The genomic architecture predisposed to the emergence of DNA copy number variation causing a new class of human chromosomal diseases—reciprocal microdeletion and microduplication syndromes— is reviewed in the paper. The molecular mechanisms of such chromosomal abnormalities are described. The problems of the interpretation of their clinical significance and genotype-phenotype correlations are discussed. The classification of phenotypes due to reciprocal chromosomal microdeletions and microduplications is shown. Published by 2015, reciprocal mutations associated with inherited and congenital human pathology and involving 58 chromosomal regions are summarized.

В обзоре рассматриваются особенности архитектуры генома, предрасполагающие к возникновению вариаций числа копий ДНК, лежащих в основе нового класса хромосомных болезней человека – синдромов реципрокных микроделеций и микродупликаций. Описаны молекулярные механизмы генерации таких микроструктурных хромосомных аномалий. Обсуждаются проблемы интерпретации их клинической значимости и построения гено-фенотипических корреляций. Представлена классификация фенотипов, обусловленных реципрокными микроделециями и микродупликациями хромосом. Проведена систематизация опубликованных по состоянию на 2015-й год случаев реципрокных мутаций, ассоциированных с наследственной и врожденной патологией у человека и затрагивающих 58 хромосомных регионов.

For identification of somatic mitochondrial DNA (mtDNA) mutations, the mtDNA major noncoding region (D-loop) sequence in blood samples and carotid atherosclerosis plaques from patients with atherosclerosis was analyzed. Five point heteroplasmic positions were observed in 4 of 23 individuals (17%). Only in two cases could heteroplasmy have resulted from somatic mutation, whereas three heteroplasmic positions were found in both vascular tissue and blood. In addition, length heteroplasmy in a polycytosine stretches was registered at nucleotide positions 303–315 in 16 individuals, and also in the 16184–16193 region in four patients. The results suggest that somatic mtDNA mutations can occur during atherosclerosis, but some heteroplasmic mutations may appear in all tissues, possibly being inherited.

С целью выявления соматических мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК) был проведен сравнительный анализ нуклеотидной последовательности главной некодирующей области (D-петли) мтДНК в образцах крови и атеросклеротических бляшек сонных артерий у пациентов с атеросклерозом. В исследованных образцах крови и бляшек выявлено пять точковых гетероплазмичных позиций у 4 индивидов из 23 (17%), при этом только в двух случаях гетероплазмия может быть результатом соматической мутации, а три гетероплазмичных позиции были обнаружены как в сосудистой ткани, так и в крови. Кроме того, описана гетероплазмия по длине полицитозинового тракта в участке 303–315 у 16 индивидов, а также в участке 16184–16193 – у 4 пациентов. Полученные данные указывают на вероятность возникновения соматических мутаций мтДНК при атерогенезе, но в то же время свидетельствуют, что значительная часть гетероплазмичных мутаций может быть характерной для всех тканей – возможно, унаследованной.

Oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD) is a hereditary neuromuscular disease with autosomal dominant and rarely with autosomal recessive inheritance types. This study included 50 patients with a clinical diagnosis of OPMD, 23 asymptomatic carriers of the mutation from 45 unrelated families, and 56 healthy relatives, as well as population samples of four ethnic groups of Yakutia: Yakuts, Evens, Evenks, Yukaghirs. It was found that the cause of OPMD development in all investigated families is the same increase in GCN repeats to 14 copies in the PABPN1 gene. The molecular structure of the (GCN)14 mutant allele is (GCG)10(GCA)3GCG. The genetic variability of ten SNPs at the OPMD locus was studied in patient families and population samples. The haplotypes of OPMD were determined by a segregation analysis technique and using the EM algorithm in the groups of patients, mutation carriers, and population samples. Only one haplotype of four SNPs (ATCG) linked with the (GCN)14 mutant allele was found in Yakuts and Russian patients and OPMD mutation carriers. Probably, this indicates the accumulation of mutations as a result of the founder effect.

Окулофарингеальная миодистрофия (ОФМД) - наследственное нервно-мышечное заболевание c аутосомно-доминантным и редко - с аутосомно-рецессивным типом наследования. В работе исследованы 50 больных с клиническим диагнозом ОФМД, 23 пресимптоматических носителя мутации из 45 неродственных семей и 56 здоровых родственников, а также популяционные выборки из четырех этнических групп Якутии: якуты, эвены, эвенки, юкагиры. Установлено, что причиной развития ОФМД во всех исследованных семьях является одинаковое увеличение GCN-повторов в гене PABPN1 до 14 копий. Мутантный аллель имеет структуру: (GCN)14 - (GCG)10(GCA)3GCG. В локусе ОФМД исследована генетическая вариабельность по 10 SNPs в семьях больных и в популяционных выборках. Методом сегрегационного анализа и с использованием ЕМ-алгоритма установлены гаплотипы локуса ОФМД в группах больных, у носителей мутации и в популяционных выборках. У якутов и русских, больных и носителей мутации ОФМД, обнаружен только один гаплотип по четырем SNPs (ATCG), сцепленный с мутантным аллелем (GCN)14. Вероятно, это свидетельствует о накоплении мутации в результате эффекта основателя.

The discovery of cell-free DNA in blastocoele fluid opens new perspectives for the development of preimplantation genetic diagnosis of human chromosomal and genetic diseases. In this review we analyzed the results of the first studies, which made it possible to evaluate the effectiveness of the application of a new source of biological material and showed a high degree of agreement between the results of molecular karyotyping with cell-free DNA and blastocyst cells. The results suggest the possibility of developing a noninvasive method of preimplantation genetic diagnosis, which may open a new round of progress in the field of assisted reproductive technologies and the genetics of early stages of human ontogenesis.

Обнаружение внеклеточной ДНК в полости ранней бластоцисты открывает новые перспективы в развитии преимплантационной генетической диагностики хромосомных и наследственных болезней человека. В настоящем обзоре проанализированы итоги первых исследований, позволивших оценить эффективность использования нового источника биологического материала, а также продемонстрировавших высокую степень совпадения результатов молекулярного кариотипирования с применением фракции внеклеточной ДНК и клеток самой бластоцисты. Полученные данные свидетельствуют о возможности разработки метода преимплантационной генетической диагностики на основе бластоцентеза, который может открыть новый виток прогресса в области вспомогательных репродуктивных технологий и в изучении генетики ранних этапов онтогенеза человека.

Regulatory single nucleotide polymorphisms (rSNPs) are the least-studied group of SNP; however, they play an essential role in the development of human pathology by altering the level of candidate genes expression. In this work, we analyzed 29 rSNPs in 17 new candidate genes associated with preeclampsia (PE) according to the analysis of the transcriptome in placental tissue. Three ethnic groups have been studied (Yakut, Russian, and Buryat). We have detected significant associations of PE with eight rSNPs in six differentially expressed genes, i.e., rs10423795 in the LHB gene; rs3771787 in the HK2 gene; rs72959687 in the INHA gene; rs12678229, rs2227262, and rs3802252 in the NDRG1 gene; rs34845949 in the SASH1 gene; and rs66707428 in the PPP1R12C gene. We used a new approach to detecting genetic markers of multifactorial diseases in the case of PE based on a combination of genomic, transcriptomic, and bioinformatic approaches. This approach proved its efficiency and may be applied to detecting new potential genetic markers in genes involved in disease pathogenesis, which reduces missing heritability in multifactorial diseases.

Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), расположенные в регуляторных участках генов, относятся к наименее изученной функциональной группе SNP. Однако, изменяя уровень экспрессии генов, они играют значимую роль в развитии различных патологических состояний человека. В представленной работе рассмотрены 29 регуляторных SNP (rSNP) в 17 генах, ассоциированных, по данным анализа транскриптома плацентарной ткани, с развитием преэклампсии. В исследовании, выполненном в трех этнических группах (русские, якуты и буряты), получены данные, свидетельствующие об ассоциации с преэклампсией восьми rSNP в шести дифференциально экспрессирующихся генах: rs10423795 гена LHB, rs3771787 гена HK2, rs72959687 гена INHA, rs34845949 гена SASH1, rs2227262, rs3802252, rs12678229 гена NDRG1 и rs66707428 гена PPP1R12C. На примере преэклампсии проведен поиск генетических маркеров многофакторных заболеваний, основанный на комбинации геномных, транскриптомных и биоинформатических методов. Этот подход показал свою эффективность и может быть использован для обнаружения новых потенциальных патогенетических маркеров, уменьшая долю “упущенной наследуемости” при многофакторных болезнях.

Human genetic markers linked with the X chromosome (X-linked) are used in the field of population and medical genetics, as well as for DNA identification of individuals in forensic science and forensic medicine. We proposed an XSNPid panel that consists of 66 unlinked single nucleotide X chromosome markers and developed a protocol for their multiplex genotyping using multilocus PCR and MALDI-TOF mass spectrometry. The XSNPid panel is genotyped within two multiplexes (36 and 30 markers). The developed protocol provides an efficient genotype reading; the fraction of determined genotypes is 98.29%. The high level of gene diversity (0.461) for the X-linked SNPs included in the panel is characteristic of the Russian population. A total of 63 out of 66 markers that provide a high efficiency of genotyping and independent inheritance are suitable for DNA identification purposes. The XSNPid panel is characterized by a very high discriminating ability when studying the Russian population. The probability of genotype coincidence in two unrelated individuals is 9 × 10–27 for women and 2 × 10–18 for men. Also, the XSNPid panel has a greater multiplex capacity in addition to a higher discriminating ability compared to the other closest analogues of the X chromosome SNP sets, which makes it more cost effective and less time consuming. The XSNPid panel is a convenient tool, not only for individual DNA identification, but also for population genetic studies.

Генетические маркеры человека, сцепленные с X-хромосомой (кратко – X-сцепленные), применяются в области популяционной генетики, медицинской генетики, а также для ДНК-идентификации индивида в криминалистике и судебной медицине. Нами предложена панель XSNPid, состоящая из 66 несцепленных однонуклеотидных маркеров Х-хромосомы, и разработан протокол их мультиплексного генотипирования с помощью методов многолокусной ПЦР и масс-спектрометрии MALDI-TOF. Панель XSNPid генотипируется в составе двух мультиплексов (на 36 и 30 маркеров). Разработанный протокол обеспечивает эффективное чтение генотипов: доля определяемых генотипов составляет 98.29%. Для русской популяции характерен высокий уровень генного разнообразия (0.461) по X-сцепленным SNP, включенным в панель. 63 из 66 маркеров, обеспечивающих высокую эффективность генотипирования и независимое наследование, пригодны для целей ДНК-идентификации. Для панели XSNPid характерна очень высокая дискриминационная способность при исследовании русской популяции. Вероятность совпадения генотипов у двух неродственных индивидов составляет 9 × 10–27 для женщин и 2 × 10–18 для мужчин. При сравнении с другими ближайшими аналогами наборов X-хромосомных SNP, панель XSNPid обладает, кроме более высокой дискриминирующей способности, также большей емкостью мультиплексов, что делает ее более экономически выгодной и требует меньших затрат времени при использовании. Панель XSNPid – удобный инструмент не только для индивидуальной ДНК-идентификации, но и для популяционно-генетических исследований.

A group of patients with ischemic heart disease and myocardial infarction (N = 156) and a reference population sample (N = 300) were genotyped for 58 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the genes involved in extracellular matrix function and collagen metabolism or associated with cardiovascular diseases and atherosclerotic plaque stability. Genotyping was performed by mass-spectrometry with two multiplex sets of 27 and 31 SNPs. The study revealed different genetic composition of predisposition to cardiovascular disease continuum (CVDC) syntropy (patients with concomitant conditions: hypercholesterolemia, hypertension, and type-II diabetes mellitus, N = 96) and to isolated myocardial infarction (without these conditions, N = 60). Only the KIAA1462 gene (rs3739998) showed associations with both CVDC syntropy (OR = 1.71; 95% CI 1.19–2.45; р = 0.003) and isolated infarction (OR = 1.58; 95% CI 1.05–2.40; р = 0.028). Isolated myocardial infarction was also associated with LIG1 (rs20579) (OR = 2.08; 95% CI 1.06–4.17; р = 0.028) and ADAMDEC1 (rs3765124) (OR = 1.63; 95% CI 1.07–2.50; р = 0.020). CVDC syntropy was associated with CDKN2BAS1 (rs1333049) (OR = 1.48; 95% CI 1.03–2.12; р = 0.029) and APOA2 (rs5082) (OR = 1.47; 95% CI 1.02–2.11; р = 0.035). So, genes involved in fibrogenesis contribute to predisposition to the myocardial infarction as well. Isolated myocardial infarction and CVDC syntropy can be considered as pathogenetically different cardiovascular conditions, with different genes that contribute to the susceptibility.

В группе больных с ишемической болезнью сердца и инфарктом миокарда (N = 156), а также в популяционной выборке (N = 300) изучены 58 однонуклеотидных замен (SNP) в генах, вовлеченных в функционирование внеклеточноего матрикса, в метаболизм коллагена или ассоциированных с болезнями сердечно-сосудистого континуума и стабильностью атеросклеротической бляшки. Генотипирование выполняли при помощи масс-спектрометрии (две мультиплексные панели, включающие 27 и 31 SNP). В подгруппе больных с “синтропией сердечно-сосудистого континуума” (инфаркт миокарда с несколькими сопутствующими заболеваниями, такими, как артериальная гипертония, сахарный диабет типа 2 и гиперхолестеринемия, 96 человек) и в подгруппе с “изолированным” инфарктом миокарда (в отсутствие всех указанных заболеваний, 60 человек) “структура” генетической предрасположенности к этим двум формам течения ишемической болезни сердца различна. Показано, что только ген KIAA1462 (rs3739998) ассоциациирован как с “изолированным” инфарктом миокарда (OR = 1.58; 95% CI 1.05–2.40; р = 0.028), так и с сочетанной формой патологии (OR = 1.71; 95% CI 1.19–2.45; р = 0.003). С “изолированным” инфарктом миокарда ассоциированы также гены LIG1 (rs20579) (OR = 2.08; 95% CI 1.06–4.17; р = 0.028) и ADAMDEC1 (rs3765124) (OR = 1.63; 95% CI 1.07–2.50; р = 0.020). С синтропией сердечно-сосудистого континуума ассоциированы гены CDKN2BAS1 (rs1333049) (OR = 1.48; 95% CI 1.03–2.12; р = 0.029) и APOA2 (rs5082) (OR = 1.47; 95% CI 1.02–2.11; р = 0.035). Таким образом, установлено, что гены, участвующие в процессах фиброгенеза, вносят свой вклад в развитие предрасположенности к инфаркту миокарда. Синтропию сердечно-сосудистого континуума и “изолированный” инфаркт миокарда можно рассматривать как патогенетически обособленные формы сердечно-сосудистых заболеваний, подверженность которым определяется генами различных функциональных классов

Tuberculosis (TB) is a common infectious disease caused by M. tuberculosis. The risk of the disease is dependent on complex interactions between host genetics and environmental factors. Accumulated genomic data, along with novel methodological approaches such as associative networks, facilitate studies into the inherited basis of TB. In the current study, we carried out the reconstruction and analysis of an associative network representing molecular interactions between proteins and genes associated with TB. The network predominantly comprises of well-studied key proteins and genes which are able to govern the immune response against M. tuberculosis. However, this approach also allowed us to reveal 12 proteins encoded by genes, the polymorphisms of which have never been studied in relation to M. tuberculosis infection. These proteins include surface antigens (CD4, CD69, CD79, CD80, MUC16) and other important components of the immune response, inflammation, pathogen recognition, cell migration and activation (HCST, ADA, CP, SPP1, CXCR4, AGER, PACRG). Thus, the associative network approach enables the discovery of new candidate genes for TB susceptibility.