Президент РФ Владимир Путин в начале 2018 года заявил о необходимости разработки госпрограммы по «масштабным геномным исследованиям». Заведующий лабораторией мутагенеза федерального Медико-генетического научного центра Александр Лавров рассказал “Ъ” о том, зачем нужно чтение генома в медицине, как ученые надеются лечить с помощью полученных данных ВИЧ и онкологические заболевания, а также сравнил ситуацию с исследованием генома в России и мире.
Заведующий лабораторией мутагенеза Медико-генетического научного центра Александр Лавров
Фото: Дмитрий Духанин, Коммерсантъ
— По словам президента РФ, накопленный научный потенциал позволяет организовать в России масштабные геномные исследования. Какие прорывы в генетике в последние годы?
— Основной прорыв связан с появлением высокопроизводительного секвенирования генома — технологий на стыке химии и вычислительных технологий. Секвенирование — чтение последовательности ДНК. ДНК человека состоит из 6,6 млрд нуклеотидов в каждой клетке, и сейчас эти 6,6 млрд нуклеотидов можно прочитать всего за $600. Это стоимость на международном рынке. При этом международный проект «Геном человека», стартовавший в 1980-е годы (завершился в 2015 году.— “Ъ”), потребовал вложений в $3 млрд. Технологии быстро менялись, стоимость падала.
— Что дает расшифровка генома?
— В медицинской генетике эти данные позволяют выявить причины наследственных заболеваний. Их известно более 7 тыс., и каждое такое заболевание вызывается несколькими различными повреждениями ДНК. Например, умственная отсталость бывает генетическая и негенетическая. Генетическая связана с мутациями примерно в 1,5 тыс. генов, и у каждого человека какая-то уникальная мутация.
— Как специалисты понимали, какие именно из 6,6 млн нуклеотидов надо читать?
— Мы сопоставляли клиническую (симптомы пациента.— “Ъ”) и генетическую картины. Есть фенотип (внешние и внутренние признаки организма, приобретенные в результате индивидуального развития), и уже было известно, что при определенном фенотипе чаще всего мутация бывает в определенном кусочке ДНК — его и смотрели. Это и сейчас таким образом работает. Но если у вас ситуация, когда у каждого пациента своя мутация, то невозможно действовать универсально, нужно прочитать весь ген, а не его фрагмент. Читать длинные гены или все гены сразу мы научились относительно недавно: широко в науке эти технологии появились 6–7 лет назад, а в клинику вошли буквально в последние 3–4 года. В Медико-генетическом научном центре мы с ними работаем тоже около трех лет.
— Что дает расшифровка генома?
— Она позволяет определить причину заболевания. Разработать тест, который будет одинаково успешен для всех пациентов, невозможно. Но широко клинические исследования геномов проводятся в США, а у нас чаще используют секвенирование так называемого экзома (1–1,5% от генома, отвечает за синтез белка). Большинство известных мутаций, вызывающих заболевания, находится в экзоме. У человека насчитывается свыше 22 тыс. генов, из которых изучено около 7 тыс., мутации в которых могут привести к наследственным заболеваниям. Исследование экзома примерно в четыре раза дешевле чтения генома, то есть 80 тыс. руб., в отличие от примерно 300 тыс. руб., это стоимость секвенирования и анализа с заключением в России. Но в случае с генетической умственной отсталостью эффективность диагностики при помощи экзомного секвенирования составляет примерно 35%, то есть мы до сих пор у большинства больных, к сожалению, не находим мутаций там, где ищем. Поэтому целесообразно анализировать геном, он дает больше информации и помогает точно установить диагноз. Людям важно знать, что стало причиной заболевания. Также такое исследование нужно для разработки методов планирования семьи — помочь людям родить здоровых детей. Если вы знаете причину заболевания, можно предупредить рождение ребенка с таким недугом.
— Для каких еще заболеваний — помимо генетической умственной отсталости — нужно чтение генома?
— Есть большая группа нервно-мышечных заболеваний, эпилепсий, болезней обмена. Есть группы заболеваний, которые внешне выглядят похоже, но на самом деле являются разными, потому что мутации произошли в разных генах. И здесь нельзя сделать универсальную тест-систему. На анализ, условно говоря, нужно отправить 400 генов. Но это будет не 400 тестов, а несколько тысяч, потому что по каждому гену нужен не один тест. И, что называется, руками это делать дорого, долго. Я бы сказал невозможно. Вот в таких ситуациях помогает высокопроизводительное секвенирование.
— Когда в России смогут перейти с чтения экзома на полную расшифровку генома?
— Я думаю, в ближайшие 2–3 года. Но здесь не только вопрос цены и платежеспособности населения. Есть еще технологическая проблема. Нужны вложения в инфраструктуру хранения и обработки данных. Анализировать геном качественно во много раз сложнее. И здесь не нужно уже что-то уникальное, нужны просто мощные компьютеры. Два-три года назад аналогичная ситуация была и с экзомами.
— Сейчас пациенты сами оплачивают генетические исследования?
— Да, высокотехнологичные анализы нужно оплачивать самостоятельно. Экзомы и геномы — за пределами бюджетного финансирования.
Пациентам часто помогают благотворительные организации и пациентские сообщества, которые собирают деньги на лечение. И это очень важно не только как помощь пациентам, но и для развития науки, так как такие исследования часто делаются в рамках научных проектов.
Можно говорить о коллаборации между научным учреждением, его медицинскими кадрами, медицинскими организациями, частными организациями. Очень здорово, что это работает.
— Как происходит расшифровка генома?
— В каждой нашей клетке 6 млрд нуклеотидов, из них состоит ДНК. Каждая клетка сдержит до 2 метров ДНК. Мы ее мелко-мелко режем и каждый отдельный фрагмент соединяем с известными нам фрагментами ДНК по краям. То есть к каждой неизвестной вставке ДНК можно подобраться через известные края. Края — это как обложки книг, вы не знаете, что внутри книги, но читать обложку вам легко. И вот в библиотеке ДНК, имея эти обложки, мы каждый отдельный неизвестный фрагмент ДНК размножаем в огромных количествах. По сути, размножаем каждую книгу, не зная ее содержания. Каждую отдельную молекулу мы не можем прочитать, чтобы увидеть буквы, надо читать сразу много копий книги.
Финальный этап — само секвенирование, то есть чтение каждой книжки-ДНК-вставки. Прибор, секвенатор, начинает с известного корешка книги и дальше «читает» неизвестное ранее содержание. И это он делает одновременно с десятками тысяч копий отдельных фрагментов. А самих фрагментов сотни миллионов. «Читает» секвенатор по одной букве за один раз, зато сразу во всех книгах, в итоге получается очень быстро.
Потом эти последовательности, они большие, примерно 100 нуклеотидов, а весь геном — 6 млрд, нужно друг с другом сложить, как фрагменты мозаики. Как при сборке пазла мы используем картинку с коробки, так и при сборке генома используют референсную последовательность генома человека — усредненную последовательность генома. И потом, когда картинка сложилась, можно увидеть, что вот эта буква в данном образце отличается от буквы в референсной последовательности. Далее нужно собрать все отличия и понять, какие из них вызывают заболевания, а какие — нет. Отличия в любом случае будут, ведь мы все разные.
— Каким образом можно идентифицировать заболевание?
— Есть, например, международная база, в которой хранятся данные о том, какая конкретная мутация вызывает заболевание. Или, наоборот, написано, что это безвредное изменение ДНК. И сейчас данных о мутациях становится все больше, в том числе и из-за того, что чтение генома стало использоваться в клинической практике. И это вот почему важно: когда врач смотрит пациента, он не знает, где у того мутация. Мы отличаемся друг от друга. И это нормально. В полном геноме у двух людей насчитывают в среднем 3 млн различий, и из этих миллионов нужно найти одно, которое является причиной заболевания. И большую часть можно отфильтровать — мы уже знаем, что это не имеет отношения ни к заболеванию, ни вообще к генотипу, ни к цвету глаз и пр. Но все равно останутся десятки, сотни, тысячи вариантов, про которые вы не знаете, ведут ли они к заболеванию.
Информацию ищут в базах данных, где описаны другие люди. Поэтому, чем больше у нас сведений, тем быстрее и полноценнее мы можем давать ответ новым пациентам. Базы данных геномов — бесконечно ценный ресурс. Над их созданием нужно трудиться совместно не только внутри одной страны, но и в целом мире.
Приведу еще пример. Берем какую-нибудь изолированную далекую популяцию аборигенов Австралии или Новой Зеландии. Вы у себя посмотрели, например, тысячу человек и знаете, что какого-то варианта мутации среди них ни разу не встретилось. Найдя этот вариант у пациента, вы думаете, что если у 1 тыс. человек его не было, а у больного он открылся, то, возможно, он является причиной заболевания. Обычно эта гипотеза работает. Но проблема в том, что у нас различий очень много. В популяции из 1 тыс. человек вы можете не встретить этот вариант ни разу. А вот среди аборигенов Новой Зеландии он встречается у каждого второго! При этом они все здоровы. То есть, чтобы быстро и правильно принять решение, нужны данные, которые к нам, казалось бы, отношения не имеют. Нужно, чтобы была общая база данных.
И это не новая идея. Уже существует проект «1000 геномов», который стартовал именно с этой целью. Это открытый проект. Сейчас в базе проекта 15 тыс. полных геномов. Уже сотни тысяч геномов секвенировано в клинических целях, но в этой базе их нет, потому что кто-то не может физически поделиться данными — для этого нет инфраструктуры. Часто такие данные являются защищенными, и просто так ими поделиться нельзя, надо собрать разрешения пациентов. Кто-то из исследователей может банально жадничать. В проекте «1000 геномов» они собраны и проанализированы одинаковым образом. А жадничать нехорошо, потому что даже 10 геномов откуда-нибудь из Новой Зеландии могут дать ценнейшую информацию тем, у кого есть сведения о сотнях и десятках тысяч геномов. И точно так же исследователям с десятком геномов нужна информация об остальных сотнях тысячах. Надо обмениваться, а если кто-то пытается удерживать эти данные, то обе стороны проигрывают.
— Определив аномалию, что вы делаете дальше? Какая польза от прочитанного генома в лечении пациента?
— В медицинской генетике уже есть методы лечения. До сих пор в арсенале врачей была так называемая симптоматическая терапия. Например, у вас болит голова, вы приняли анальгин — боль прошла. Но возникла она от того, что есть дисбаланс в регуляции артериального давления, и нужно не лечить боль, а возвращать к норме давление. Если перевести на генетику, то это уже патогенетическая терапия. Она не просто снимает симптомы, а меняет механизмы работы организма. Самая перспективная терапия, конечно, этиотропная, то есть та, которая убирает причину болезни. Патогенетическая терапия появилась в последние 6–7 лет. Препараты позволяют так или иначе корректировать молекулярные механизмы, лежащие в основе заболевания, и, не убирая мутации из организма, делать так, чтобы они не оказывали катастрофического влияния. Например, для лечения муковисцидоза появился препарат, состоящий из двух молекул. Каждая из них влияла на разные мутации, запуская механизмы, которые не работали: фиксировали белок, держали его в открытом состоянии, чтобы хлор выходил из клетки. То есть мутацию никто не исправил, но тут и там поставили костыли, и стало работать. И это супердостижение последних лет.
— А полностью убрать причину заболевания сегодня возможно?
— Конечно, хотелось бы исправлять мутацию в гене, чтобы в организме синтезировалась нормальная молекула, которая без всяких ухищрений будет работать как надо. В этом направлении сейчас тоже произошел технологический скачок.
Мы все очень надеемся, что наступает эра геномного редактирования, и мы сможем корректировать мутации, приводящие к наследственным заболеваниям.
— За счет чего произошел скачок?
— Была открыта система иммунной защиты у бактерий. Она производит разрывы в ДНК вирусов-бактериофагов. Если он попадает в бактерию, та разрезает его ДНК и забирает себе небольшой кусочек. Дальше использует его очень умно: для нее он ключ к уничтожению врага. Ученые довольно быстро поняли, что вместо фрагмента ДНК бактериофага можно подставить любую другую последовательность ДНК. Это позволит произвести очень точный разрез ДНК. Клетка здорово умеет репарировать, восстанавливать такие разрезы, используя в качестве матрицы вторую копию молекулы ДНК. В ней тоже может быть мутация. Но мы можем ввести искусственную молекулу ДНК без мутации. К муковисцидозу часто приводит потеря всего трех нуклеотидов — маленьких частичек гена. То есть из 6 млрд генов потеряны всего его частицы — и развивается тяжелое генетическое заболевание. Если рядом с этой мутацией разорвать ДНК и для ее восстановления предложить клетке фрагмент ДНК с нормальной последовательностью, то нуклеотиды восстановятся.
— Геномное редактирование не используется пока в России?
— Нет, сейчас только разрабатываются протоколы лечения. Есть много компаний, и в России, и в мире, которые поставили себе задачу в ближайшие 3–6 лет разработать терапию для самых известных наследственных заболеваний. Что касается применения, то самые лучшие примеры похожей технологии — лечение ВИЧ. С помощью такой технологии можно сделать разрыв в ДНК, но не давать клетке матрицу для восстановления, как мы делали с муковисцидозом, а подождать, пока клетка сама репарирует разрыв, потеряв при этом два-три нуклеотида. В таком случае ген перестает работать. Это позволяет вылечить ВИЧ-инфекцию.
ВИЧ пробирается в клетку через определенную молекулу иммунной системы. Есть люди, у которых этой молекулы просто нет, они не подвержены инфекции. Так что в теории можно «поломать» ДНК нужным образом и у остальных. Взять клетки, например, костного мозга, отсортировать, сломать рецептор, размножить клетки со сломанным рецептором и ввести обратно человеку. Все — это его родные бесценные клетки, но у них просто нет гена CCR5, поэтому ВИЧ не к чему прицепиться. Сейчас в мире проходят клинические исследования такого препарата, над этим работают и российские коллективы.
— Есть ли аналогичные исследования в области онкозаболеваний?
— Есть похожие клинические протоколы по борьбе с опухолевыми заболеваниями. И в 11 протоколах идея такая же: берем клетки, ломаем один из иммунных рецепторов, вводим обратно, и эти клетки перестают гибнуть от столкновения с опухолевыми антигенами, при этом, наоборот, начинают их уничтожать. Есть протоколы, в которых клетки забирают у организма, тренируют их против опухолевого антигена и вводят обратно. В этом и смысл: мы можем достигать полезного изменения ДНК, помогая людям.
— Президент РФ сказал, что накопленный интеллектуальный научный потенциал позволяет организовать в России масштабные геномные исследования. Какие сейчас ведутся исследования, насколько они масштабны?
— Исследования у нас идут постоянно, но для того, чтобы достигнуть именно масштаба, было бы здорово запустить проекты, похожие на «1000 геномов». Сейчас в его рамках прочитано уже более 120 тыс. геномов и экзомов. Есть проекты по секвенированию экзома, например, программа «65 тыс. экзомов» (Exac). И вот в этих случаях и нужен масштаб: данные должны накапливаться, ими необходимо обмениваться.
— Ваш институт обменивается данными с другими организациями?
— Проблема обмена данными во многом технологическая. Сложно обеспечить универсальность протоколов и просто даже получение данных. То, чего нам действительно не хватает и над чем мы сейчас работаем,— создание национальной базы данных. У нас сейчас идут переговоры с разными партнерами.
— Это коммерческие или государственные структуры?
— Разные. Прежде всего партнеры должны согласиться с принципом открытой базы данных. Наша задача сделать такой инструмент, которым сможет пользоваться любой, кто работает с геномными данными в нашей стране. И эти базы должны быть открыты для наполнения. Надо дать возможность исследователям не жадничать и загружать сведения в общую систему. Все только выиграют.
— Это в том числе и политические решения?
— Как правило, технологические, но на каком-то моменте и политические. Я уже говорил, что для развития медицинской генетики полезны данные геномов всего 100 человек, живущих на небольшой изолированной территории, там, где есть только их собственные варианты, которых нигде больше в мире нет. И весь мир скажет за это спасибо. В США, например, Крейг Вентер в 1990-е годы занимался коммерческой версией проекта «Геном человека» и собирался запатентовать эти данные. Но ему объяснили, что это невозможно, более того, создание закрытых баз невозможно без использования открытых данных. Так что полученные им сведения включили в общедоступную базу. Науку и научные знания закрывать нельзя. Это ни к чему хорошему не приводит, в том числе для того, кто пытается закрыть.