Одна из болезней цивилизации — язва желудка, которую по меньшей мере полтора столетия считали результатом стрессов и неправильного питания, оказалась ровесницей исхода нашего далекого предка из Африки. С 1983 года достоверно известно, что язва напрямую связана с бактерией Helicobacter pylori, которая колонизировала половину человечества. Но только в начале этого года древность сожительства язвенной бактерии и человека была установлена благодаря новой науке — биоинформатике.
Михаил Гельфанд — Марине Аствацатурян
Доктор биологических наук, и.о. заместителя директора Института проблем передачи информации РАН
Лекарство от рака,
которое лечит одну
— этническую группу, —
но не помогает другой
Мы живем в так называемую постгеномную эру, она наступила после окончательной расшифровки генома человека в 2003 году, и тогда же возник вопрос: а что из этого? Произошла ли, на Ваш взгляд, геномная революция?
В фильме «Семнадцать мгновений весны» есть кадр, когда Мюллер показывает Штирлицу записку, отобранную у Плейшнера. Расшифровка генома человека аналогична прочтению такой записочки с цифрами. Цифирки есть, вот они, а написано-то что? И в этом смысле все постгеномные исследования — биоинформатика, в частности протеомика1, — посвящены попыткам понять, что же там на самом деле написано. Есть много биологических данных, которые можно понять только с помощью биоинформатики, — и в этом прорыв. Вот мыло с триклозаном, антибактериальное. Мишенью триклозана является известный белок бактерий — компонент клеточной мембраны. Мы, занимаясь геномами бактерий, секвенировали2 геном стрептококка и увидели, что у стрептококка этого белка нет. То есть на стрептококк, вызывающий кожные инфекционные воспаления и такие заболевания, как ангина, скарлатина, триклозан не действует. Мы-то для себя поняли, как у стрептококков регулируется вся эта система, но пока не посмотрели на геном стрептококка и не увидели, что у него этой мишени нет, никому в голову не приходило, что триклозановое мыло не от всех бактерий. Другой пример — лекарство от рака, которое лечит одну этническую группу (в США) и не помогает другой. В чем дело? Здесь дело в различиях, в частоте встречаемости вариантов одного и того же гена в разных популяциях: если она выше, то лекарство не действует, а так это будет или нет — ответ может дать только биоинформатика.
Объясните, пожалуйста, что дает сравнение геномов?
Известна история про основателя математической статистики английского ученого Карла Пирсона. В Первую мировую войну его привлекли в авиацию заниматься статистикой, а именно определением методом статистики наиболее существенных для полета частей самолета. Военное руководство исходило из того, что следует укреплять те части самолетов, где после возвращения на базу имеется больше пробоин, потому что эти части более уязвимы. Но точка зрения Пирсона была прямо противоположной: по его мнению, укреплять надо те части, на которых не было пробоин, потому что отсутствие на них пробоин у вернувшихся самолетов означает, что самолеты, получившие пробоину в этом месте, просто не долетели до аэродрома. И это основной принцип, которым руководствуются ученые, занимающиеся сравнительным анализом геномов различных организмов, то есть биоинформатикой. Когда вы сравниваете геномы, то видите куски, которые очень консервативны. Если есть кусок ДНК, одинаковый для нас и для червяка, то, наверное, за те миллионы и миллиарды лет, которые прошли со времен нашего общего предка, если бы он был совсем не нужен, он бы изменился по случайным причинам — ведь все время идет бомбежка случайными мутациями. То место, которое консервативно, которое не изменяется в организмах разных зверюшек, — оно безумно важное. Благодаря ему мы можем рисовать разные сценарии того, как менялись и меняются различные функциональные системы в ходе эволюции. Есть куча бактерий, с которыми сделан единственный эксперимент — прочитан геном. И на этом основании можно сказать довольно много.
Бактерии, способные
— преобразовывать —
свет в другие виды энергии
В последние годы стартовало несколько на первый взгляд экзотических проектов, связанных с анализом геномов множества бактерий, обитающих в одной и той же специфической среде, например в так называемой «плавающей пустыне» — Саргассовом море. Что дает прочтение таких интегрированных геномов?
Секвенирование всех бактерий Саргассова моря позволило определить последовательности около 70 тысяч новых генов. Около 800 из них оказались кодирующими так называемые фоторецепторные белки, что обогащает наши знания о бактериях, способных преобразовывать свет в другие виды энергии. Кстати, проект по Саргассову морю финансировался Департаментом энергии (Department of Energy) США.
Или вот еще пример: недавно на морском дне был найден фермент, способствующий растворению жира в холодной воде, и это открытие имеет прямое отношение к созданию моющих средств нового поколения. А сделано оно было на компьютере: были проанализированы последовательности ДНК множества бактерий — обитателей особой водной среды, образовавшейся вокруг кладбища китов.
Одно время обсуждался проект секвенирования бактериального сообщества парижской канализации — Cloaca maxima. Главной целью этого проекта была инвентаризация микроорганизмов на разных стадиях очистки сточных вод. В этой среде интенсивно протекают биохимические реакции, в результате которых большая часть органики превращается в твердые отходы и биогаз. Чем полнее сведения об этих процессах, тем более эффективной может оказаться очистка.
Биоинформатика
помогла установить,
— когда на человеке —
появилась одежда
В последнее время появились публикации из области сравнительной геномики, работающей не только на будущее, но и на прошлое человечества, то есть на историю и, может быть, даже на культурологию…
Да, биоинформатика, например, помогла установить, когда у человека появилась одежда. Молекулярные биологи сравнили геномы платяной и головной вши — головная оказалась старше, а их эволюционные пути, как показал сравнительный анализ геномов, разошлись около 70 тысяч лет назад, когда современный человек вышел из Африки, попал в холодную Европу и понял, что нужно одеваться. А выявление двух современных линий вши Pediculus humanus и их расхождения более миллиона лет назад послужило косвенным доказательством половых контактов, происходивших между нашим видом, то есть Человеком разумным (Homo sapiens), и Человеком прямоходящим (Homo erectus). Последний относится к ископаемым видам человека, по основному времени существования и анатомическому строению он занимает промежуточное положение между Человеком умелым (Homo habilis) и Человеком разумным.
Еще из историй с медициной: совсем недавно была опубликована биоинформатическая работа, где показано, что человек и бактерия, вызывающая язвенную болезнь, Helicobacter pylori, вышли из Африки одновременно 58 тысяч лет назад, а 200 тысяч лет назад человек каким-то образом передал этот микроб кошачьим. Кстати, именно биоинформатика помогла установить, что возбудители не только язвы, но и других заболеваний, например брюшного тифа, сопровождают человечество с доисторических времен. Почему о самих заболеваниях стало известно относительно недавно — это другой вопрос…
В ближайшем будущем появится
— индивидуализированная —
медицина
Что Вы сказали бы о перспективах биоинформатики в России?
Обозримое будущее нашей биоинформатики — Митинский рынок! Ведь главное направление развития биоинформатики — это медицина, причем так называемая индивидуализированная медицина, при которой стратегия лечения строится на сведениях об индивидуальных генетических особенностях и предрасположенностях. Это такая же частная информация, как номер телефона, банковского счета или история болезни, и если оставить все как есть, то со временем на Митинском рынке будут продавать геномы всех жителей России. И представьте, если у вас есть один из, предположим, пяти генов, предопределяющих развитие шизофрении, то что может случиться, если эта информация — ваш геном — попала в руки вашего потенциального работодателя, который ничего в геномике не понимает! Другой аспект: с появлением индивидуализированной медицины, основанной на геномике, полностью изменится страховая медицина. Ведь одно дело — предусматривать риски неизвестные, а другое дело — совершенно определенные. Если честно, то все западное общество в целом, не только российское, к геномной революции сейчас не готово.
Наука без пробирок
Биоинформатика, или вычислительная биология, делает то, что недоступно рукам и глазам экспериментатора, не оснащенного компьютером и специальными алгоритмами. Потому ее еще называют biologia in silica. Ученый-биоинформатик с помощью компьютера, анализирующего огромные массивы данных, выявляет последовательности ДНК или белка, по которым можно предсказывать существование у организма какой-либо способности, не бросающейся в глаза в первом приближении. Как шутят биоинформатики, это наука для тех биологов, которые не умеют капать в пробирки.
Постгеномика Исследования, начавшиеся после расшифровки генома человека и других организмов в конце 1990-х — начале 2000-х годов и основанные на информации, полученной при этой расшифровке. Благодаря этим исследованиям уже сейчас разрабатываются и внедряются молекулярно-генетические тесты для своевременного выявления опасных заболеваний. Так, в феврале этого года Управление по контролю пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA) одобрило выпуск молекулярно- го диагностического теста MammaPrint для прогнозирования риска рецидивов рака молочной железы через 10 лет после первичного заболевания. Этот тест поз- воляет обнаруживать активность генов злокачественных опухолей и определять возможность их метастазирования. Другой пример ДНК-чипы, благодаря которым диагностируются формы туберкулеза, устойчивые к определенным лекарственным препаратам.
Индивидуализированная медицина — это стратегия лечения и профилактики с учетом индивидуальных генетических особенностей. В основе такого подхода — генетический паспорт человека, информация о том, что несет именно его ДНК. По ней специалисты могут судить о предрасположенности индивида к различным заболеваниям, а также диагностировать их. Распространенные патологии, в частности гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца и атероскле- роз, язвенная болезнь желудка, диабет, имеют свое «представительство» на генном уровне, и по генетическому профилю любо- го человека можно определить вероятность развития этих заболеваний. Еще один аспект индивидуализированной медицины — фармакогеномика. Это подбор лекарств по генному профилю, то есть индивидуализация лекарственной терапии. По мнению американского эксперта в области биоинформатики, руководителя исследовательского центра при детском госпитале в Сиэттле Евгения Колкера, которое он высказал The New Times, индивидуализированная медицина может стать реальностью уже через пять лет. Однако российские эксперты от прогнозов — как ближайших, так и отдаленных — воздерживаются.
