Приготовьте генные бумаги

Проект «Российские геномы» стартовал в Санкт-Петербурге.

Тигры могут вернуться в южнорусские степи, кошки помочь в лечении СПИДа, а люди понять, откуда они здесь. Именно такие задачи ставят перед собой генетики. Причем не в мировых масштабах, а в пределах одной петербургской лаборатории.

Центр геномной биоинформатики был создан на средства мегагранта и мог быть открыт в любом городе России.

Петербург выбрали по трем причинам, объясняет руководитель центра, ученый с мировым именем Стефан О'Брайен: «Во-первых, это очень красивый город. Во-вторых, здесь много хороших математиков, специалистов в области статистики и программирования. В-третьих, СПбГУ был очень заинтересован в создании нашей лаборатории».

«Тренируйся на кошках»

Происхождение домашних кошек – лишь один из вопросов, который решают биологи. И он кажется незначительным только на первый взгляд.

«Мы секвенируем (определяем последовательности нуклеотидов – «букв» ДНК) два организма, которые родственны друг другу, но обитают в разных условиях. Идет анализ разных представителей семейств кошачьих –от домашних кошечек до тигров. Сравнивая различия, можно выявить генетические факторы, обусловившие такую разную эволюционную судьбу», – объясняет ведущий научный сотрудник Центра геномной биоинформатики им. Ф.Г. Добржанского СПбГУ, кандидат биологических наук Антон Свитин.

Одни гены отвечают за метаболизм жиров, другие за остроту обоняния. Теперь ученые могут различить их.

На кошках, как ни удивительно, можно исследовать многие человеческие заболевания. Например, кошачьи болеют синдромом приобретенного иммунодефицита. Только называется он не HIV, а FIV – Felis, а не Human. И это только одна из ста болезней, общих для кошки и человека.

Недавно петербургские ученые составили аннотацию генома домашней кошки – не просто выявили набор букв, а сделали полноценную их интерпретацию. Обнаружили участки, регулирующие активность генов, которые читаются чаще других.

Другие представители семейства кошачьих, попавшие в сферу интересов генетиков из СПбГУ, – гепарды, самые быстрые хищники нашей планеты.

Эти животные прошли через бутылочное горлышко – так биологи называют сокращение популяции, ведущее к тому, что все потомки происходят от нескольких особей. Негативные факторы, влиявшие на родителей, распространяются на весь вид. И эта особенность делает гепардов интересной моделью для выявления гомо- и гетерозиготных последовательностей. А также дает представление, как восстанавливать исчезающие виды за счет других, близких генетически.

Эти знания используются и в самом известном проекте петербургских ученых.

Возвращение тигров

Амурский тигр живет в ограниченном ареале, в середине прошлого века популяция упала до 40 особей. В последнем отчете Владимиру Путину министр природных ресурсов Сергей Донской отчитался, что на Дальнем Востоке обитает немногим больше 500 тигров и пообещал довести популяцию до 700 особей.

В ответ президент озвучил главную проблему, с которой приходится сталкиваться защитникам редких животных: браконьерство. «Причем есть такие абсолютно дерзкие проявления этого браконьерства, вызывающие», – подчеркнул Путин.

Оказывается, в борьбе с преступниками – охотниками и контрабандистами – тоже помогает генетика.

10 лет назад профессор О’Брайен при участии китайских коллег сделал детальное описание амурского тигра с точки зрения молекулярной генетики.

В результате ученые разработали методы, подобные тем, которые применяются в криминалистике: по биоматериалам удалось определить, что большинство шкур амурского тигра браконьеры сбывают в Гонконге. Результаты генетической экспертизы уже стали определяющим доказательством в уголовном деле.

Генетики надеются возродить и другой подвид тигра – закавказский, или туранский, вымерший в середине ХХ столетия.

«Изучив музейные экспонаты, мы показали, что ДНК амурского и туранского тигра генетически неотличимы. Поэтому мы изучаем возможность заселения прикаспийских степей амурскими тиграми, но не дикими особями с российского Дальнего Востока, а выращенными в зоопарках и питомниках в рамках программы по восстановлению популяции», – рассказывает О’Брайен.

Для реализации этой программы ученым из Петербурга не нужно летать на Амур. С тиграми работают биологи с Дальнего Востока, секвенирование частично происходит в Китае, в нашем городе производят окончательную обработку данных.

Пекинские центры секвенирования называют фабриками – там одновременно работают тысячи больших и сложных машин, и это делает процедуру ощутимо дешевле.

Но некоторые важные операции: секвенирование бактерий или байкальской нерпы осуществляется в петербургской лаборатории, без участия китайских коллег.

Самая подходящая бактерия

Интересы генетиков не ограничиваются животными, пусть даже самыми замечательными и редкими. «Мое исследование ближе к человеку, тема называется «полногеномный скрининг ассоциаций», – рассказывает Антон Свитин. – Например, мы предполагаем, что какая-то болезнь обусловлена генетическим фактором. Берем две группы – в первую включаем людей, подверженных определенной болезни, во вторую – здоровых. Секвенируем их геномы и сравниваем на предмет различий, которые могут помочь найти причину заболевания».

Количество возможных отличий в ходе одного такого эксперимента приближается к миллиону, из этого числа ученым предстоит выделить значимые для исследования. Изучать можно не только болезни, но и навыки и таланты, которые предположительно имеют наследственную природу. Если повезет, данные сложатся в логичную картину. Если нет (а такое происходит чаще), придется искать более сложные закономерности.

Сегодня ученые полагают, что большинство генов влияют на наследственность неоднозначно – не дают четкого результата «да» или «нет», а смещают вероятность возникновения заболевания или таланта на какую-то долю.

Развитие этого направления может привести человечество к возникновению персональной медицины. Возможности лечить конкретного человека, учитывая все его индивидуальные особенности и предрасположенности.

Кандидат биологических наук, постдок (так называют ученого, получившего степень кандидата наук меньше трех лет назад) Екатерина Черняева изучает генетическое разнообразие бактериальных штаммов, вызывающих туберкулез, исследует их распространение в разных регионах России. С образцами помогают медики из Санкт-Петербургского НИИ фтизиопульмонологии.

«Моя работа позволяет прогнозировать течение инфекции, осуществлять более точную диагностику, а главное, корректировать терапию в применении к конкретному организму», – объясняет Екатерина.

Ученые находят связь между генетическими особенностями бактерии и ее признаками: устойчивостью и уязвимостью к лекарствам, склонность поселяться в том или другом организме.

В идеале лечение должно строиться на сравнении двух показателей: генома бактерии и генома человека. Когда-нибудь так и будет.

А пока речь идет о внедрении полученных сегодня знаний о бактериях в клиниках города. По оценке Екатерины Черняевой, разработка действующих тест-систем займет несколько лет.

Но технические возможности меняются невероятно быстро: в начале века на расшифровку генома уходили годы и сотни миллионов долларов, сейчас перед учеными стоит вполне достижимая задача сделать составление генетического паспорта доступной для горожан услугой. Себестоимость процедуры приближается к сотне тысяч рублей за геном, срок исчисляется неделями – столько же занимает оформление обычного паспорта.

Но возникает сложность: результаты анализа выглядят как длинная последовательность букв, непонятная непосвященному пациенту. А интерпретация, которую сделает специалист, всегда будет упрощением, возможно, ошибочным.

«С одной стороны, знания умножают скорбь, – резюмирует Антон Свитин. – С другой, предупрежден, значит вооружен». Иными словами, результат анализа ДНК это не приговор, а указание на вероятную зону риска.

Генная география

Возможно, самая важная задача современной биологии – обработка всех 20-25 тысяч генов человеческого генома.

Такое исследование позволяет, к примеру, определить принадлежность человека к определенному этносу. Интересные исследования проходили в Финляндии – жители переселялись на север страны большими семьями, поэтому население региона составили несколько однородных популяций.

Ученые наложили генетическую карту северной Финляндии на географическую и убедились: картинки совпали почти полностью. Но это идеальная ситуация – в истории народов она возникает достаточно редко.

Всего в рамках международного проекта «Тысяча геномов» исследовали 15 человеческих популяций из Азии, Африки и Европы. К сожалению, на территории России подобные исследования не проводились. Восполнить пробел берутся генетики из СПбГУ.

Проект «Российские геномы» уже стартовал, но ученые отказываются сообщать подробности, хотя на магнитную доску в кабинете О'Брайена нанесен большой список задач, озаглавленный «Human genetic».

«Это шанс расширить исследованную область, изучить население страны, которая занимает девятую часть суши. Если бы ученые знали, чем все кончится, не нужно было бы производить экспертизу, – объясняет профессор. – А непростая история России делает исследование особенно важным и интересным».

Еще несколько лет – и мы, возможно, узнаем что-то принципиально новое о собственном организме, здоровье и происхождении. Но пока о возможных результатах молчат даже самые компетентные генетики.

Александр Яцуренко