Оксана Рыжкова: «Наша работа находится на стыке многих дисциплин, здесь столько интересного и не открытого»
В новом выпуске программы «Российский Радиоуниверситет» Радио России вышло интервью руководителя центра коллективного пользования «Геном» Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова, доцента кафедры молекулярной генетики и биоинформатики ИВиДПО МГНЦ, к.м.н. Оксаны Рыжковой.
Тема программы: «Экзом – библиотека сборочного цеха наших клеток».
Беседовал: автор и ведущий программы «Российский Радиоуниверситет» Радио России Дмитрий Конаныхин.
Многие из нас знают о генетике, о существовании генома, но что такое экзом? Для чего его изучают? С этим вопросом мы отправляемся в знаменитый Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова к кандидату медицинских наук, руководителю центра коллективного пользования «Геном», доценту кафедры молекулярной генетики и биоинформатики ИВиДПО МГНЦ Оксане Петровне Рыжковой. Оксана Петровна, добрый день!
Добрый день! Экзом – это небольшая часть генома, которая включает последовательности, кодирующие белки. У нас около 20 000 таких последовательностей, называющихся генами, и даже в них лишь часть является кодирующей - экзоны. Некодирующие части генов вырезаются, они называются интроны. Экзом – это совокупность всех экзонов генов, кодирующих белки.
Если мы сравним организм с крупным заводом, где огромное количество станков, различных конвейеров, цехов. На каждом заводе есть техническая библиотека, где собраны инструкции и чертежи. Правильно ли я понимаю, что экзом можно сравнить с таким набором инструкций и чертежей, которые сконцентрированы в определенном месте, и там идет воспроизводство клеток нашего многоклеточного организма?
Да, это можно так представить. Экзом – это инструкции, которые говорят как собирать белок и какая у него будет функция. Экзом – лишь небольшая часть генома, всего 1,5 %. Остальная часть – это некодирующие последовательности. Если экзом – это то, как будет выглядеть белок, и какая у него будет функция, то остальная часть генома – это уже больше настройка его функционала: как он будет связываться с другими белками, как он будет вести себя в клетке при изменении условий и так далее.
Если в человеческом геноме около 3 миллиардов пар нуклеотидов, то 1,5% – это довольно большое их количество. Получается, нам надо найти места, где могут быть повреждены определенные «записи». Как это достигается, ведь это очень трудоемко – среди миллионов искать «поломки».
Мы говорим о так называемых моногенных заболеваниях, причина которых – «поломка» всего в одном гене. Это обычно редкие заболевания, не такие широко известные мультифакторные, как болезнь Альцгеймера, например. Если произошло одно событие, которое приводит к заболеванию, то надо найти всего одно изменение во всей последовательности. Было бы очень непросто, если бы мы смотрели отдельно каждый из миллиарда нуклеотидов. Но у нас есть так называемый референсный геном – стандартная последовательность, составленная из данных нескольких людей без тяжелых моногенных заболеваний. При сравнении последовательности пациента и референсного генома, мы видим, что большая часть последовательности схожа. Остается несколько тысяч нуклеотидов, которые отличаются, и мы разбираемся уже в них. Существуют замены, которые не приводят к заболеваниям, они просто отличают нас друг от друга. Такие варианты встречаются у значительной части населения, мы их называем полиморфизмами и знаем, что они не являются той самой «поломкой», соответственно, в них тоже не ищем причину заболевания. Таким образом, когда мы исследуем экзом больного, остается проанализировать от 100 до 500 замен, которые действительно могут быть причиной заболевания.
Если сравнивать с технической библиотекой, то вы подходите к этим шкафам, видите, что там что-то в беспорядке расставлено, и вы пытаетесь с этим разобраться. Но здесь возникает вопрос. Увидели мы, например, что какие-то инструкции не на месте, что это вам дает, практикующим генетикам? Разве можно их переставить в нужном порядке или еще что-то сделать, чтобы клетка работала нормально?
Мы должны найти одну-единственную «инструкцию», и тут нам помогает знание функции гена. Если что-то пошло не так в «папке», которая не относится к нашему заболеванию, то это, наверное, не то, что нам надо. Все же мы ищем в тех «папках», где мы предполагаем соответствующий клинический эффект. Когда мы находим причину болезни, это очень важно для самой семьи. Хотя бы психологически понимать, что происходит. Также это важно для дальнейшего медико-генетического консультирования. Заболевания бывают разные, и, соответственно, консультирование зависит от того, что мы находим. Бывают такие варианты замены, «поломки», которые возникают случайным образом только у конкретного ребенка, ни мама, ни папа, не являются носителями, поэтому они могут планировать деторождение, не опасаясь повторения этой тяжелой ситуации.
Тут важно напомнить радиослушателям, которые слушают наши беседы впервые, что генетические «поломки» могут возникнуть у каждого, не важно, являетесь ли вы спортсменом или нет, молодой вы или пожилой человек, это естественная история для каждого на планете Земля. Но возникают ситуации, когда такие мутации могут наследоваться от родителей с вероятностью 25%, правильно я понимаю?
Это если говорить о рецессивных заболеваниях. Существуют еще и доминантные, они отличаются от рецессивных тем, что хватает «поломки» на одной копии гена. У нас, как мы знаем, 23 пары хромосом, включая половые, всего их 46. Пары хромосом существуют не просто так. Наш геном дублирован, если что-то происходит на одной хромосоме, в большей части случаев это может ни к чему не привести, поскольку есть вторая, здоровая копия. Но доминантные заболевания развиваются даже когда «поломка» происходит в одной копии. Проблема этих заболеваний заключается в том, что, скорее всего, они не унаследованы. Если заболевание тяжелое, если оно проявляется уже в детстве, то, скорее всего, эта «поломка» случилась только в одном конкретном эмбрионе и для следующих эмбрионов прогноз будет благоприятный. Для проявления рецессивного заболевания необходимо наличие «поломки» в генах на обеих хромосомах. Мы все носители примерно от 2 до 10 наследственных рецессивных заболеваний, то есть 2 – 10 генов у нас у всех несут «поломку». Но есть вторая «здоровая» копия, поэтому мы не болеем. Когда встречаются два носителя, тогда с вероятностью 25% может родиться больной ребенок. Зная, что произошло, и в каком гене, мы можем прогнозировать, имеет ли смысл семье волноваться перед рождением детей в будущем или нет. Если имеет, то у нас есть пренатальная диагностика, есть преконцепционная, когда при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) подсаживаются только здоровые эмбрионы. Сейчас много возможностей диагностики, поэтому очень важно знать, что же случилось в семье, чтобы этого не повторилось. Когда я приходила работать в Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова 15 лет назад, мы говорили только о медико-генетическом консультировании, насколько это важно для семьи. Но сейчас очень широко развивается генная терапия, у нас уже есть генотерапевтические подходы к лечению некоторых наследственных заболеваний. Например, есть такое заболевание спинальная мышечная атрофия (СМА). При тяжелых формах ребенок умирает в возрасте до 2 лет, но сейчас существуют генотерапевтические подходы к его лечению, благодаря которым ребенок остается физически сохранным и мало отличается от сверстников. Важно помнить, что разработка такого лечения основана на знании того, где и какая «поломка» произошла. В прошлом году стартовала программа расширенного неонатального скрининга на 36 наследственных заболеваний, их все можно лечить. Если раньше знание «поломки» было важно только для консультирования, то сейчас и для лечения, даже если на данный момент его нет. Во всем мире очень много групп ученых, включая две группы Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова, которые разрабатывают новые подходы к терапии. В той условной «папке», как вы это описали, они переставляют «инструкции» так, чтобы все работало.
Возникает вопрос: если уже генетики сократили область поиска до приемлемой по затратам времени, есть ли возможность в далеком будущем, встречая своего любимого человека понимать риски?
Это не далекое будущее. Пока что полногеномные исследования дороже, но все идет к тому, что мы перестанем смотреть экзомы, потому что это все же ограниченная информация. В экзоме мы видим примерно 85% всех причинных «поломок», остальные 15% сосредоточены в геноме. Сейчас все больше и больше лабораторий переходят на полногеномное секвенирование. В Израиле, например, пары, вступающие в брак (мы говорим про ортодоксальную часть населения), проходят генетическое исследование. Сами они по этическим соображениям не получают данные генетического исследования, но раввин, который благословляет брак, знает геномные данные супругов. В случае необходимости он предупреждает, что, когда будет планироваться деторождение, необходима консультация врача-генетика. У нас такой практики нет, однако можно прийти в лабораторию и сдать анализ на частые мутации – «поломки» в генах, приводящие к частым наследственным рецессивным заболеваниям. Можно посмотреть экзом семейной пары и увидеть, есть ли у них «поломки» в общих генах, и дальше проконсультироваться, что можно сделать, чтобы избежать рождения ребенка с рецессивным заболеванием. Однако, не исключена вероятность появления на свет больного ребенка, потому что «поломки» могут возникнуть в самом эмбрионе, родители не будут их носителями. Данные мероприятия, как минимум, значительно снижают риски.
Здесь очень важный момент. Получается, что в нашей стране, где живет такое количество разных народов, самыми здоровыми являются семьи, где активно смешиваются гены, которые не замыкаются внутри своего народа? Чем больше различных генетических вариантов, тем здоровее будущее поколение, правильно?
Абсолютно правильно. У финнов была целая программа привлечения населения из Азии и Африки, даже не из Европы, поскольку чем дальше друг от друга находятся расы, тем ниже вероятность наследственного рецессивного заболевания у потомства. В нашей стране большое количество разных популяций, есть и так называемые «изоляты», которые живут в определенных регионах и вступают в брак избирательно с теми, кто живет с ними на одной ограниченной территории или по религиозным и другим соображениям. В таких группах происходит накопление «поломок», и, соответственно, повышенный риск рождения ребенка с наследственным моногенным заболеванием.
Если мы говорим о здоровье детей, над чем работает ваша лаборатория? Чтобы мы понимали, как выглядит передний край генетической науки?
Во-первых, мы все еще не имеем полную информацию о вариантах, которые находим в экзоме. Когда мы говорим, что сейчас найдем «поломку» и установим причину заболевания, это, на самом деле, немножко оптимистичное заявление. В реальности мы найдем «поломку» только в 50% случаях. Может быть потому, что она расположена в геноме, а может потому, что «поломка» в экзоме, но в гене, функцию которого мы не знаем. Не для всех 20 000 генов описана функция. Существует исследование полного экзома, и есть так называемый «клинический экзом», то есть анализ генов, о которых известно, к какому заболеванию приводят их варианты, или, как мы говорим, известен фенотип.
Клинический экзом – это совокупность более 6 000 генов. У нас до сих пор открываются новые связи ген-фенотип, каждый год их около 200. В период, когда началось масштабное секвенирование, начиная с 2013 года, новые гены открывались сотнями, только в одной публикации могло быть описано 20 новых генов. Сейчас такого потока нет, однако по-прежнему открываются новые гены, этим, кстати, мы тоже занимаемся. Причины наиболее частых наследственных заболеваний, в основном, понятны. Но есть совсем редкие болезни, когда в мире описаны всего 2,3,4,5 человек. В этих случаях понять причину, в каком гене варианты привели к конкретному фенотипу, очень сложно. Не для всех нуклеотидных замен понятна их патогенность. То есть, замена произошла, но мы не знаем, повлияет это на здоровье или нет. Замены, которые не приводят к болезни, мы называем полиморфизмами, полиморфными состояниями. То есть, замена есть, но заболевания не будет. Сейчас в мире отсеквенировано около 1 миллиона геномов и несколько сотен миллионов экзомов, создаются общемировые базы данных, потому что одна группа или одна страна не может справиться самостоятельно. Мы являемся частью мирового сообщества, которая вносит свой вклад в развитие этих знаний. Дальше мы должны разобраться с полным геномом, понять его тонкие настройки. Сегодня этот процесс находится на самом начальном этапе, и нам, как человечеству, еще предстоит долго разбираться с данной информацией. Моя задача как заведующей ЦКП «Геном» Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Боякова состоит в поиске объяснений того, какие существуют «поломки» в геноме и как могут выражаться в фенотипе.
Часть того, о чем вы говорите – это инструментарий математиков. Тут и статистика, и теория вероятности, и технологии искусственного интеллекта для обработки огромного массива данных. Я не представляю, как может ограниченное количество человек в лаборатории, или даже десятки тысяч по всему миру, справиться с этими взаимодействиями. Потому что одно дело – прочитать миллион последовательностей, другое – сравнить, как они друг с другом работают. Сложность этих связей гораздо больше, чем нам представляется. Я просто делаю такой «мостик» для наших мальчиков и девочек, которые говорят, что генетика – это биология. Но тут и математика, и физика, и химия, и тонкая химия.
Генетика, конечно, находится на стыке биологии и математики, в основном. Сейчас мы находимся на этапе изучения самых простых взаимодействий. Самое простое для математики – это наследственная моногенная патология, когда две копии одного гена сравниваются с референсом. У полиморфных заболеваний, например, у диабета второго типа, много причин, наследственная компонента не такая большая, около 8%, основная причина – внешние факторы. Когда наследственная компонента не в одном, а в нескольких разных генах, происходят даже не «поломки», а такие изменения, которые несколько меняют функцию белков, а также их взаимодействие. Это проявляется при каких-либо агрессивных внешних факторах. Такие заболевания – большая проблема для математиков и пока она не решена. Расшифровав геном и увидев в нем все замены, мы не можем предсказать с высокой точностью, какое взаимодействие произойдет, и какой будет его результат. Это уже следующий этап, после того, когда мы разберемся с базовым этапом.
Такая область как эпигенетика включает влияние на эти генетические «инструкции»: и пища, и образ жизни, и многие другие факторы, которые нас окружают. Как это работает?
Эпигенетика – еще одна очень интересная тема, когда «поломки» вроде нет, а заболевание есть. Один из видов регуляции генов – эпигенетические модуляции, когда какой-то участок гена блокируется метилированием, и ген просто не читается. В нем «поломки» нет, но он не работает. Есть целая группа наследственных заболеваний, которая связана с таким фактором – болезни импринтинга. Эти болезни интересны тем, что кроме наличия «поломки» важно, на какой хромосоме, от отца или от матери, она находится, так как вторая всегда гиперметилирована и не работает. Например, если «поломка» пришла от отца, и при этом отцовская часть хромосомы будет гиперметилирована, то ребенок не заболеет, а если та же «поломка» на той же хромосоме в том же месте пришла от матери, то ребенок заболеет, так как в таком случае не будут работать обе хромосомы. Этот вид регуляции сейчас тоже активно изучается, именно «надгеномная» (эпигенетическая) регуляторика.
Если мы говорим о работе вашей лаборатории. Допустим, вы определяете в экзоме определенный участок, дальше вы сообщаете коллегам, которые могут заниматься терапией, либо родителям. С точки зрения консультирования, как вы объясняете это людям, чтобы они понимали, зачем это нужно?
Очень хороший вопрос. Мы пациентам напрямую не объясняем. Те, кто видит «поломку», не должны что-то объяснять пациенту, с пациентом общается врач, а мы, врачи-лабораторные генетики, объясняем врачу. Такие правила во всех странах. Т.к. невозможно сразу перевести те знания, которые мы имеем в области биологии, пациенту. Мы не можем передать пациенту на простом языке, что ему надо делать, чтобы с этой «поломкой» жить максимально комфортно в его ситуации. Поэтому в заключениях лаборатории написано, что необходима консультация врача-генетика. К нам пытаются обращаться пациенты за разъяснениями, но мы только ищем причину тяжелой наследственной патологии, мы не назначаем терапию и не ведем его в дальнейшем, у нас другая задача.Также как и «развлекательная генетика» - не наша область. Большая проблема заключается в том, что мы не знаем патогенности части поломок, они не описаны в литературе, у нас нет никаких подсказок. Мы видим только, что это очень редкое событие, в здоровой популяции оно не встречается, что оно произошло ровно в том месте, где мы ожидаем «поломку». Однако в 40% случаях мы не знаем, является это причиной болезни или нет. Консультирует пациента врач-генетик, изучает фенотип, клинические проявления заболевания, и говорит: да, очень похоже, что именно эта «поломка» приводит к вашим симптомам; либо нет, есть сомнения, и тогда надо проводить дополнительные исследования, чтобы понять патогенность.
Правильно ли я понимаю, что мы фактически только 11 лет (с 2013 года) активно занимаемся изучением всех этих считываний: расшифровкой генома человека, последовательностей новых генов. 11 лет – это очень мало, чтобы набрать статистику? Но только накопив эту статистику в течение жизни разных людей, возможно, нескольких поколений, за 50 – 70 лет мы будем понимать как это все работает?
Я думаю, что это не 50 и не 70 лет, а намного быстрее, потому что мы в генетике действительно очень быстро шагаем вперед. В 2001 году произошла первая расшифровка генома человека, в 2013 появились методы, позволяющие быстро и качественно секвенировать экзомы и геномы, и, соответственно, с этого времени мы действительно копим данные. Это к вопросу о тех базах данных, которые мы создаем всем миром. Пока у нас действительно мало накоплено сведений. Мы как мировое сообщество с этим разбираемся. У нас даже проходят исследования, когда специально «мутируют» каждый нуклеотид в гене, чтобы посмотреть, к чему это приведет. Первая такая работа была проведена с геном BRCA2, патогенные «поломки» в котором приводят к раку молочной железы. Его «промутировали» полностью. Не набирали группу пациентов, а специально изменяли каждый нуклеотид, чтобы понять, к чему это приведет. Есть другой подход – собирать все клинические случаи в базу данных. Мы наберем ее, и не за 50 лет, а гораздо быстрее. Но пока мы находимся на этапе сбора информации и ее оценки.
Здесь еще такой вопрос. Одно дело собирать информацию о людях, другое – можно ли создать референсные органы, ткани, части нашего тела и на них проверять эти генетические поломки?
Это уже сделано, есть отдельные клетки определенной ткани. Существуют так называемые органоиды, похожие на орган. Есть виварий: мыши, рыбки, мушки и так далее. Уже есть много разных моделей, на которых проводятся исследования, чтобы как можно быстрее собрать информацию и иметь доступ к быстрой и эффективной диагностике, а также к разработке подходов к лечению. Потому что пока мы не знаем, патогенный перед нами вариант или нет, мы не можем лечить.
На самом деле это показывает, какой огромный фронт работы есть для наших будущих поколений, новых генетиков, тех ребят, которые выбирают новую профессию. Они еще за партой, и им понадобится огромное количество знаний и по биологии, и по медицине, математике, программированию, и, непосредственно, по генетике. Мы продолжим обязательно беседы со специалистами Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова. Оксана Петровна, что бы вы могли сказать в конце нашей программы?
Действительно, наша работа находится на стыке многих дисциплин, приходите и занимайтесь генетикой, здесь столько всего интересного и не открытого! И мы сейчас очень быстро идем вперед!
Полное интервью можно прослушать по ссылке: https://rutube.ru/video/private/b0e5e68e2d5b9efbeb1f6e4be73437a0/?p=i_wK6ldqR2zZEvTEhzpMfg