Какие ассоциации у вас вызывает словосочетание «темная материя»? Наверняка вы подумали о космосе. Однако в этот раз речь пойдет, как ни странно, о генетике. Подобно загадкам, которые скрывает наша Вселенная, эта научная область таит немало секретов и интересных закономерностей. Что можно узнать о человеке по его геному? Как расшифровать ДНК древнего мамонта? И в каких научных достижениях соревнуются генетики? Об этом мы поговорили с научным сотрудником геномной лаборатории «Биотехнологический Кампус» Алиной Демкиной.
— Расскажите, как вообще выглядит процесс чтения ДНК? Какие методы ученые для этого используют?
— Сначала давайте разберемся, что такое ДНК. Эта молекула состоит из четырех химических соединений, которые сокращенно называют по первым буквам образующих их веществ: АТГЦ (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Эти буквы чередуются в определенном порядке, образуя последовательность генома во всех организмах. Длина ДНК у каждого варьируется.
На основе этого правила строится весь процесс секвенирования, то есть расшифровки: читая геном, ученые как бы выстраивают цепочку по одной букве. Если к каждой букве химически прикрепить флюоресцентную метку, можно проследить, как ферменты достраивают по букве соседнюю цепочку.
Но есть и другой способ. Можно взять биологическую или твердотельную мембрану, проделать в ней много маленьких отверстий и поместить на них специальный белок, который будет с определенной скоростью проталкивать цепочку ДНК через пору в растворе электролита. Так как наши буквы — это химические соединения, каждая из них, проходя через канал, будет по-своему менять силу тока. Зная паттерн изменения для каждой буквы, можно восстановить последовательность ДНК.
— Сколько времени обычно уходит на расшифровку?
— Это зависит от размера генома и того, насколько подробно нужно его прочитать. Например, чтобы использовать данные секвенирования в медицинской диагностике, весь геном человека нужно прочитать в среднем 20-30 раз. Это позволит точнее оценить представленность аллелей (различных форм одного и того же гена — прим. ред.) и выдать правильное медицинское заключение. В нашей лаборатории стоят приборы, которые за сутки прочитывают в таком режиме по 20 образцов.
— С учетом современных технологических достижений, что можно узнать о человеке по его геному?
— Довольно много. Происхождение, предрасположенность к заболеваниям и особенности наследования некоторых болезней. Мы можем узнать, кем были предки человека, из какой народности они происходили. А также внешние характеристики, к примеру, цвет глаз или структуру волос, определенные черты характера, способность усваивать витамины или определенные соединения, в том числе переносимость лактозы или глютена. Ну и отдельные физиологические и физические качества, скажем, спортивные навыки.
Но важно понимать, что для большинства этих признаков генетики определяют лишь предрасположенность. Потому что помимо генетических важную роль играют внешние факторы. Допустим, на рост человека, наследуемый от родителей, также могли повлиять условия, в которых он жил, или продукты, которые он ел, и тому подобное.
— Влияют ли гены на уровень интеллекта и продолжительность жизни?
— Интеллект сложно измерить, причем не только с точки зрения генетики. IQ-тесты, которые якобы показывают уровень интеллекта, проверяют умение человека решать эти тесты. В одном из исследований на эту тему оказалось, что за последние сто лет люди стали лучше решать подобные тесты. Можно было бы предположить, что мы становимся умнее благодаря каким-то генетическим факторам. Но все же более вероятно, что дело в системе образования, которая менялась и развивалась за эти годы.
Что касается продолжительности жизни: здесь гены играют большую роль, только если мы говорим о генетических заболеваниях. В ряде стран проводились крупные исследования с участием долгожителей. В их геноме пытались найти какие-то особенности. Насколько мне известно, найти какой-то особый ген долголетия ученым не удалось. Поэтому, скорее всего, в этой истории более значимо сочетание различных факторов.
— Вы занимаетесь расшифровкой генома арктических животных, в частности, белого медведя и шерстистого мамонта. Почему выбрали именно их?
— Потому что они большие и красивые! На самом деле эти исследования входят в проект «Секвенирование 1000 арктических видов», который мы ведем с Арктическим научным центром НК «Роснефть». К этой работе подключены специалисты институтов со всей России, в том числе МГУ имени М. В. Ломоносова.
Такие исследования необходимы, в первую очередь, для сохранения биологического разнообразия. Мы изучаем их генетику на популяционном уровне, в том числе, краснокнижных животных, и можем узнать какие-то генетические особенности, например, способность адаптироваться к разным климатическим условиям. Подобно тому, как мы изучаем гены у людей (ищем предрасположенность к заболеваниям), точно так же можно изучать характеристики у животных.
— На каком этапе сейчас находится этот проект?
— Мы собрали геном белого медведя, также у нас есть ряд других видов, в том числе атлантический морж, нерпа, сиговые рыбы, ремнезуб, белуха, ларга, сивуч и морской котик. В этом году планируем изучить особенности геномной организации белого медведя.
— Чем эта сборка лучше?
— Она более детализированная. В геноме большинства организмов встречаются неизвестные, темные области. Вот наглядный пример: около десяти лет шло исследование по расшифровке генома человека, но тогда удалось прочитать только 90-95% информации. До недавнего времени все еще оставалась темная материя в геноме человека, которую не получалось изучить.
А все потому, что некоторые участки в геноме очень трудно прочитать. Как если бы у вас в книге была целая глава, в которой повторяется одно и то же предложение, но вы не сможете сказать, сколько раз оно повторяется в этой конкретной главе, а только знаете, что оно там есть. Тем не менее количество этих повторов имеет значение. Только в прошлом году геном человека был прочитан полностью до теломеры. В нашем исследовании белого медведя мы определили все хромосомы. Осталось расшифровать всего несколько участков.
— Это образец из вечной мерзлоты Якутии. Нам досталась целая нога, что, к слову, большая удача. Для исследований мы брали из нее костную, мышечную, покровную ткани. Получилось достаточно много проб, из которых выбирали самую подходящую. Сохранились эти останки неплохо. В целом, на сохранность образца влияет много факторов. Если какая-то часть тела хорошо сохранилась физически, это еще не значит, что ДНК сохранилась в пригодном для исследований виде. Тут как повезет. Нам повезло. Сейчас мы даже пытаемся восстановить 3D-структуру генома этого мамонта. Конечно, она не будет настолько точной, какую можно было бы получить для современных животных. Тем не менее это хороший экземпляр.
— До сих пор науке неизвестно, как и почему вымер этот вид. Когда вы расшифруете его геном, можно будет узнать причины вымирания?
— Если они окажутся генетическими, например, связаны с заболеваниями, то да. Или, допустим, можно проследить сокращение размера популяции на генетическом уровне и накопление вредных мутаций. Но если причины негенетические, то наш анализ это не определит.
— Как расшифровывают ДНК таких животных? Используют ли для этого какие-то принципиально иные методы?
— По большей части нет. За исключением одного момента. Как я уже говорила, ДНК можно читать короткими и длинными фрагментами. Но поскольку у вымерших видов она со временем сильно деградирует, ее можно читать только короткими. А вот сама работа с образцом — это, конечно, другая история. Во-первых, материал древний. С ним сложно работать, потому что экземпляров не так много. Вторая трудность: так как ДНК мало, любое загрязнение — например, если туда попадет современная ДНК — изменит всю картину. Поэтому для исследования древних животных нужно создавать особые условия, в том числе следить за чистотой в лаборатории, которая должна соответствовать очень высоким стандартам.
Но в любом случае рисков не избежать. Образец к нам приходит после экспедиции, а мы не знаем, в каких условиях его перевозили. И на эти факторы уже не сможем повлиять. Естественными причинами загрязнения могут быть организмы, попавшие в эти экземпляры. Вот и получается, что весомая доля геномного текста, который мы читаем, принадлежит жившим на останках микроорганизмам.
— Когда планируете завершить расшифровку генома мамонта?
— В ближайшее время. Важно отметить, что мы не первые, кто работает с останками мамонтов. В разное время ученые исследовали подобные находки. Конкуренция в этом вопросе завязана на том, кто прочитает больше ДНК и кому достанется более сохранный образец. Технологии используют примерно одни и те же, стандарты у всех тоже почти одинаковые. Но у нас есть преимущество перед зарубежными коллегами: больше доступа к материалу.
Раньше большое количество подобных ископаемых, найденных на территории России, вывозили за пределы страны. Потому что палеогенетика была не настолько развита, не хватало приборной базы, большинство таких образцов изучали зарубежные коллеги. Сегодня ситуация изменилась, и в подобных исследованиях мы их уже догоняем.
— По этой теме подобные проекты в мире тоже есть. По крайней мере, такие попытки, насколько мне известно, предпринимались. Но пока ни у кого прийти к заявленным целям не получилось. В том числе потому, что в прикладном плане такие проекты дорогостоящие и довольно громоздкие — только одна работа с воссозданием генетического материала клеток стоит огромных ресурсов.
— Какими еще задачами вам хотелось бы заняться в ближайшем будущем?
— Мне нравится то, чем я сейчас занимаюсь. Задач по текущему проекту хватает. По мере работы всегда открываются новые направления, которые можно исследовать. Еще очень интересна 3D-геномика, то есть пространственная организация генома. Это довольно перспективное направление, на мой взгляд.
Дело в том, что последовательность ДНК достаточно длинная. В каждой клетке вашего организма длина этой цепочки составляет около двух метров. Она помещается в ядро клетки благодаря тому, что плотно там уложена. И от этого зависит очень многое, в том числе экспрессия генов, потому что они становятся более доступными, а какие-то, наоборот, «спящими».
— Насколько такие исследования востребованы в генетике?
— В генетике есть разные области, в каждой из которых — свои важные вопросы. Медицинских генетиков интересуют проблемы, связанные с наследованием заболеваний, эволюционистов — происхождение видов, этнографов — народностей. Но, думаю, всех хотя бы немного волновало наличие в геноме человека темной материи. Хотя теперь эта проблема решена.
Беседовала Анна Шиховец
Наука.рф в Телеграм: https://t.me/npnauka
Наука.рф ВКонтакте: https://vk.com/sciencerf
