Генетика в компьютере

Дата публикации: 13 октября 2020

Научатся ли люди летать, как птицы? Смогут ли ученые исправлять генетические поломки, избавляя нас от наследственных болезней? Возможно ли с помощью вычислительных методов понять, как работает геном? Каким станет наше недалекое будущее, в котором генетическая информация уже не будет тайной за семью печатями? Об этом – наш разговор с Всеволодом Юрьевичем Макеевым, заведующим лабораторией системной биологии и вычислительной генетики Института общей генетики РАН имени Н.И. Вавилова, доктором физико-математических наук, член-корреспондентом РАН.

– Всеволод Юрьевич, расскажите, пожалуйста, что это такое – вычислительная генетика?

– В последнее время поступает большое количество данных по наследственной информации, которая имеется у разных видов растений и животных. Этот процесс бурно развивается. Способы чтения наследственной информации разных биологических существ становятся все более дешевыми, все более интенсивными, и сейчас уже возможно получать наследственную информацию для многих тысяч людей. Например, есть программа Genomics of England в Великобритании, где для сотен тысяч людей есть индивидуальные геномы. Это уникальная вещь, до сих пор такой информации в распоряжении человечества не было. Здесь можно ставить разные задачи, например, пытаться понять, как работает «компьютерная программа», которая имеется внутри каждого из нас, как она повторяется в каждой нашей клетке нашего организма и как она связана с какими-то свойствами. Есть небольшое количество примеров, когда мы что-то понимаем и можем сказать, что, если, например, есть буква на какой-то хромосоме, то во взрослом состоянии будет непереносимость лактозы или, скажем, голубые глаза. Но пока эта информация очень такая спорадическая и неполная. Изучение этих закономерностей – одно из магистральных направлений современной науки. Это большие данные в области индивидуальной генетики растений и животных.

– Как получилось, что вы, физик, пришли работать в биологическое научное учреждение?

– У меня довольно сложная жизненная траектория. В детстве я интересовался биологией, заканчивал биошколу, биокласс Галины Анатольевны Соколовой, очень мне много давшей, и я планировал поступать на биофак МГУ. Но меня переубедил отец, заканчивавший МФТИ. Я поступил на физфак МГУ в 1984 году, и мне нравилось заниматься физикой. Я работал в ФИАНе, сделал там дипломную работу, но потом получилось, что появились эти новые молекулярные биологические данные, с которыми можно было очень интересно работать. И меня опять затянула биология.

– Но и физика пригодилась?

– Да, физические и математические методы оказалось очень интересно применять к биологическим данным. Это был 1994-1995 год, они только-только начали появляться, я перешел в Институт молекулярной биологии, и там уже делал кандидатскую диссертацию.

– Чем конкретно занимается ваша лаборатория?

– У нас есть несколько больших тем. Во-первых, мы занимаемся тем, что называется регуляторная генетика. У человека есть несколько десятков тысяч генов, в которых записаны некие инструкции, как делать разные молекулы. Молекулы производятся и в результате возникают признаки – те же голубые глаза. Но большинство генов почти одинаковые у всех позвоночных. Скажем, у человека и мыши девять десятых генов мало отличимы, а человек, тем не менее, не похож на мышь, потому что гены работают в другое время, в других клетках, в других органах, они включаются и выключаются во время внутриутробного развития ребенка или мышонка по-другому, и только поэтому получается разница. Всё это связано с тем, что у нас по-другому устроены переключатели, которые включают и выключают гены. Мы пытаемся понять, как эта система управления устроена.

– То есть, если эти переключатели изменить, то можно из мыши сделать человека и наоборот?

– Это, конечно, был бы высший пилотаж, и непонятно, насколько достижимо, но определенные успехи здесь всё же есть. Поскольку многие гены у разных видов практически одинаковые, очень часто можно добиться того, чтобы какие-то «спящие» системы с помощью тех или иных манипуляций включить. Лет десять назад был нашумевший эксперимент. У курицы, как мы знаем, есть клюв, а зубов у нее нет. При этом курица произошла от динозавров, и вся система, которая управляет тем, что вырастают конические зубы, характерные для пресмыкающихся, сохранилась, и, оказывается, ее с помощью каких-то процедур можно включить. Это не будет очень счастливый цыпленок, потому что зубы ему не очень-то нужны. Но сделать это возможно, включив генетическую систему, которая у птиц, как это ни удивительно, есть.

– Важно только разобраться, что нужно делать, а что нет.

– Не менее важно понять, как работает программа, которая эти гены переключает. Можно представить организм как некий компьютер. В нём есть некая программа, которая записана в большом количестве копий. У нас имеется несколько триллионов клеток, и в каждой клетке есть геном, который один и тот же у всех клеток организма. В каждой клетке есть копия этой самой программы и какие-то системы, которые ее читают в разных местах, эту информацию, и как-то используют. Как эта система, которая диктует, когда и где читать, работает – это, собственно, суть нашей работы, то, что мы сейчас пытаемся понять.

– Что вы поняли такого, что вас удивило или стало откровением?

– Вот пример. Есть такая довольно распространенная хроническая наследственная болезнь – рассеянный склероз. У него имеются интересные особенности. Например, в европейской популяции, особенно среди белых женщин, он встречается существенно чаще, чем у других народов. Там явно есть какой-то компонент, связанный с наследственностью. Мы смогли предсказать, как регулируется один из генов в клетках, которые ответственны за иммунитет. Ведь эта болезнь во многом аутоиммунная, когда иммунные клетки начинают поедать миелин, которым обмотаны нервные волокна, из-за чего и развивается заболевание. Мы смогли предсказать, что есть варианты в ДНК, приводящие к тому, что один из генов в клетках, ответственных за иммунитет, работает по разному, в зависимости от того, какой там вариант. В клеточных культурах наши коллеги из института молекулярной биологии смогли проверить, что, действительно, подобные механизмы могут иметь место, а это значит, мы можем надеяться, что в будущем можно будет понять, почему у некоторых людей рассеянный склероз практически никогда не возникает.

У нас есть интересные работы по рыбам, по тому, как у рыбы развиваются пигментные клетки. У человека есть только один тип клеток – черные, а у рыбы их несколько – черные, зеленые, желтые... Соответственно, можно пытаться понять, почему возникают и как возникают эти клетки, почему они есть у рыб и нет у нас. Оказалось, что там работает тот же ген, который отвечает за цвет глаз у человека.

– И все эти данные вы получаете на компьютерах?

– Да. Конечно, мы взаимодействуем с людьми, которые делают эксперимент. Мы анализируем данные этих экспериментаторов, а также разрабатываем новые методы такого анализа – алгоритм обработки данных.

– Какие еще направления научной работы у вас здесь представлены?

– Кроме того, у нас ведется сотрудничество с людьми, которые занимаются агротехнологиями, геномом растений. Эволюция растений – это вообще очень интересно и перспективно. Скажем, геном может мультиплицироваться, и у вас получается вместо одной хромосомы две одинаковых, или даже два набора хромосом. Такие вот вещи можно смотреть и разбираться, почему и как это происходит.

Есть у нас также молекулярно-биологический проект по разрывам ДНК. Почему рвется ДНК? Либо из-за каких-то внутренних процессов, либо в результате каких-то воздействий – скажем, если на нее подействовать ультразвуком или ультрафиолетом. Выясняется, что в местах, которые более характерны для разрыва, происходят перестройки ДНК, что может впоследствии приводить к возникновению раковой опухоли или других патологических процессов. Соответственно, если мы поймем, как и почему это происходит, то можем научиться подобные неприятности избегать.

– Какие ещё перспективы открывают ваши исследования?

– Мы очень надеемся, что у нас будут со временем важные биотехнологические или медицинские приложения. Мы к этому все ближе и ближе подходим. Потому что у нас сейчас большинство генетических заболеваний, например, наследственных, связаны с тем, что какой-нибудь белок поломан. В простонародье это называется словом «мутация». Очень много наследственных болезней, связанных с поломанными белками, у тех народов, у которых много близкородственных браков. Может быть и так, что на одной хромосоме записан белок нормальный, а на другой – сломанный, и, в принципе, ничего не должно мешать использовать белок с той хромосомы, где он нормальный. Но бывает, что на этой хромосоме испорчен регуляторный элемент, который не позволяет усилить производство нормального белка. Мы сейчас пытаемся такие случаи систематизировать, построить базу данных подобных событий с тем, чтобы с ней могли работать люди, которые занимаются медициной и фундаментальной наукой.

– Можно ли будет эту поломку в будущем исправить?

– Конечно, именно этих целей хотелось бы достичь. Для этого надо научиться воздействовать на эту систему. В принципе, есть препараты, которые сейчас пытаются использовать системно, изменяя регуляцию генов, нарушенную при тех или иных патологиях. Но это пока большая экзотика, а для начала нам надо научиться такие случаи диагностировать по геному научиться выявлять предрасположенность. Это наиболее разумная сфера приложения. В этом направлении сейчас есть большие перспективы, и они становятся все более и более доступны.

– Если пофантазировать и заглянуть в более отдаленное будущее, как вы думаете, насколько изменится человечество и вся наша жизнь благодаря этим технологиям? Может, мы научимся летать?

– Я думаю, что мы уже летаем с помощью разных технических средств, и этого достаточно. Сейчас появились ранцы, с которыми люди летают, левитируют. Совершенно потрясающее впечатление. Зачем нам летать, используя нашу довольно убогую биохимию, которая наши тяжелые кости не поднимает, если мы можем привлекать другие источники энергии? Я думаю, что генетические исследования дадут человеку информацию о том, как ему персонально жить, чтобы улучшать идеальным образом то, что называется качеством жизни. Кому-то, например, нельзя находиться в условиях, где присутствуют опасные для него аллергены или токсины. Кто-то может выдерживать сильный стресс – а у кого-то разовьется тяжелая хроническая депрессия. Это индивидуальные особенности, и если мы будем об этом знать, то наша жизнь существенно улучшится. Думаю, что таких рецептов будет все больше и больше.

– Главное, чтоб это предсказание не стало формирующим фактором. Важно не перепутать причину со следствием.

– Да, это опасно. Какие-то предсказания могут людей гипнотизировать и к чему-то склонять. Это, конечно, несет большие социальные последствия. Но надо понимать, что любое наше достижение всегда несет социальные последствия, и человечество как-то приспосабливается к тому, что появляются новые возможности. Когда в 60-е годы появились дешевые противозачаточные средства, говорили о том, что вся общественная структура нарушится, и вся наша жизнь станет другой. Но ведь живем. И это уже не воспринимается как угроза цивилизации. А тогда воспринималось. Поэтому, несмотря на риски, новые возможности будут появляться, и люди будут стремиться приспособить их к чему-нибудь хорошему.

Поделиться: