Исследования лаборатории Прикладная геномика

Комплексная система персонализированного прогнозирования рисков кардиоваскулярных заболеваний

Стремительное развитие технологий секвенирования и биоинформатики открыло возможность разработки персонализированных подходов к профилактике, диагностике и лечению патологических состояний. Ключевым прорывом на пути к персонализированной медицине стало массовое использование полногеномных поисков генетических ассоциаций (Genome wide association study или GWAS) между фенотипическими признаками и геномными вариантами. В то время как генетика простых признаков часто может быть выведена из родословных, многие признаки не являются результатом работы небольшого числа генов, которые имеют четкие, сильные эффекты; скорее они являются продуктом совместного действия десятков тысяч более слабых генетических сигналов. Когда речь заходит о таких чертах − тех, которые больше всего интересуют учёных, от роста до кровяного давления и предрасположенности к шизофрении, - возникает ряд проблем. Оказалось, что не получается перенести данные о рисках, полученные на одной популяции людей, на другие без значительной потери точности. И для этого существует три взаимосвязанные причины:

1) отличие в частотах вариантов, связанных с рисками, в разных популяциях;

2) существование уникальных для популяции генетических вариантов;

3) различие в факторах среды для разных популяций, например, в образе жизни, питании и экологии.

Целью проекта является разработка междисциплинарного подхода, объединяющего факторы среды и генетические факторы, к прогнозированию рисков кардиоваскулярных заболеваний. Первым этапом проекта будет разработка и внедрение в КМИС анкетирования, основанного на опыте успешных зарубежных геномных проектов, в частности геномного проекта Великобритании.

Важнейшим моментом будет являться возможность запроса по требованию новой̆ необходимой информации о фенотипических признаках и о факторах среды доноров биобанка. На основе анкетирования будут отобраны доноры для второго этапа проекта: создание биобанка образцов ДНК. Для хранения биобанка планируется создание как собственной̆ инфраструктуры на базе ИТМО и Мариинской больницы, так и использование существующей. Найденные генетические и негенетические рискометры будут использованы для оценки рисков кардиоваскулярных заболеваний.

Финальной точкой проекта является информационная система на базе отечественной КМИС или аналогичной, где полученные риски и основанные на них рекомендации по профилактике, выбору оптимального лечения, особенностям выбора лекарства (фармокогенетики) будут представлены в удобной и понятной для врача и пациента-донора форме.

Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут иметь как прикладную, так и значительную фундаментальную ценность. Разработанная система значительно упростит проведение исследований не только по кардиоваскулярным, но и по другим заболеваниям, позволит выбирать когорты для исследований, уточнять частоты и риски геномных вариантов для конкретных популяций внутри российской популяции, так как частота варианта в общей популяции является главным критерием для клинической интерпретации, находить генетические варианты, специфичные для жителей России. Результат каждого этапа выполнения проекта (КМИС, биобанк, генотипы, риски, рекомендации) имеет практическое и фундаментальное применение сам по себе и легко расширяем на другие популяции и/или болезни.

 

Сибиркий осётр первым из осетровых был введен в число коммерческих аквакультур и всё еще остается одним из важнейших видов для рыбоводства (Bronzi et al, 2011, 2014). Ареал этого вида охватывает множество рек Сибири от Оби до Колымы, но в аквакультуры сибирского осётра было введено ограниченное количество особей. И долгое время практически все разнообразие было представлено потомками рыб из популяций бассейна Лены. Лишь в последние десятилетия к ним были добавлены стада на основе особей из Оби и её притоков. Несмотря на все усилия работников отрасли по поддержке разнообразия, аквакультуры сибирского осётра демонстрируют резкое снижение генетического разнообразия, что может привести к существенному падению приспособленности особей к условиям внешней среды или даже вырождению (Barmintseva et al, 2018).

Обширный мониторинг существующих диких популяций может позволить отобрать особей с наиболее подходящими для введения в аквакультуру фенотипическими признаками (устойчивость к загрязнениям, к низкому содержанию кислорода, нарушенному циклу активности). Предварительные оценки по генетическому составу популяций на основе анализа мтДНК предполагают существование скрытого разнообразия этого вида и значительный генетический потенциал для создания новых и эффективных аквакультур.

Нами уже установлено сотрудничество с лабораторией сравнительной геномики Института молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКБ СО РАН, Новосибирск), в которой собрана крупная коллекция образцов сибирского осётра, представляющих крупные бассейны рек Сибири (Оби, Енисея, Лены, Яны, Колымы). Кроме того, для расширения уже имеющейся коллекции установлен контакт с кафедрой ихтиологии Томского Государственного Университета и достигнута договорённость о предоставлении биологического материала рыб разных видов, обитающих в обском бассейне. Изучение коллекции ИМКБ с помощью частичного и полногеномного секвенирования помогло бы разрешить многие вопросы, касающиеся формирования и разнообразия современных популяций этого вида. Планируемые к получению данные и их анализ позволят в будущем повысить генетическое разнообразие и эффективность аквакультур, а также давать рекомендации и проводить мероприятия по природоохранной деятельности.

 

Куньи (сем. Mustelidae) – это одно из наиболее богатых видами семейство млекопитающих, относящееся к отряду хищных. В этот таксон относят хорьков, куниц, ласок, выдр, барсуков, росомаху, тайру, медоеда и других. Представителей семейства можно встретить практически повсеместно, за исключением Антарктиды и ряда островов, причем из них в России встречается 18 видов. Эти животные сильно различаются фенотипически, поведенчески и обладают специфическими адаптациями к окружающей среде. Размеры представителей семейства варьируются от крайне малых (малая ласка, Mustela nivalis, является самым маленьким представителем отряда) до средних, но даже самые маленькие остаются очень эффективными хищниками, способными в одиночку одолеть многократно превосходящую по размеру добычу.

К сожалению, куньи все еще малоизучены в генетическом аспекте, несмотря на их очень интересные биологические особенности и существенное значение для человека и природных экосистем. Для многих видов куньих характерна эмбриональная диапауза — задержка имплантации бластоцисты в стенку матки. Этот феномен позволяет разделить во времени процессы спаривания и вынашивания и осуществлять их в максимально благоприятные для вида сезоны, таким образом увеличивая выживаемость потомства. Например, в случае соболя спаривание происходит в июне-июле, а щенки рождаются в апреле-мае, то есть беременность достигает 270 дней, что совпадает с её продолжительностью у человека, и очень долго, для животного столь небольшого размера. Изучение генетического контроля эмбриональной диапаузы имеет непосредственное практическое значение, поскольку искусственно вызванная диапауза может повысить выживаемость эмбриона при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) и других процедурах.

На текущий момент только один из видов куньих был одомашнен – домашний хорёк или фретка (Mustela putorius furo). Легко одомашниванию поддается и бескоготная выдра (Aonyx cinerea), видимо из-за характерной для данного вида развитой социальной структуры. Кроме того, предпринимаются попытки одомашнивания и других видов: соболя, колонка, горностая и некоторых других. Изучение генетических факторов, связанных с одомашниванием и последующее генотипирование по этим факторам, может ускорить и упростить данный процесс, предоставив чёткие и объективные критерии отбора особей для разведения.

Одомашнивание новых видов животных приводит и к негативным последствиям, особенно в случае популярных видов. Очень часто под видом одомашненных недобросовестные заводчики предлагают диких особей, не приспособленных к сосуществованию с человеком. Разработка панелей для ДНК-фингерпринта для видов, находящихся в процессе одомашнивания, позволит обезопасить рынок домашних животных. Подобный тест можно разработать и для краснокнижных видов, что позволит выявлять нелегальный траффик редких животных и бороться с браконьерством.

Для многих видов куньих характерна специфическая, а в случае тропических видов и яркая окраска. Например, харза (Martes flavigula) имеет ярко-жёлтую окраску шеи и груди, что дало ей английское название – yellow-throated marten, или желтешеея куница, а у вьетнамской ласки присутствует широкая белая полоса на спине. Красочную окраску имеют колонок (Mustela sibirica), африканский хорёк, или зорилла (Ictonyx striatus), перевязка (Vormela peregusna) и другие. Кроме того, у некоторых видов встречается и сезонная смена окраски. Изучение различных вариантов окраски и её сезонной смены может позволить в будущем получить животных с требуемой и динамически контролируемой окраской.

Очень многие виды куньих обладают ценным мехом, что сделало их объектом охоты и разведения. Агрессивный охотничий промысел, наступление человека на места обитания и ошибки при планировании интродукции поставил многие виды на грань вымирания и даже привел к вымиранию некоторых. Более 35% видов этого семейства занесены в международную красную книгу, при том что средний показатель для млекопитающих составляет 15%. Так, в конце XIX века из-за ценного меха, крупных размеров и простоты охоты была полностью истреблена морская норка (Neovison macrodon). Вымершей уже в конце XX считается японская выдра (Lutra nippon). Чернолапый хорёк (Mustela nigripes) де-факто вымер в дикой природе, но в неволе содержится популяция из примерно трехсот животных и предпринимаются попытки реинтродукции. Европейская норка (Mustela lutreola), некогда встречавшаяся повсеместно от севера Испании и до Урала, включая территорию России, после интродукции американской норки (Neovison vison) на большей части ареала была вытеснена последней, и этот процесс продолжается в оставшейся части. Под угрозой вымирания также остаются многие другие виды: колумбийская ласка (Mustela felipei), яванский колонок (Mustela lutreolina), калан (Enhydra lutris), кошачья (Lontra felina) и гигантская (Pteronura brasiliensis) выдры. Таким образом, куньи заслуживают пристального внимания со стороны природоохранной биологии.

Часть видов куньих встречается повсеместно, а для некоторых характерен относительно небольшой, но островной ареал. Например, харза встречается лишь в России, Китае, Индии, Вьетнаме, и других странах Юго-Восточной Азии и островах Индонезии. Однако из-за разорванности ареала популяции этого вида сильно отличаются фенотипически, что привело к выделению многих подвидов, а некоторые исследователи даже делят данный вид на три. Горностай, наоборот, встречается на всех континентах Северного полушария, что также приводит к фрагментации на подвиды и, возможно виды. То есть таксономическая структура куньих требует серьезного уточнения, причём это актуально не только для систематики, но и в природоохранном аспекте. Из-за плохо изученной видовой структуры куньих, существует вероятность потерять некоторые виды из-за сокращения ареала и так и не узнать об этом.

Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что изучение геномики куньих представляет огромный интерес со стороны как фундаментальной науки, так и практического применения. Нашей группой установлено сотрудничество с учёными мирового уровня, занимающимися геномикой куньих:

В сотрудничестве с Клаусом Копфли и Федерикой Ди Палма нами осуществляется проект по исследованию генома чернолапого хорька и генетических последствий инбридинга. Joerns Fickel предоставит нам образцы тайры (Eira baibaca). В ИМКБ поддерживается большая коллекция клеточных культур многих видов куньих, которая позволит генерировать референсные геномы хромосомного уровня для данных видов. Более того, данная коллекция постоянно пополняется при содействии коллабораторов. В Зоологическом институте имеется множество коллекций черепов и шкур куньих многих видов, особый интерес представляет коллекция соболя, поскольку она включает образцы датированные началом века. Использование данной коллекции для получения ДНК позволит отследить изменение структуры популяций данного вида на протяжении всего столетия, включая периоды как до, так и после массовой реинтродукции данных животных по всей России.

1. Генерацию референсных геномов хромосомного уровня для 5-10 видов куньих имеющих практический и теоретический интерес, как минимум харзы, колонка, соболя, каменной куницы и белополосой ласки.
2. Сравнительный анализ полученных геномов.
3. Прояснение таксономической структуры и видового состава куньих, в первую очередь линии харзы и горностая.
4. Изучение популяционной структуры и филогеографии соболя на протяжении XX века с целью выяснить последствия реинтродукции данного вида.