETECHNIKI2&,0WDIAGNOSTYCEMOLEKULARNEJ 2ESTRICTIONFRAGMENTSLENGTHPOLYMORPHISM;2&,0=ANALYSIS INMOLECULARDIAGNOSTICS %WA-ORIC*ANISZEWSKA,UDMIA7ÃGLARZ +ATEDRAI:AKAD"IOCHEMII7YDZIA&ARMACEUTYCZNYZ/DDZIAEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOWCU gLSKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH Streszczenie Abstract Odkrycie struktury i wyjaśnienie mechanizmu replikacji DNA stało się podstawą dynamicznego rozwoju genetyki, a w konsekwencji opracowania molekularnych podstaw wielu chorób dziedzicznych oraz sposobów ich diagnozowania w oparciu o analizę genetyczną. Jedną z technik wykorzystywanych w diagnostyce molekularnej jest RFLP, czyli analiza polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych. W przedstawionej pracy opisano przykłady zastosowania techniki RFLP w diagnostyce molekularnej choroby Hashimoto (polimorfizm genu CTLA-4), reumatoidalnego zapalenia stawów (polimorfizm genu interleukiny-6), samoistnego migotania przedsionków (polimorfizm genu MinK), hiperhomocysteinemii (polimorfizm genu reduktazy metylenotetrahydrofolianowej), dystrofii mięśniowej typu Duchenne’a (polimorfizm genu DMD), w diagnostyce chorób bakteryjnych (infekcja wywołana Helicobacter pylori i Campylobacter jejuni) i wirusowych (HPV- Human Papilloma Virus) oraz w ustalaniu ojcostwa. Discovery of DNA structure and replication initiated a dynamic progress in molecular genetics and led to the elaboration of molecular bases of inherited diseases and methods of their diagnosis. One of the techniques used in molecular diagnostics is the analysis of restriction fragments length polymorphism- RFLP. In this paper we describe some examples of application of RFLP in molecular diagnosis of Hashimoto disease (polymorphism of CTLA-4 gene), rheumatoid arthritis (polymorphism of interleukine-6 gene), atrial fibryllation (polymorphism of MinK gene), hyperhomocysteinemia (polymorphism of methylenetetrahydrofolate reductase gene), Duchenne muscular dystrophy (polymorphism of DMD gene), and also in diagnosis of bacterial infections caused by Helicobacter pylori and Campylobacter jejuni and of viral infections (HPV-Human Papilloma Virus]. The application of RFLP in affiliate is also described. Słowa kluczowe: diagnostyka molekularna, fragmenty restrykcyjne, analiza RFLP, polimorfizm genetyczny, enzymy restrykcyjne Wstęp Odkrycie struktury i wyjaśnienie mechanizmu replikacji DNA przez Jamesa Watsona oraz Francisa Cricka w 1953 roku stało się podstawą dynamicznego rozwoju genetyki, a w konsekwencji rozpracowania molekularnych podstaw wielu chorób dziedzicznych oraz sposobów ich diagnozowania w oparciu o analizę genetyczną. Jedną z technik wykorzystywanych w diagnostyce molekularnej jest RFLP, czyli analiza polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych. Metoda RFLP polega na identyfikacji różnic długości (polimorfizmu) fragmentów DNA powstających na skutek działania enzymu restrykcyjnego z grupy endonukleaz, na badany DNA. Rozpoznawana sekwencja o długości od 4 do 8 par zasad (pz) ma zwykle charakter symetryczny. W zależności od liczby miejsc restrykcyjnych w DNA i odległości między nimi uzyskuje się określoną liczbę fragmentów restrykcyjnych o odpowiedniej długości. Zastosowanie techniki RFLP ma na celu wykrywanie polimorfizmów oraz Key words: molecular diagnostics, restriction fragments, RFLP analysis, genetic polymorphism, restriction enzymes mutacji w analizowanym materiale genetycznym. Gdy mutacja występuje w obrębie miejsca restrykcyjnego, jej konsekwencją jest zanik lub pojawienie się dodatkowego miejsca restrykcji, w zależności od typu mutacji. Uwidacznia się to w postaci zmienionej liczby fragmentów w analizowanym DNA. Gdy mutacja nie dotyczy miejsca restrykcyjnego i ma charakter dużej (powyżej 50 pz) insercji lub delecji, można ją wykryć na podstawie zmienionej długości fragmentu, w obrębie którego miała miejsce. Zaletą analizy jest fakt, iż można ją przeprowadzić na nawet bardzo niewielkiej ilości DNA uzyskanego z materiału biologicznego [1, 2]. Przykłady wykorzystania techniki RFLP w diagnostyce genetycznej Przykładem wykorzystania metody RFLP jest poszukiwanie związku występowania polimorfizmu w genie CTLA-4 z rozwojem choroby Hashimoto. CTLA-4 jest ważną cząsteczką regulatorową występującą na powierzch- COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. ni limfocytów T, która bierze udział w interakcji między nim i komórką prezentującą antygen. Genetycznie uwarunkowane zaburzenie ekspresji lub funkcji CTLA-4 wywołuje zwiększoną aktywację limfocytów T i prowadzi do rozwoju chorób o podłożu autoimmunologicznym. Dotychczas opisano 3 polimorfizmy związane z genem CTLA-4, z których znaczenie czynnościowe ma polimorfizm kodonu 17 w obrębie tego genu. Zamiana adenozyny na guaninę w pozycji 49 prowadzi do zastąpienia treoniny przez alaninę w wiodącej sekwencji aminokwasowej produktu białkowego genu CTLA-4, która pełni funkcję peptydu sygnałowego kierującego białko do siateczki endoplazmatycznej. Badania przeprowadzone prze Kucharską i wsp. [3] miały na celu ustalenie częstości występowania polimorfizmu A49G w CTLA-4 u 30 dzieci z rozpoznaną chorobą Hashimoto w porównaniu do grupy kontrolnej, którą stanowiło 38 dzieci bez stwierdzonych chorób o podłożu autoimmunologicznym oraz z prawidłową czynnościowo tarczycą. Analiza profili restrykcyjnych produktu amplifikacji fragmentu genu CTLA-4 poddanego trawieniu enzymem BbvI ujawniła obecność jednego prążka charakterystycznego dla homozygot A/A; dwóch prążków charakterystycznych dla homozygot G/G oraz trzech prążków charakterystycznych dla heterozygoty A/G. W grupie dzieci z chorobą Hashimoto, z częstością znamienną statystycznie w stosunku do grupy kontrolnej, występowały homozygoty z rzadkim allelem G/G(Ala/Ala). Polimorfizm genu CTLA-4 w pozycji 49 eksonu 1, w którym znajduje się kodon 17, jest uważany za jeden z głównych czynników genetycznych niezależnych od HLA, predysponujących do wystąpienia chorób o podłożu autoimmunologicznym. Wyniki powyższych badań potwierdzają związek występowania polimorfizmu A49G genu CTLA-4 z występowaniem choroby Hashimoto w populacji polskich dzieci [3]. Technikę RFLP zastosowano również do zbadania wpływu polimorfizmu genu kodującego interleukinę-6 (IL-6) na skuteczność leczenia chorych na reumatoidalne zapalenie stawów (RZS) metotreksatem i prednizonem. RZS jest przewlekłą chorobą zapalną, w patogenezie której istotną rolę odgrywają liczne cytokiny. Jedną z nich o działaniu prozapalnym jest IL-6. Zwiększona synteza tej cytokiny u chorych na RZS uważana jest za jedną z przyczyn nasilenia objawów choroby. Podwyższone stężenia IL-6 obserwowano w surowicy i płynie stawowym u chorych z RZS [4]. Zidentyfikowano kilka polimorfizmów w obrębie genu IL-6 wpływających na ekspresję tej cytokiny. Stwierdzono, że genotyp GG polimorfizmu w pozycji 174 w obrębie promotora genu IL-6 koreluje ze zwiększoną syntezą tej cytokiny. W związku z tym zbadano wpływ zidentyfikowanego polimorfizmu na efekty terapeutyczne w grupie chorych na RZS leczonych metotreksatem i prednizonem. Badaniami objęto 70 osób, z których część stanowili chorzy, u których osiągnięto remisję objawów choroby po stosowanej terapii, a grupę drugą stanowili chorzy bez stwierdzonej remisji. W wyniku przeprowadzonej analizy z wykorzystaniem RFLP stwierdzono, że częstość występowania objawów remisji była istotnie statystycznie mniejsza u nosicieli genotypu GG w porównaniu z pacjentami o genotypach GC i CC, co sugeruje, że polimorfizm genu IL-6 może warunkować skuteczność leczenia metotreksatem i prednizonem chorych na RZS [4]. Kolejnym przekładem zastosowania techniki RFLP w diagnostyce klinicznej były badania dotyczące występowania polimorfizmów w genie MinK związanych z patogenezą migotania przedsionków (AF, ang. atrial fibrillation). AF jest najczęstszą postacią złożonych zaburzeń serca. Szczególną postać stanowi samoistne AF (ang. lone atrial fibrillation) występujące u 2-31% chorych ze stwierdzoną arytmią. Dotychczas zidentyfikowano 7 lokalizacji chromosomowych oraz opisano kilka mutacji i polimorfizmów prowadzących do rozwoju migotania przedsionków. Polimorfizm genu MinK ma wpływ na funkcję białka podjednostki β kanału potasowego Iks, który pełni istotną rolę podczas repolaryzacji. Analiza restrykcyjna genu MinK pozwoliła na określenie związku polimorfizmu G38S w tym genie z występowaniem samoistnego AF i na ocenę tego polimorfizmu jako genetycznego markera podatności na AF. Badaniem objęto grupę 69 chorych z samoistnym AF oraz 60 osób bez występującej arytmii jako grupę kontrolną. W wyniku analizy restrykcyjnej z zastosowaniem enzymu HindIII otrzymano dwa produkty: jeden o długości 500 pz – forma alleliczna S, drugi o długości 300 pz odpowiadający formie allelicznej G. Stwierdzono znacznie częstsze występowanie allelu G w grupie osób z AF w porównaniu z grupą kontrolną. W grupie osób z AF najczęściej występował genotyp GS, następnie GG i najrzadziej genotyp SS. Uzyskane obserwacje wskazały, że obecność genotypu GG związana była z ponad 10-krotnym, wzrostem zagrożenia występowania AF, natomiast obecność allelu S genu MinK może spełniać kryteria czynnika ochronnego przed postępowaniem arytmii. W oparciu o wyniki powyższych badań wnioskowano, że polimorfizm G38S genu MinK prawdopodobnie jest związany z samoistnym AF i może być zastosowany jako potencjalny genetyczny marker zagrożenia występowania samoistnego AF [5]. Metodę PCR-RFLP zastosowano również do oceny polimorfizmu genu reduktazy metylenotetrahydrofolianowej (MTHFR) uczestniczącej w przemianie homocysteiny (Hcy) do metioniny. Gen MTHFR jest zbudowany z 11 eksonów o wielkości od 102 do 432 pz oraz 10 intronów o wielkości od 250 pz do 1,5 kilo par zasad (kpz). Wielkość trzeciego intronu obejmuje 4,2 kpz. Badania nad genem MTHFR doprowadziły do identyfikacji rzadko występujących mutacji, które prowadzą do bloku metabolicznego u homozygot, co wiąże się z hiperhomocysteinemią wysokiego stopnia. Obecnie opisano 24 mutacje prowadzące do akumulacji homocysteiny we krwi. W genie tym zidentyfikowano również kilka polimorfizmów, z których najlepiej zbadane pod względem wpływu na aktywność produktu białkowego są: tranzycja C677T występująca w eksonie 4 i transwersja A1298C w eksonie 7. Szczegółowe badania zależności między genotypem MTHFR a aktywnością enzymatyczną produktu białkowego wykazały, że najniższa aktywność i największa termolabilność enzymu występuje u homozygot oraz u mieszanych heterozygot polimorficznych alleli. Wysoka aktywność reduktazy metylenotetrahydrofolianowej warunkuje sprawny metabolizm Hcy, zabezpieczający śródbłonek naczyń krwionośnych przed niekorzystnym oddziaływaniem zarówno Hcy, jak i związków powstających z tego aminokwasu jako produkty alternatywne. Wysoki poziom Hcy we krwi uwarunkowany występowaniem polimorficznych odmian genu MTHFR sprzyja oksydacyjne- &ARM0RZEGL.AUK mu uszkodzeniu, zapaleniu i dysfunkcji śródbłonka naczyń i stanowi niezależny czynnik ryzyka rozwoju miażdżycy i chorób sercowo-naczyniowych. Zastosowanie metody PCR-RFLP do określenia polimorfizmu genu MTHFR pozwoliło na dokładne oznaczenie genotypów osób z tętniakiem aorty brzusznej i ich porównanie z genotypami grupy kontrolnej. W analizie RFLP wykorzystano enzymy restrykcyjne HindIII oraz MboII. Analiza asocjacji między polimorfizmami C677T i A1298C genu MTHFR a tętniakiem aorty brzusznej została wykonana dla 63 chorych i 74 osób grupy kontrolnej losowo wybranych z populacji polskiej. W grupie 63 chorych z tętniakiem aorty brzusznej stwierdzono znamienne statystycznie podwyższenie częstości występowania allelu 677T MTHFR w stosunku do odpowiednich częstości w grupie populacyjnej. Częstość występowania allelu 1298C MTHFR w grupie osób chorych była wyższa od częstości stwierdzonej w kontrolnej grupie populacyjnej [6, 7]. Postępująca dystrofia mięśniowa typu Duchenne’a (DMD) jest chorobą genetyczną powodującą upośledzenie ruchu i bardzo często paraliż kończyn, szczególnie kończyn dolnych. Objawy choroby występują u osób, które mają tylko jeden defektywny gen kodujący dystrofinę. Przykładem zastosowania techniki PCR-RFLP w odniesieniu do tej jednostki chorobowej jest analiza regionu pERT87-15 genu DMD przy udziale enzymu restrykcyjnego XmnI. W obrębie amplifikowanego fragmentu zidentyfikowano dwa miejsca rozpoznawane przez ten enzym: jedno stanowi marker RFLP, drugie występuje w całej populacji i dlatego jest wykorzystywane jako kontrola trawienia enzymatycznego [8]. W prowadzonych badaniach określa się również nosicielstwo dystrofii mięśniowej Duchenne’a. W tym celu analizie poddaje się fragment genu DMD obejmujący część 3’ intronu 16 i ekson 17, który wykazuje naturalny polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych. Polimorficzne miejsce w intronie 16 genu DMD jest rozpoznawane przez endonukleazę restrykcyjną TaqI. Produktami trawienia endonukleazą są allele o dwóch wielkościach, tj. allel TagI(-) – 416 pz oraz allel TagI(+) z dwoma prążkami o długościach 182 pz i 234 pz. Obecność allelu TaqI (-) jest sprzężona z mutacją prowadzącą do choroby [9]. Metodę RFLP wykorzystuje się również do detekcji infekcji bakteryjnych, jak również do oceny skuteczności stosowanej terapii przeciwko określonym czynnikom patogennym. Przykładem jest wykrywanie zakażenia wywołanego Helicobacter pylori skutkującego chorobą wrzodową i ocena efektów terapii z zastosowaniem kloritromycyny, omeprazolu i omoksycyliny. Analizie restrykcyjnej z wykorzystaniem enzymów restrykcyjnych Sau3A i Hhal poddano próbki DNA, izolowane z bioptatów żołądka 72 zainfekowanych osób przed i po terapii. W wyniku amplifikacji fragmentu genu ureC (820pz) uzyskano 42 różne profile RFLP z preparatów pochodzących od pacjentów przed terapią i 17 wzorów dla próbek pobranych od chorych po zakończonej terapii. Analiza wzorów polimorficznych RFLP przed i po kuracji pozwoliła na określenie liczby osób podatnych i opornych na terapię wyżej wymienionymi lekami [10]. Kolejnym przykładem zastosowania techniki RFLP są badania dotyczące mutacji związanej z opornością pałeczek Campylobacter jejuni na fluorochinolony. Mikroaerofilne pałeczki C. jejuni są w wielu krajach najczęściej izolowanym czynnikiem etiologicznym bakteryjnych zakażeń przewodu pokarmowego występujących w populacji ludzkiej. Drobnoustroje te wywołują odzwierzęcą chorobę zakaźną zwaną kompylobakteriozą, przebiegającą najczęściej pod postacią zapalenia żołądkowo-jelitowego lub zapalenia jelit. W zakażeniach pałeczkami Campylobacter u osób dorosłych stosowane są fluorochinolony. Leki z tej grupy działają na gyrazę DNA( topoizomeraza II) oraz topoizomerazę IV. Enzymy te kontrolują przestrzenną konformację DNA bakterii, a także biorą udział w procesie jego replikacji. Zablokowanie aktywności tych enzymów prowadzi do zahamowania replikacji DNA i śmierci komórki bakteryjnej. Oporność bakterii na fluorochinolony ma najczęściej podłoże chromosomalne i jest wynikiem punktowych mutacji w genach kodujących gyrazę i/lub topoizomerazę IV, co powoduje zmiany w tych białkach i zmniejszenie powinowactwa do fluorochinolonów. Celem badań prowadzonych przez Wardak i wsp. [11] było określenie częstości występowania mutacji w kodonie 86 genu gyrA kodującym podjednostkę gyrazy DNA u C. jejuni. Pałeczki tej bakterii wrażliwe na ciprofloksacynę posiadają sekwencję nukleotydową rozpoznawaną przez enzym RsaI, natomiast szczepy z mutacją w kodonie 86 genu gyrA powodującą zamianę treoniny na izoleucynę, takiej sekwencji nie posiadają. Przebadano 65 szczepów pałeczek C. jejuni i stwierdzono, że wszystkie szczepy oporne na ciprofloksacynę posiadały punktową mutację w kodonie 86, natomiast szczepy wrażliwe na ten lek nie posiadały tej mutacji [11]. Metoda RFLP może być również stosowana do wykrywania infekcji wirusowych, np. wywołanych wirusem HPV (Human Papilloma Virus). HPV jest powszechnym, przenoszonym drogą płciową patogenem, który jest przyczyną złośliwych nowotworów szyjki macicy. DNA tego wirusa wykrywa się mniej więcej u 10% wszystkich chorych na ten nowotwór. Dotychczas zidentyfikowano ponad 77 różnych typów HPV. Metoda RFLP umożliwia identyfikację typu i podtypu wirusa oraz wykrywanie nowych, zatem może być stosowana w profilaktyce raka szyjki macicy, a także w celu analizowania ewolucji wirusowego DNA. W badaniach przeprowadzonych metodą „Southern Blotting” w odniesieniu do próbek zawierających wymaz z szyjki macicy pochodzących od 177 kobiet wybrano te zawierające wirusowy DNA, który poddano trawieniu różnymi enzymami restrykcyjnymi (BamHI; HaeIII; HinfI; PstI i RsaI). Po zsekwencjonowaniu otrzymanych produktów RFLP i porównaniu ze sobą uzyskanych profili możliwa była identyfikacja typu wirusa. Typ onkogenny HPV 16 zidentyfikowano u 40,9% badanych, typy HPV 53 i HPV 58 u 13,6% przypadków, podobnie jak w typach mieszanych infekcji HPV [12]. Technika PCR-RFLP stosowana jest również do ustalenia ojcostwa pozwanego w oparciu o badania rodzinne, kiedy nie dysponuje się jego profilem genetycznym. W tym celu wykorzystuje się połączenie metody RFLP z analizą STR (ang. short tandem repeat), tj. analizą oligonukleotydowych, tandemowych powtórzeń występujących w ilości 5-100 kopii o długości od 2 do 6 pz w pojedynczym locus. Badanie z zastosowaniem analizy STR i RFLP pozwala na potwierdzenie ojcostwa z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością > 99.999%. Analizę minisatelitarnego DNA prowadzi się w oparciu o technikę RFLP stosując restrykcję COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. enzymem HinfI oraz hybrydyzację z sondami do pojedyńczego loci (SLP). W przedstawionych przez autorów badaniach zastosowano zestaw 7 markerów RFLP-SLP oraz 15 markerów STR. Łączna analiza 7 układów RFLP-SLP wykazała prawdopodobieństwo ojcostwa wynoszące 99.72% [13]. Piśmiennictwo 1. Nathans D, Smith HO. Restriction endonucleases in the analysis and restructuring of DNA molecules. Ann Rev Biochem 1975; 44: 273-293. 2. Słomski R. Wykrywanie mutacji i polimorfizmów metodą PCR-RFLP. Przykłady analizy DNA. Praca zbiorowa. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu 2004; 90-95. 3. Kucharska AM, Wiśniewski A, Rymkiewicz-Kluczyńska B. Występowanie polimorfizmu w pozycji 49 eksonie 1 genu CTLA-4 u dzieci z chorobą Hashimoto. Endokrynologia, Diabetologia i Choroby Przemiany Materii Wieku Rozwojowego. 2006; 12: 163-166. 4. Pawlik A, Czerny B, Dąbrowska-Żamojcin E, Górnik W, Poziomkowska I, Gawrońska-Szklarz B, Herczyńska M. Wpływ polimorfizmu interleukiny-6 na skuteczność leczenia chorych na reumatoidalne zapalenie stawów metotreksatem i prednizonem. Pol Arch Med Wewn 2005; 114: 843-847. 5. Prystupa A, Dzida G, Myśliński W, Małej G, Lorens T. Polimorfizm genu MinK w patogenezie samoistnego migotania przedsionków. Kardiol Pol 2006; 64: 1205-1211. 6. Kang SS, Wong P, Bock HG, Horwitz A, Grix A. Intermediate hyperhomocysteinemia resulting from compound heterozygosity of methylenetetrahydrofolate reductase mutations. Am J Hum Genet 1991; 48: 546-551. 7. Strauss E, Waliszewski K, Gabriel M, Zapalski S, Pawlak AL. Increased risk of abdominal aortic aneurysm in carriers of MTHFR677T allele. J Appl Genet 2003; 44: 85-93. 8. Roberts RG, Cole CG, Hart KA, Bobrow M, Bentley DR. Rapid carrier and prenatal diagnosis of Duchene and Becker muscular dystrophy. Nucleic Acids Res 1989; 17: 811. 9. Karczmarek M, Hoppe-Gołębiewska J, Napierała D, Słomski R. Wykrywanie mutacji i polimorfizmów genu DMD metodą PCR-RFLP. Analiza DNA-teoria i praktyka. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu 2008; 306-311 10. Stone GG, Shortridge D, Flamm RK, Beyer J, Ghoneim AT, Tanaka SK. PCR-RFLP typing of ureC from Helicobacter pylori isolated from gastric biopsies during a European multi-country clinical trial. J Antimicrob Chemother 1997; 40: 251-256. 11. Wardak S, Szych J, Cieślik A. Wykorzystanie techniki PCR-RFLP do wykrywania mutacji w kodonie 86 genu gyrA związanej z opornością na fluorochinolony pałeczek Campylobacter jejuni. Med Dośw Mikrobiol 2005; 57: 295-301. 12. Astori G, Beltrame A, Pipan C, Raphenon G, Botta GA. PCR-RFLP-Detected Human Papilloma Virus Infection In a Group of Senegalese Women Attending an STD Clinic and Identification of a New HPV-68 Subtype. Intervirology 1999; 42: 221-227. 13. Jacewicz R, Szram S. Polimorfizm STR a RFLP w ustaleniu ojcostwa na podstawie badań rodzinnych. Arch Med Sąd Krym 2005; LV: 36-38. data otrzymania pracy: 23.03.2010 r. data akceptacji do druku: 20.04.2010 r. Adres do korespondencji: dr Ewa Moric-Janiszewska, Katedra i Zakład Biochemii, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, 41-200 Sosnowiec, ul. Narcyzów 1, tel.+ 48 32 364 10 06; e-mail: [email protected]