«Геном человека»: что показало одно из главных исследований XX века
Информация о биохимических реакциях в клетках передается из поколения в поколение и реализуется для обеспечения жизнедеятельности клетки. Наследуемая информация в клетке хранится в молекуле ДНК, представленной в виде так называемой «скрученной лестницы». Важная рабочая информация хранится на перекладинах этой лестницы, каждая из которых состоит из двух молекул азотистых оснований — аденина, гуанина, цитозина и тимина. Эти основания обычно обозначают буквами А, Г, Ц и Т. Считывая информацию по одной цепи ДНК, можно получить последовательность оснований. Последовательность можно представить как строку, написанную с помощью алфавита, в котором всего четыре буквы. Эта строка определяет поток химических реакций в клетке.
Таким образом, если узнать последовательность пар оснований молекулы ДНК, то можно понять, как происходят химические реакции, наследственность у данного вида организмов, и, в частности, понять, как возникают и развиваются те или иные заболевания. Такую задачу перед собой поставил знаменитый проект «Геном человека», цель которого заключалась в том, чтобы представить в виде карты полную последовательность (геном) ДНК человека. В 2001 году ученые опубликовали первый набросок генома человека, в 2003 году были опубликованы две статьи по итогам проекта.
Почему все оказалось не так однозначно?
«По итогам проекта “Геном человека” ожидалось, что ученые расшифруют геном и мы поймем, как именно происходят химические реакции в клетке. Но на самом деле все не так просто. Проект предоставил инструмент, который позволяет понимать, что происходит внутри, он стал некой стартовой точкой. Например, после его реализации стало проще и дешевле анализировать другие геномы, чтобы анализировать геном отдельного человека, не нужно все начинать заново, можно использовать референсный геном, полученный в ходе проекта», — рассказывает Алексей Сергушичев, научный сотрудник международной лаборатории «Компьютерные технологии» Университета ИТМО.
Стоит отметить, что различные методы исследования ДНК были известны еще в 80-е годы прошлого века. Среди них, например, секвенирование по методу Сэнгера (впервые этот метод секвенирования был предложен Фредериком Сэнгером в 1977 году, за что он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1980 году), при котором можно прочитать небольшой фрагмент ДНК. Предложенные ранее методы уже позволяли находить отдельные гены для так называемых менделевских заболеваний — заболеваний, являющихся результатом нарушения работы единичного гена, или таких, которые имеют простую наследственность. Но большинство заболеваний гораздо сложнее и требуют других подходов.
Современные способы генетических исследований: GWAS и поиск редких мутаций
Параллельно с работой «Геном человека» начали разрабатываться так называемые ДНК-микрочипы. Это устройства, созданные по аналогии с микросхемами и предназначенные для одновременного выявления множества определенных последовательностей ДНК. ДНК-микрочип обычно выглядит как отполированная кремниевая пластина, на поверхности которой закреплены специальные ДНК-зонды. Зонд — это небольшой искусственно синтезированный участок ДНК, который нацелен на выявление одной мутации. На чипах разных производителей может находиться до нескольких миллионов зондов. С помощью такого метода можно посмотреть, есть ли определенные мутации в ДНК конкретного человека или нет.
Как отмечает Алексей Сергушичев, одним из наиболее прямолинейных методов генетических исследований на сегодняшний момент является полногеномный поиск ассоциаций (GWAS — Genome-wide association studies). GWAS направлен на поиск однонуклеотидных полиморфизмов (различий в последовательности ДНК в один нуклеотид) и связанных с ними фенотипических различий. Сегодня такой метод часто применяется для поиска генетических факторов риска различных заболеваний, но для достоверных выводов требует очень большого количества участников.
«Этот метод построен на следующем принципе: как правило, берется большое количество людей, у которых есть определенное заболевание, а также большое количество здоровых, они сравниваются и, например, обнаруживается, что определенная мутация чуть чаще встречается у больных, чем у здоровых, — говорит Алексей. — Но проблема в том, что это тест на ассоциации, он ничего не говорит про каузативность, что является настоящей причиной заболевания, он просто показывает, что в определенном участке есть что-то, что как-то действует на болезнь. При GWAS испытуемых можно разделять по больным и здоровым, а кто-то даже пытается таким образом смотреть, от чего зависит IQ. На самом деле можно разделить по любому признаку и попытаться поискать какие-то ассоциации».
Также он добавляет, что метод работает только на частых мутациях. Если определенная мутация представлена в популяции с большой частотой, значит ее с большой долей вероятности можно найти как среди больных, так и среди здоровых людей, а после за счет разницы между группами испытуемых постараться найти определенные закономерности. С другой стороны, так как таких мутаций в популяции много, эффект от каждой из них в отдельности не очень большой, объясняет Алексей Сергушичев.
Нередко в отчетах компаний, которые делают популярные генетические тесты, можно встретить вывод, что у человека есть определенная мутация, повышающая предрасположенность к какому-то заболеванию, например, в полтора раза. Может показаться, что это много, но на практике обозначать увеличение риска с одного до полутора процентов. В этом случае необходимо учитывать другие факторы, в том числе образ жизни человека, влияние среды и так далее, эффект которых может быть во много раз больше генетической составляющей. Поэтому полагаться только на результаты гентеста некорректно.
Другой случай — конкретные гены или мутации, для которых четко доказан эффект. Известный пример — ген BRCA1, который в прессе назвали «геном Джоли». Это произошло после того, как стало известно, что знаменитая голливудская актриса Анджелина Джоли сделала превентивную мастэктомию после обнаружения при секвенировании мутантного гена BRCA1, который передался ей по наследству. Особенности этих мутаций в высокой пенетрантности и аутосомно-доминантном типе наследования. Высокая пенетрантность означает, что они имеют высокую степень проявляемости, то есть наличие мутации с большой вероятностью приводит к заболеванию. Аутосомно-домининантный тип наследования говорит о том, что достаточно мутации лишь в одной из двух копий гена.
В случае семейной предрасположенности к какому-либо онкологическому заболеванию врачи неслучайно советуют пройти генетическое тестирование, которое поможет определить вероятность развития заболевания. Для ряда онкологических заболеваний уже хорошо известно, какие мутации в гене приводят к их возникновению с большой вероятностью.
Поиск редких мутаций
Другой способ генетических исследований — Rare variant association studies, или поиск редких мутаций. Они, напротив, очень редко встречаются в популяции, но зато эффект каждой из них в отдельности достаточно большой.
«Если GWAS делается с помощью ДНК-микрочипов, исследователи измеряют частые мутации и по ним пытаются что-либо проанализировать, при методе Rare variant association studies делается либо полное экзомное секвенирование, либо полное геномное. Экзом — это только та часть, которая кодирует белки. Делать экзомное секвенирование дороже, чем метод микрочипов, образец стоит порядка 1000 долларов, а микрочип — порядка сотни долларов, — говорит Алексей Сергушичев. — Но при методе поиска редких мутаций, если находится действительно редкая мутация, которой нет у здоровых людей в популяции, а среди больных она встречается значительно чаще, то можно сказать, что она действительно имеет значительный эффект, после чего этот эффект можно изучить уже более детально».
Актуальные исследования
Поиском редких мутаций сегодня занимаются научные группы. Например, такого рода исследования делают и специалисты лаборатории «Компьютерные технологии» совместно с сотрудниками НМИЦ имени В. А. Алмазова, которые секвенируют экзомы для пациентов с врожденными кардиологическими заболеваниями.
Ряд других проектов посвящены изучению механизмов возникновения рака, а также выработке различных способов для эффективной терапии. Например, в одной из работ Алексей Сергушичев в составе исследовательской группы изучал метаболические аспекты онкологических заболеваний и, в частности, на примере рака легких смотрел, как опухоль может жить без глюкозы. В результате исследования ученые показали, что из-за мутации одного из генов при развитии опухоли раковые клетки во время своего развития действительно получают возможность не только использовать в питании глюкозу, но и другие вещества, например, глутамин. Также было доказано, что если этот ген попытаться заблокировать, то удастся стабилизировать развитие опухоли на одном уровне.
Еще одно актуальное направление в области борьбы с онкологическими заболеваниями — иммунотерапия. В прошлом году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины получили Джеймс Эллисон из США и Тасуку Хондзё из Японии. Ученые обнаружили два разных чекпоинта — механизма, с помощью которых организм подавляет активность Т-лимфоцитов, иммунных клеток-убийц. Если заблокировать эти механизмы, то Т-лимфоциты «выходят на свободу» и отправляются на битву с раковыми клетками. Это называют иммунотерапией рака, и она уже несколько лет применяется в клиниках.
Исследования ученых Университета ИТМО, которые проводятся совместно с исследователями Университета в Сент-Луисе также посвящены разработке механизмов, которые позволят направить иммунную систему на конкретную опухоль пациента с помощью персонализированной противораковой вакцины.
Потребительская геномика
За последнее десятилетие методы генетического анализа, подходы медицинской генетики и геномики стали доступнее массовому потребителю. Объем совокупного глобального рынка исследований, посвященных геномике, оценивается в десятки миллиардов долларов. Медицинские клиники и стартапы предлагают основанные на генетическом анализе услуги, в России этот рынок также продолжает расти.
Одной из популярных услуг в последние годы стали генетические тесты на определение этнической принадлежности. Анализ этнического происхождения производится путем поиска в геноме заказчика генетических маркеров, специфичных для одной из четырех историко-популяционных групп людей. По маркерам определяется процент предков заказчика из конкретного региона. Иными словами, результат анализа показывает соотношение историко-популяционных групп в геноме заказчика.
Однако стоит понимать, что популяционная генетика не имеет никакого отношения к национальностям и современным политическим границам. Здесь идет речь об очень ранних временных отрезках: 150-50 тысяч лет назад. Именно поэтому если ваш результат теста выдаст, например, что ваши предки были на 70% из скандинавских стран, не стоит интерпретировать их с точки зрения современных государственных границ. Результат такого теста выглядит как карта мира без современных политических границ, где очерчен ареал таких же людей с определенной вероятностью. В вашем случае это, скорее всего, будет зона, в которую включены скандинавские страны, Вологодская, Архангельская область России и другие близлежащие территории.
Сегодня компании также предлагают потребителям сделать тесты на различные заболевания. Как отмечает Алексей Сергушичев, ряд компаний делают тесты на конкретные заболевания, для тех мутаций, для которых есть очень четкий эффект (например, это уже обозначенные мутации BRCA 1, BRCA 2), также есть много компаний, которые используют метод ДНК-микрочипов, по которым ищут взаимосвязи между мутациями и теми или иными признаками. Он добавляет, что к результатам генетических тестов следует относиться с осторожностью, в большинстве случаев необходимо смотреть на семейную историю, а также на другие факторы.
«Все по-разному научились продавать генетические тесты покупателям. Например, есть даже такие компании, которые готовы сказать про вашего ребенка, есть ли у него способности к спорту или нет. Разумеется, такие вещи плохо воспринимаются научной средой, потому что в таких случаях генетический эффект очень маленький, куда большую роль играет эффект среды — в этом случае количество тренировок и так далее. Кроме того, нужно особо осторожно подходить к подбору научных статей, на которые опираются генетические тесты. Далеко не все из них действительно качественные», — говорит он, добавляя, что с генетическим тестами хорошо работают компании, которые имеют дело с мутациями, высокий эффект которых четко доказан, а также с теми, кто также принимают во внимание семейную историю и другие факторы.
Зачем изучать популяции с точки зрения науки?
Однако изучать популяции интересно не только, чтобы понять, откуда мы «ведем свой род», но и для конкретных научных целей. В последние годы проводится множество исследований, направленных на изучение влияния генетического полиморфизма на эффективность действия лекарств. Есть данные, что некоторые лекарства потенциально имеют генетические особенности выведения из организма, различаются и особенности усвоения препаратов.
В 2008 году Интернациональный исследовательский консорциум объявил о начале проекта «1000 геномов», который заключался в попытке полного секвенирования (расшифровки) геномов по крайней мере тысячи человек по всему земному шару для создания наиболее детальной и применимой в медицинских целях картины генетической вариабельности человеческого генома. Основываясь на результатах генетических экспертиз, проведенных независимыми исследовательскими группами, сформированными из специалистов в разных областях, авторы проекта планировали создать карту генома человека, которая позволит выявить значимые с медицинской точки зрения вариации ДНК.
Четыре года спустя старта проекта его авторы опубликовали результаты первого этапа. В них описывались профили редких и распространенных генетических вариаций 1092 человек, относящихся к 14 популяциям в Европе, Африке, Восточной Азии, Северной и Южной Америках. Исследование также показало, что в распределении редких генных вариантов большую роль играет география, то есть этническая принадлежность носителя генома. Профили вариантов варьируют от популяции к популяции.
В России реализуется собственный проект «Российские геномы». Его целью является создание открытой базы данных, содержащей анонимную информацию о полногеномных последовательностях по меньшей мере от 3000 мужчин и женщин из разных регионов России (их предки являются коренными жителями данного региона в нескольких поколениях), а также описание вариаций в геноме у этих групп, определение особенностей, влияющих на распространение заболеваний и создание информационной базы медицински-значимых геномных вариантов, характерных для населения России.
С данными проекта «Российские геномы» работала и сотрудница лаборатории «Компьютерные технологии» Екатерина Носкова, которая определяла демографическую историю для жителей Пскова, Новгорода и Якутии.
«Демографическая история — это история развития нескольких популяций, которая включает в себя информацию о том, сколько лет назад эти популяции были одной, сколько лет назад они разделились, какова была численность каждой популяции и как она менялась с течением времени. Если мы говорим о людях, есть популярная модель, которая называется “Выход людей из Африки”. В этой модели участвуют африканцы и евроазиатская популяция, и ставится задача узнать, когда разделились африканская и евроазиатская популяция. С помощью реализации различных методов удается выводить такие истории», — рассказывает она.
По словам Алексея Сергушичева, во многих странах популяционные исследования частично финансируют крупные фармкомпании, в России, где такие проекты находятся полностью на обеспечении государства, такая модель пока не распространена. Во многой причина этому — требования к защите персональных данных. К слову, накануне Роспотребнадзор подготовил законопроект, согласно которому информация, полученная из биологического и генетического материала россиян, должна подлежать защите. Соответствующий документ опубликован на портале нормативно-правовых актов.
