Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает об истории геномики, ее развитии в мире и в России, и о том, как она изменит мир в будущем
Фотография: benchmarks.cancer.gov
Европейцы в среднем имеют большее количество потенциально болезнетворных генетических мутаций, чем африканцы. В связи с опубликованием статьи, в которой это утверждается, отдел науки «Газеты.Ru» решил рассказать своим читателям об истории геномики, генетических исследованиях, которые проводятся в этом направлении в России, и том, как геномные технологии изменят мир в будущем.
В минувший четверг в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщалось, что европейцы в среднем имеют большее количество потенциально болезнетворных генетических мутаций, чем африканцы. Это была чувствительная, но далеко не самая главная новость, к которой пришли исследователи из США, обследовав геномы 6,5 тысячи соотечественников. Главная новость состояла в том, что обе эти расы, составляющие вида «человек современный», в последние пять тысячелетий переживают, в буквальном смысле слова, «геномную» революцию. Именно в этот период их генетическое разнообразие стало кардинальным образом разрастаться – мутации, или по-научному генные варианты (замена одной из четырех букв генного алфавита на другую) стали множиться с ошеломляющей скоростью – за пять тысяч лет при возрасте нашего вида в сто или больше миллениумов в наших ДНК накопилось около 700 тысяч таких вариантов, причем 81% их у евроамериканцев и 58% у афроамериканцев возникли именно в этот сравнительно короткий период. Различие ученые объясняют возрастом рас и их необычайно высокой скоростью размножения.
Это открытие, как и многие из тех, что были сделаны в последние годы, поражает воображение и в первую очередь удивляет людей, к геномике непричастных: каким образом все это можно узнать из состава пусть главной для нашей жизни, но все-таки просто молекулы? Что еще она может дать?
Хулиганские открытия
Одну из лавин научных новостей в последние годы создают геномные исследования, получившие взрывной толчок после того, как Крейг Вентер полностью секвенировал человеческую ДНК. Конечно, справедливости ради следует сказать, что это достижение не слишком повлияло на ход событий — если бы не было Вентера, геном был бы точно так же прочитан спустя несколько месяцев гигантским международным консорциумом. Это была личная война Вентера, в которой он победил, щелкнув по носу международное генетическое сообщество, когда-то не давшее ему грантов; и то, что именно он, а не консорциум стал катализатором дальнейших событий, придало всей геномной эпопее несколько хулиганский оттенок.
Дальнейшие события не заставили себя ждать: открытия посыпались как из рога изобилия:
геном собаки (собаки Вентера), геном мыши, кошки, свиньи, обезьяны и так далее по всему списку животных и растений. Скорость секвенирования стала стремительно расти, а само секвенирование — столь же стремительно дешеветь. В период 2007—2010 годов она упала в сто раз — с миллиона долларов до десяти тысяч. Сейчас стоимость приближается к тысяче, и уже пошли разговоры о тридцатидолларовом секвенировании.
Используя данные генома, ученые стали разбираться в прошлом человечества, и в самом конце двадцатого века палеогенетик Сванте Паабо заявил, что мы не имеем ничего общего с неандертальцами, и что они представляли собой отдельное человечество. Правда, впоследствии он выяснил, что небольшое количество генов мы все-таки от них унаследовали, но тут Паабо по обломку сустава пальца нашел представителя еще одного человечества — человека из Денисовой пещеры. И сегодня нет никаких гарантий, что количество вымерших человечеств не станет расти и дальше.
Но главный вал открытий пришелся на медицину. Генетики со страшной скоростью стали обнаруживать в ДНК гены или их мутации, ответственные за ту или иную болезнь. Заговорили о скором, буквально через несколько десятилетий, приходе новой медицины, которая сможет искоренить множество наследственных и до сих пор неизлечимых заболеваний; вот-вот, подумалось публике, реализуется древняя мечта об универсальной панацее.
Воспряли геронтологи, стали обнаруживать различные генетические факторы, вызывающие старение. Заговорили даже о возможности бессмертия.
Одновременно проясняется структура самого генома. Долгое время ученых очень беспокоило то обстоятельство, что подавляющая часть ДНК не содержит никаких генов и вообще как бы ни на что не влияет — ее назвали «мусорной» ДНК. Этой осенью выяснилось, что как минимум 80% этого генетического «мусора» – вовсе даже не мусор, а сложная и пока совсем непонятная система, управляющая работой генов.
Не дает о себе забыть и Крейг Вентер, «охулиганивший» геномику XXI века. Несколько лет назад он и сотрудники исследовательского института, которому было присвоено его имя, создали бактериальную клетку, работающую на искусственно синтезированном геноме. Тем самым он застолбил совершенно новую тему — тему создания искусственных организмов, тему этически очень спорную, но теоретически реализуемую.
А совсем недавно Вентер выступил с еще одним фантастическим предложением — искать на Марсе микроорганизмы (он уверен в их существовании), секвенировать их на месте, пересылать по радио на Землю их цифровую копию, а здесь воссоздавать с помощью 3D-биопринтера.
В этом смысле Вентер играет роль своеобразного метронома, подбрасывающего миру импульс за импульсом, постоянно напоминающего, что у геномики есть еще множество возможностей, о которых никто пока даже не успел подумать.
«Мы сейчас очень много знаем, и даже довольно много умеем, но очень мало понимаем», — говорил о геномике «Газете.Ru» профессор МГУ Михаил Пантелеев. Каждый ген может иметь много функций и работать по-разному в зависимости от того, как он управляется генетическим «мусором», какое у него соседство, в какой компании он работает и так далее. И пока мы во всем этом не разберемся, а это может случиться очень нескоро, в каждый момент нас могут ожидать сюрпризы, чаще неприятные, чем приятные. Ученые пока только накапливают информацию и только-только приступают к нелегкой задаче ее понимания.
«Красивая биологическая задача»
К счастью, в этой области исследований российские ученые имеют ряд неплохих результатов. Так, профессор биоинформатики, заместитель директора по науке Института проблем передачи информации РАН, доктор биологических наук Михаил Гельфанд отметил деятельность Алексея Кондрашова, лауреата «мегагранта», создавшего на факультете биоинформатики и биоинженерии в Московском университете лабораторию эволюционной геномики.
«На мегагрант он купил хороший секвенатор. Чем мне нравится эта группа — это то, что они делают не очередной геном человека или раковый геном, — рассказал Михаил Гельфанд, — у них очень оригинальные биологические задачи и самый интенсивно работающий секвенатор в России.
Они делают что-то и для коллег из других институтов, но, если говорить непосредственно про них, у них очень красивая биология.
Например, есть такие рыбки — колюшки — которые бывают пресноводные и морские. В 1970-е годы этих колюшек заселили в озера, которые образовались на месте ГУЛАГовских карьеров на севере страны. Группа Кондрашова съездила, поймала колюшек и посмотрела те места, где геномы морской и пресноводной колюшек у этих гибридов различаются. Они нашли две дюжины мест в геноме, где жестко зафиксировались пресноводные варианты.
Это то, что, по-видимому, действительно отвечает за жизнь в пресной воде. Биологически — это очень красивая задача».
Гельфанд также упомянул и открытие Денисовского человека, о котором говорилось выше, и которое стало одним из самых крупных открытий последних лет не только в биологии, но и во всей науке. «Нам страшно повезло, что Денисова пещера находится у нас на Алтае, — говорит Михаил Гельфанд. — От России тут только кости, но на самом деле молодцы археологи, что научились аккуратно с костями работать, так что они пригодны для того, чтобы определять генетическую последовательность. Но это крупнейшее открытие за последние годы, фактически третья ветвь человечества: неандертальцы, мы и, наконец, денисовцы. Там куча разных вопросов сразу возникает, потому что по ядерному геному они ближе к неандертальцам, а по митохондриальному дальше и от нас, и от неандертальцев, дальше, чем мы с неандертальцами друг от друга. То есть по материнской линии они происходят совершенно непонятно от кого, от каких-то эректусов, по-видимому. Там, на самом деле, история почти детективная. Россия участвует костями, последовательность определяют в Германии, но это потрясающе интересно».
На сайте группы популяционной иммуногенетики Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН (ИОГ РАН) приводятся некоторые полученные этой группой результаты, процитируем их: «Впервые проведено сравнительное генетико-демографическое изучение трех мегаполисов: Москвы, Минска и Харькова… Отмечено накопление редких уникальных аллелей для основных этносов в изученных мегаполисах. Так, например, у белорусов в Минске выявлено всего три уникальных редких аллеля, у русских в Москве и украинцев в Харькове — по тринадцать аллелей, что хорошо соотносится с установленным более низким уровнем миграции и средним радиусом миграции в Минске».
Большое количество результатов представлено на сайте лаборатории популяционной генетики Медико-генетического научного центра РАМН.
Сотрудники лаборатории участвуют в международных проектах по популяционной генетике (в частности, в проекте «Генография» — The Genographic project), в рамках которых производится анализ особенностей разных этносов и попытка восстанавливать историю на основе этого.
Одним из ведущих сотрудников этой лаборатории является Олег Балановский, о работах которого рассказывала «Газета.Ru».
На базе Санкт-Петербургского академического университета РАН под руководством еще одного лауреата «мегагранта» — профессора Павла Певзнера была создана Лаборатория алгоритмической биологии. Главная ее задача — решение важнейших алгоритмических и вычислительных задач современных геномики и протеомики. Лаборатория разрабатывает новые подходы к секвенированию и сборке геномов, а также к идентификации и секвенированию белков, антител и антибиотиков. На сайте лаборатории говорится, что ее первым рубежом «будет одна из наиболее важных задач современной биоинформатики — создание сборщика геномов (fragment assembler), работающего лучше, чем существующие алгоритмы сборки». «Мы хотим разработать ассемблер, который сможет аккуратно собирать не только геномы культивируемых бактерий, как сейчас, но и любые другие — включая некультивируемые. Это критически важно для исследования микробиома (то есть совокупность микробных генов, оказывающих влияние на среду, а данном случае – человеческий организм) человека и разработки новых антибиотиков», — пишут ученые.
Генетический Facebook
Как уже говорилось, десять лет назад стоимость расшифровки генома человека составляла миллионы долларов, а сейчас — приближается к тысяче. Эксперты сходятся во мнении, что в недалеком будущем расшифровка генома станет такой же обыденной процедурой, как и анализ крови. «Действительно, это уже сейчас вполне может быть частью рутинного медицинского обследования, — говорит Михаил Гельфанд. — Причем там получаются удивительные вещи. Вообще, врачи плохо знают генетику, и появляется куча сложностей с интерпретацией. Например, вы видите мутацию, она в важном гене, но, хотя вы знаете, что это важный ген, вы не знаете, сама по себе эта мутация вредная или нет. У меня есть коллеги, работающие в США, они создали программу, которая позволяет определить потенциальный вред от мутации белка — окажется белок с такой мутацией работоспособным или нет. Изначально это был чисто академический проект.
Сейчас они страшно нервничают, потому что уровень ответственности стал совершенно другой, потому что этим врачи реально начинают пользоваться.
Из лаборатории приходит распечатка мутаций, а дальше их надо как-то интерпретировать. И это, по-видимому, довольно быстро будет развиваться в разных направлениях.
Еще одна вещь, которую начинают делать в медицине, — молекулярная диагностика рака.
Сначала была классификация по локализации. Потом была по цитологии, по клеточному происхождению. А сейчас постепенно начинаются диагнозы рака молекулярные, то есть выясняется, что именно в клетках сломалось. Стало ясно, что раки неоднородны, а это влияет и на диагноз, и на прогноз, и на выбор лечения.
Дальше оказывается, что если вы имеете такой молекулярный диагноз, то вы можете использовать лекарство, которое в принципе было сделано для другого типа рака, для рака другой локализации.
Поскольку молекулярная поломка та же самая, а лекарство уже одобрено к применению, вы можете пытаться его применять для лечения и в других случаях. То есть такой перенос лекарств на основе сходства молекулярных мишеней. И это, по-видимому, вполне может оказаться какой-то разумной областью. Примеры такого сорта уже есть».
Еще одно из направлений будущего — создание на основе расшифровки генома социальной сети, с помощью которой можно установить степень родства для двух любых людей или же собрать людей с одинаковыми предрасположенностями.
Подобный проект — 23andMe — стартовал в 2007 году. Название фирмы происходит от количества пар хромосом в каждой здоровой ядросодержащей соматической клетке человека. Любой желающий может отправить в компанию образцы слюны, а затем получить данные о своих генетических особенностях, в частности, о склонностях к болезням. Этой информацией он по своему желанию сможет делиться с другими участниками проекта, с врачами и родственниками. Вероятно, в ближайшие годы именно социальная сеть, разработанная 23andMe, станет «генетическим фейсбуком», так как компания пользуется поддержкой Google (от нее 23andMe получила 3,9 млн долларов, а один из основателей Google, Сергей Брин, женат на основательнице 23andMe — Анне Войжитски).
Пока 23andMe не работает с пользователями из России. Причина этого — российское законодательство, запрещающее гражданам отсылать какой-либо биологический материал для проведения генетического анализа за пределы страны без специального разрешения Министерства здравоохранения России (впрочем, пока никто не может запретить человеку вывезти за пределы страны самого себя). «Конечно, у нас есть заинтересованность в том, чтобы наладить здесь наш сервис; и мы это сделаем, как только российские законы это позволят», — говорят представители компании 23andMe.
