— С чего начался ваш интерес к геномике человека?
— Я получил степень кандидата биологических наук в Башкирском государственном университете, но в Уфе было не так много вариантов, чем я мог бы заняться. В Институте биохимии и генетики Уфимского федерального исследовательского центра РАН работала научная группа, изучавшая генетику и происхождение человека. Я присоединился к этой команде, а потом продолжил заниматься этой темой в эстонском биоцентре Тартуского университета, где работал на позиции постдока.
Но в какой-то момент я заинтересовался, как формируется предрасположенность к заболеваниям. Мне хотелось, чтобы полученные знания приносили практическую пользу. Например, ученые уже знают, как создается генофонд, и одна из его частей как раз связана с предрасположенностью к заболеваниям, которую можно рассмотреть с точки зрения эволюции. В этом я и увидел перспективность исследования.
— Почему вы решили участвовать в программе ITMO Fellowship & Professorship и продолжить свои исследования здесь?
— После нескольких лет работы в биоцентре и Институте геномики Тартуского университета на позиции старшего научного сотрудника у меня начало зарождаться собственное видение, какими исследованиями и как я хотел бы заняться. Я всегда мечтал собрать группу ученых. В реалиях западных университетов этот план было бы сложно осуществить ― например, потому, что там не так много студентов решаются идти в науку. Я подумал, что в России дела с молодыми учеными обстоят лучше, и не ошибся: когда присоединился к SCAMT, встретил огромное количество людей, желающих работать в науке, что меня даже немного шокировало. Это было как раз то, что я искал.
Отдельно хочу сказать, что, как мне кажется, из всех российских университетов самый правильный шаг по привлечению исследователей сделал именно ИТМО. В рамках программы ITMO Fellowship & Professorship университет приглашает разных ученых из-за рубежа и предлагает им конкурентную зарплату. Могу сказать с уверенностью, что готов пригласить своих коллег.
Когда я написал представителям проектного офиса ИТМО, что хочу участвовать, получил моментальный ответ и мы начали общаться: я рассказал о себе и планируемых исследованиях директору и коллективу SCAMT. Интервью проводились на английском языке, и мне понравилось, что в этом плане исследователи ИТМО действуют открыто и понимают, что рабочий язык науки — это английский.
Во-первых, это означает, что университет может привлекать иностранных специалистов и они сами, если уже работают в ИТМО, могут участвовать в процессе рекрутинга, оценивая проекты кандидатов. Так мы получаем международную экспертизу. Во-вторых, ряд магистерских программ в ИТМО ведется на английском языке так же, как и в Тарту, это помогает готовить российских ученых для работы на международном уровне. Зачастую хорошие разработки проигрывают только потому, что ученые не всегда могут представить их на иностранном языке.
— Как сейчас проходит работа в лаборатории?
— Нужно понимать, что ИТМО — это технический университет, в котором развивают химию, IT и другие сферы, но сфера геномики человека, вокруг которой строится мое исследование, относительно новая, поэтому нам предстоит создать лабораторию с нуля. Для этого нужно закупить вычислительное оборудование и приборы для работы с клетками: морозильники, термостаты, вытяжные шкафы и так далее. Конечно, это оборудование есть в биоблоке Химико-биологического кластера, но, помимо меня, им пользуются много других людей. Некоторые клеточные эксперименты нельзя ставить на поток, потому что требуется время, чтобы очистить приборы ультрафиолетом от следов прошлых опытов. Тем не менее в сентябре я рассказал студентам о планах лаборатории и набрал пятерых желающих в команду. Сейчас они осваивают основы геномики и микробиомного анализа.
— Вы изучаете генетику аутоиммунных и аллергических заболеваний. Почему этим направлением важно заниматься?
— Раньше мы не использовали антибиотики, а уровень санитарии был не таким высоким, из-за чего люди умирали от легочных, кишечных и других инфекций или паразитов. В результате борьбы с разными патогенами наша иммунная система была всегда в тонусе: мутация в гене увеличивала выработок иммунного белка, за счет которого человек более эффективно боролся с болезнями. В итоге эта мутация подверглась положительному отбору и закрепилась в геноме и просуществовала у многих поколений людей.
Но патогенная нагрузка изменилась: например, теперь у нас есть лекарства от разных болезней, а детей мы вынашиваем в стерильных условиях роддомов. Это привело к тому, что тонус иммунной системы изменился, и сейчас те мутации, которые были полезны для борьбы с патогенами, могут неправильно себя вести и атаковать клетки человека. Как эволюционные биологи мы знаем, что должны быть следы эволюции в геноме, и мы умеем их реконструировать. С помощью тонкого картирования (fine mapping) мы хотим найти мутации, ответственные за адаптацию генов иммунной системы, и сравнить их с мутациями-кандидатами — это предполагаемые мутации, которые могут быть связаны с возникновением заболевания. Далее мы планируем изучить, как мутации функционируют в клетке, потому что нам неизвестно, при каких условиях они в принципе срабатывают. В этом случае мы используем клеточные эксперименты.
— В чем сложность тонкого картирования?
— У обычных людей возникает некоторое недопонимание, когда они слышат новости о том, что исследователи нашли ген или локус. На самом деле, это лишь означает, что ученые нашли огромный сцепленный участок генома человека, внутри которого находятся гены. Но в новостях нечасто упоминают, что мы точно не знаем, какой именно ген нашли и какую мутацию он содержит. Сейчас у нас накопился огромный массив данных, благодаря которому мы знаем, например, что с одним заболеванием связано 40 локусов генома, а с другим — 50.
Но самый важный вопрос — найти, где именно находятся нужные нам гены с мутациями, вызывающими заболевание. Поэтому последние 15 лет усилия генетиков направлены на тонкое картирование мутаций, вносящий вклад в патогенез. После того, как мы закончим этот процесс, нам предстоит выяснить, как мутации работают на клеточном уровне, чтобы затем мы смогли применить эти данные для создания лекарств от болезни.
— Вы упоминали, что некоторые эксперименты лаборатория будет проводить при сотрудничестве с Тартуским университетом. Какую часть исследований вы хотите проводить самостоятельно в SCAMT, а какую — с помощью зарубежного университета?
— Геномную и биоинформатическую часть исследований, связанных с тонким картированием, мы будем проводить вместе с сотрудниками Тартуского университета, поскольку у них самый большой биобанк и очень много полногеномных данных по различным болезням человека. К тому же, такое сотрудничество может помочь студентам ИТМО попасть на стажировку.
Но у меня есть надежда, что эксперименты на клетках мы проведем именно в Петербурге, потому что в России это сделать проще. В западных странах доступ к биологическим данным пациента устроен довольно сложно, а у нас достаточно один раз пройти этический комитет института. Далее все будет зависеть от энтузиазма самих ученых: если у вас есть знакомый бактериолог и врач, который готов брать кровь у пациента, чтобы мы в лаборатории выделили из нее клетки, можно провести исследование. К тому же, Тарту — небольшой город в сравнении с Петербургом, в последнем центров и институтов, занимающихся вирусологией и биологией, гораздо больше.
― А можете, пожалуйста, привести конкретный пример таких исследований?
― Например, с коллегами из Башкирского государственного медицинского университета мы уже проводили клеточные исследования, касающиеся псориаза, я планирую продолжить их в SCAMT. Дело в том, что этим заболеванием страдаю я и мои близкие родственники, а у таких людей встречаются и другие проблемы со здоровьем, например диабет. Тогда я задумался над тем, как могу применить знания по генетике, чтобы помочь себе и другим. Ведь можно всю жизнь называть себя генетиком и даже получить докторскую степень, но какая будет польза от этого? Так что, можно сказать, мною движет ещё и личная мотивация.
Известно, что псориаз — это распространенное аутоиммунное заболевание, вызывающее воспаление кожи примерно у 2% населения, а его некоторые формы провоцируются определенным штаммом стрептококка. Это так называемый триггер заболевания, и их множество. Но при этом неясно, как генетические факторы пациента отвечают на присутствие данного триггера заболевания. Мы предположили, что мутации, связанные с повышенным риском псориаза, по особенному регулируют иммунный ответ в присутствии триггера. Чтобы проверить догадку, мы дали провоцирующий триггер (конкретный штамм стрептококка) иммунным клеткам пациентов и собираемся проанализировать ответ на уровне регуляции работы генов.
Это была первая ступень в клеточном исследовании, которую мы прошли, но чтобы идти дальше и проанализировать результаты опыта, нам нужно выиграть грант и получить деньги. Следующим шагом эксперимента станет фиксация участков генома, которые активизировались в ответ на провоцирующий триггер. Дело в том, что геном всегда упакован в белках, но когда активируется какой-то ген, происходит «разматывание» ДНК, и мы получаем открытый хроматин. Мы можем вырезать его, прочитать и сопоставить с нашими предсказаниями. Так мы найдем совпадение с мутацией-кандидатом. Дальше в зависимости от результатов, к которым мы придем, будем продумывать следующие эксперименты.
— Каких результатов вы хотите достичь?
— У нас есть надежда на то, что мы найдем некоторые гены-мишени. Здесь я хочу отметить, что 80% мутаций-кандидатов, которых мы ищем, связаны с изменением не структуры белка, а его уровня продукции (экспрессии): где-то он производится в избытке, где-то его не хватает. Допустим, мутации увеличивают количество белка, значит мы с коллегами будем думать, как его уменьшить и подавить иммунный ответ. Здесь есть несколько путей решения: обратиться к специалистам SCAMT, проектирующим ДНК-роботов, или использовать готовые продукты, которые действуют на гены и перенаправляют эффект от лекарств (repurposing drugs). Другими словами, мы будем думать о стратегии терапии. Это очень сложный вопрос, потому что она должна быть безопасной и доставляться точно по адресу.
— Лекарство достаточно принять один раз или речь идет о более длительной терапии?
— Мне кажется, что такое лекарство человек будет вынужден принимать всю жизнь, потому что это врожденное аутоиммунное заболевание. Мы не можем обманывать людей, говоря, что после терапии они забудут об этой проблеме. Но, я думаю, что люди бы многое отдали за то, чтобы периодически подавлять болезнь. Я хочу подчеркнуть: речь не идет о том, что мы будем корректировать геном человека. Это опасно, потому что методы, применяемые для этого, а именно CRISPR/Cas системы, не всегда точно работают.
— А какие ещё проекты в лаборатории вы развиваете?
— Вместе с магистрантами мы изучаем роль микроорганизмов-симбионтов человека (бактерий и простейших грибов, сожительствующих с человеком — прим. автора). Дело в том, что они структурно похожи на патогены, к которым адаптирована наша иммунная система, например на стрептококк. Есть исследования, показывающие, что при аутоиммунном заболевании в кишечнике происходит дисбиоз (качественное и/или количественное изменение состава кишечной микрофлоры — прим. автора). Более того, когда начинается воспаление, бактерии просачиваются в кровоток, что обостряет аутоиммунное заболевание. Мы видим, как появляются симптомы, но при этом не можем сказать, когда пациент начал болеть. Может ли, например, просачивание и дисбиоз начаться ещё до симптомов. Поэтому мы хотим прочитать геном всего бактериального мира у пациентов с псориазом и здоровых пациентов с помощью глубокого секвенирования (deep sequencing), чтобы понять, какие штаммы могут находится в кишечнике и что они делают.
Ещё есть третий проект, который, можно сказать, вырос из мечты. Ученые, специализирующиеся на геномике, в большинстве случаев изучают микробиом человека с помощью фекальных образцов. Но эксперименты на животных показали, что ключевые процессы, влияющие на иммунитет, происходят в тонком кишечнике. Между тем, пища проходит сначала через тонкий, а потом толстый кишечник. В результате с помощью фекального образца мы получаем больше информации о флоре толстого кишечника, а в идеале хотелось бы узнать о том, что происходит в тонком кишечнике. Гастроскопия или колоноскопия не подойдут, потому что тонкий кишечник находится слишком глубоко, а сами процедуры вызывают болезненные ощущения у пациентов. Поэтому я предложил создать капсулу ― мы назвали её Smart Pill, которая при попадании в организм соберет образцы микробиома только тонкого кишечника и выйдет из него естественным путем.
Сейчас магистрантка первого курса Химико-биологического кластера Виктория Егорова при поддержке сотрудников лаборатории SCAMT «3D-печать функциональных наноматериалов» разрабатывает дизайн капсулы. Дальше мы протестируем результат in vitro — в лабораторных установках, где смоделируем вязкость, кислотность и другие параметры кишечника, а потом на животных.
источник ITMO.NEWS