Путешествие вглубь ДНК

Геномные, постгеномные, протеомные технологии… Сегодня о них, наверное, слышал каждый, но мало кто понимает, что это такое. Зачем же нужны эти технологии? Какие здесь есть отечественные разработки и чем они могут помочь обычным людям? Об этом рассказывает кандидат биологических наук Михаил Юрьевич Скоблов, заведующий лабораторией функциональной геномики Медико-биологического научного центра им. акад. Н.П. Бочкова.

Этот волшебный геном

Что такое геномные технологии? Под этим правильно понимать целый набор разных методов. В Медико-генетическом научном центре им. акад. Н.П. Бочкова эти технологии используются в первую очередь для проведения диагностики. Есть пациенты с наследственными заболеваниями, у которых в геноме произошли какие-то изменения, и специалисты должны их найти, чтобы понять причину заболевания и его механизм.

Для этого используется целый спектр разных методов. Существуют локальные методы, например секвенирование по Сэнгеру, позволяющее определять последовательность нуклеотидов в небольшом участке генома и видеть, есть там патогенные изменения или нет. На другой стороне спектра — полногеномные подходы, когда можно из крови пациента выделить его ДНК и отсеквенировать все 3 млрд нуклеотидов.

Врачи-генетики определяют, какой метод необходим в каждом конкретном случае. Они очень хорошо разбираются в наследственных заболеваниях. Например, если приходит пациент и по клинической картине видно, что это, скорее всего, фенилкетонурия, то врачам-генетикам понятно: в первую очередь надо посмотреть частые изменения в гене PAH.

М.Ю. Скоблов: «Или ситуация, когда приходит семья с ребенком, у которого наблюдается умственная отсталость. За это состояние ответственны сотни разных генов, их список постоянно обновляется. Непонятно, с какого гена начать. В этом случае логично применить полногеномные исследования. Затем клинические биоинформатики пытаются долго и скрупулезно искать в этих данных те самые патогенные генетические изменения, чтобы определить молекулярную причину заболевания».

После генома

Постгеномные технологии — это то, что происходит после. На этапе, когда был секвенирован геном человека, мировое сообщество осознало: недостаточно знать саму последовательность, нужно понимать, как она функционирует. Одним из первых геномных проектов было исследование протеома человека. Оно началось, как только возникло желание понимать, как весь этот геном может реализовываться и как из него могут получаться те самые белки, составляющие основу всех молекулярных взаимодействий в клетке.

С тех пор таких проектов возникло очень много. Каждый из них применяет разные методы для исследования отдельных биомолекул или отдельных молекулярных процессов. Но основной смысл в том, что это не индивидуальные исследования конкретного механизма или молекулы, а, наоборот, массивный подход анализа всего разнообразия молекул или процессов, чтобы можно было за один эксперимент получить как можно больше знаний.

Порой за один проект можно накопить сотни терабайт информации, это огромные массивы данных, которые научное сообщество потом обрабатывает и анализирует годами, и из этого рождается принципиально новое понимание, как происходит белковое взаимодействие, транскрипция в отдельных тканях или во всех тканях организма. Это очень важные фундаментальные знания, помогающие понять, как устроена клетка и как она работает. Но их можно применять для решения практических медицинских задач.

Не все гены одинаково важны?

М.Ю. Скоблов: «Наша лаборатория функциональной геномики МГНЦ исходно занималась исследованием функций генов человека. Генов в геноме человека много, в том числе неизученных, и мировое сообщество будет еще не один десяток лет исследовать эту задачу. Исследование функций генов — очень интересная и важная задача, когда мы понимаем их значимость сквозь призму какой-то патологии. Но не все гены важны и одинаково нужны клетке и организму в целом. Или мы, может быть, не знаем, для чего нужен тот или иной ген».

В МГНЦ много запоминающихся человеческих историй. Вот одна из них. Семья пыталась забеременеть. У них не получалось, происходило прерывание беременности на ранних сроках. Когда при очередной беременности они пришли в центр, было проведено секвенирование экзома плодного материала — и был найден новый ген, в котором удалось обнаружить два генетических изменения. Одно пришло от отца, другое — от матери. Все указывало на то, что, скорее всего, это тот самый новый ген, из-за мутаций в котором плод не может нормально развиться.

В этой ситуации главное — найти мутацию. Второе — это проведение функциональных анализов, подтверждающих, что эти мутации патогенны. Ученые взяли кровь от обоих родителей, выделили РНК и поставили эксперименты, которые показали, что действительно у одного родителя «поломана» одна копия гена по одному механизму, а у второго родителя — по другому. Таким образом, удалось доказать, что если плод получает две сломанных копии, то он не развивается.

Но, несмотря на то что это было доказано, до сих пор непонятна функция этого гена. Известно, что он кодирует белок, очень важный для организма: без него не только человеческие эмбрионы, но и эмбрионы мышей погибают на ранних стадиях эмбриогенеза. То есть белок выполняет какую-то функцию, но какую точно, до сих пор загадка. И таких генов в геноме очень много.

Выявить патологию

Есть более частые заболевания: фенилкетонурия, муковисцидоз, миопатия Дюшенна, эпилепсия. Они составляют большой груз генетических патологий. Центр успешно выявляет подобного рода случаи, диагностирует, консультирует пациентов.

М.Ю. Скоблов: «А в этой истории финал получился вполне оптимистический. Когда у этой пары случилась следующая беременность, то на ранних стадиях, на 12-й неделе беременности, была взята биопсия хориона, и по ней было определено, что один из плодов (беременность была двойней) несет две мутации, второй же — только одну. Было произведено прерывание беременности плода, который нес две мутации, а второй развился в абсолютно здорового мальчика. Эта семья потом к нам приходила и радовалась, что у них все разрешилось успешно».

Есть разные подходы, как помогать подобного рода пациентам, чтобы они могли завести здоровое потомство. Например, есть синдром MEHMO — это очень редкое Х-сцепленное заболевание. У женщин две Х-хромосомы, у мужчин — одна Х-хромосома, одна У-хромосома. Х-сцепленные заболевания обладают своими особенностями, это редкая группа заболеваний, когда у женщины один ген на Х-хромосоме несет какую-то мутацию. Но у женщины есть вторая Х-хромосома, абсолютно целая, и там ген не несет никакой мутации, поэтому у нее проявлений заболевания нет.

Однако если такая женщина родит мальчика, ему будет передана Х-хромосома с мутантным геном и тогда у него разовьется заболевание. На прием в МГНЦ пришла семья, в которой родился ребенок с этим недугом. Он очень тяжелый, обычно дети погибают, не дожив до пяти лет. Родители хотели узнать причину.

Методы диагностики синдрома MEHMO могут быть разные. Можно секвенировать экзом, но это долго, дорого и трудоемко. Поэтому врачи обратились к сотрудникам лаборатории М.Ю. Скоблова, чтобы они предложили что-то более простое.

М.Ю. Скоблов: «У нас возникла идея: ген, ответственный за это заболевание, очень хорошо экспрессируется в крови. Тогда мы взяли кровь у ребенка и мамы, выделили РНК, которая содержала этот ген, отсеквенировали и нашли на РНК ту самую мутацию, которая и привела к заболеванию. Мы еще провели функциональный анализ, который доказал, что именно эта мутация в этом гене ответственна за возникновение заболевания. Соответственно, семья была проконсультирована, оказалось, что у мамы есть сестра, у которой тоже родился больной ребенок. А носителем этой мутации, которая передавалась по женской линии, была бабушка, мама этих сестер. Сами они были здоровыми, но выступали носителями».

Расшифровать болезнь

Расшифровка механизма развития болезни очень важна. Она дает понимание, что если плод женского пола, то можно не беспокоиться о заболевании, однако если на ранних стадиях беременности видно, что плод мужского пола, то родителям необходимо решать, что делать дальше.

Когда для пациентов с каким-то наследственным заболеванием проводится секвенирование экзома или генома, специалисты получают большое количество данных. Эта информация интерпретируется клиническими биоинформатиками: они пытаются найти те самые патогенные генетические изменения. Но в этих данных очень часто можно найти генетические изменения, смысл которых не очень понятен с точки зрения клинициста: становятся ли они причиной болезни или нет. Особенно часто это связано с какими-то новыми генами, новыми механизмами.

В лаборатории М.Ю. Скоблова разрабатываются разные экспериментальные подходы, которые позволяют определять патогенность выявленного изменения. Если патогенность не подтверждается, то надо искать дальше.

Бывали случаи, когда специалисты МГНЦ несколько раз проводили пациенту функциональный анализ, отвергая одну находку за другой, и в конечном счете находили ту самую, из-за которой возник определенный вариант эпилепсии. А дальше получается так: наследственных заболеваний много, около 6 тыс., вариантов генов, которые могут приводить к заболеванию, тоже много, около 5 тыс., поэтому потребность в проведении такого рода функционального анализа в центре, да и вообще в России очень высокая.

Государыня рыбка

Одно из новых направлений лаборатории — эксперименты с рыбками Danio rerio. Их можно использовать как модельные организмы для исследования разных заболеваний.

М.Ю. Скоблов: «Если мы возьмем рыбку, внесем мутацию, то можно увидеть, какие гены перестают работать, какие белки перестают взаимодействовать. С точки зрения фундаментальной науки это очень важно. В медицинской генетике такой модельный организм мы используем для проведения экспериментов по функциональному анализу».

Рыбки, живущие в подвальном этаже МГНЦ, неприхотливы, очень быстро размножаются. Например, одна рыбка-самка может давать около 200 икринок в неделю. На них можно ставить эксперименты, помещая в эти икринки генетический материал для проверки, окажется ли он той самой патогенной мутацией или нет.

Ученые могут одновременно вести порядка 100 разных линий рыб для изучения различных мутаций. Сейчас они отрабатывают методики внедрения генетического материала в икринки, чтобы дальше можно было наблюдать, как плазмиды с мутациями и без них влияют на эмбриогенез. На бумаге это выглядит довольно просто, но за каждым шагом — большое количество технологических ноу-хау.

В планах ученых — взять для исследования несколько наследственных заболеваний, и сейчас они пытаются выбрать оптимальные. После этого будут проведены эксперименты на рыбках, и тогда молекулярно-генетический поиск будет закончен, ученые получат долгожданные ответы. Рыбки здесь станут конечной точкой поиска причины возникновения социально значимых заболеваний.

Источник фото на слайде и превью: ru.123rf.com