Еще несколько лет назад идея заглянуть внутрь клеточного ядра и изучить пространственную архитектуру ДНК без микроскопа казалась научной фантастикой. Однако сегодня, благодаря усилиям ученых, это стало реальностью. Используя передовые методы, исследователи из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» шаг за шагом изучают, как трехмерная организация генома влияет на здоровье человека, и создают на этом фундаменте новые методы диагностики генетических заболеваний.
Долгое время основным инструментом генетиков было секвенирование – чтение линейной последовательности ДНК. Но вскоре стало понятно, что одного знания букв недостаточно. Геном – это не просто цепочка символов, а сложная трехмерная структура, в которой пространственные контакты между участками ДНК тоже очень важны для регуляции активности генов.
Поворотным моментом стало появление технологии Hi-C. Этот метод позволяет «сфотографировать» взаимодействия внутри ядра клетки, зафиксировав, какие участки ДНК находятся в контакте друг с другом. Комбинируя его с массовым секвенированием, исследователи получают карту, по которой можно судить о топологии генома.
В числе первых в России, кто освоил Hi-C, была группа под руководством ведущего научного сотрудника сектора геномных механизмов онтогенеза ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Вениамина Фишмана.
На первом этапе они сосредоточились на изучении нормального трехмерного строения генома. В 2015 году ученые показали, что «петли» в упаковке ДНК — не случайные и не статичные структуры. Они образуют своего рода инфраструктуру, позволяющую регуляторным элементам, например, энхансерам, контактировать с нужными генами.
Сравнивая разные клетки и организмы – от сперматозоидов и яйцеклеток мышей, птиц и даже насекомых – ученые искали общие закономерности. Так, в коллаборации с группой Игоря Шарахова (США) они расшифровали геномы пяти видов комаров рода Anopheles — переносчиков малярии.
«Метод Hi-C, который мы использовали, позволил нам расшифровать последовательности генома пяти видов комаров Anopheles. Это крайне важная информация для тех, кто работает над способами борьбы с переносчиками. Например, теперь можно понять, как в ходе эволюции комары приспосабливаются к использованию человека или крупного рогатого скота в качестве кормовой базы, или как происходит адаптация к существующим инсектицидам или переносу малярийного плазмодия. Это открывает новые методы борьбы с этими насекомыми – в том числе методами редактирования генома, например, при помощи цепной мутагенной реакции. Ведь для того, чтобы воздействовать на какой-то ген комара, надо знать, как геном устроен. Именно на этот вопрос отвечает наше исследование», - рассказал Вениамин Фишман.
Сравнение данных о хромосомных перестройках у разных животных навело ученых на мысль: а что, если схожие подходы можно использовать для поиска скрытых генетических дефектов у человека?
Как вспоминал позже Вениамин Фишман, решающим моментом стала поездка в Томск в 2018 году с целью найти в базе коллег из Томского НИМЦ интересные случаи наследственных заболеваний человека, которые можно дальше исследовать. Открыв базу данных, ученый обратил внимание, что большое число пациентов остаются без молекулярного диагноза – не смотря на использование самых передовых методов молекулярно-генетической диагностики.
«На мой вопрос, почему так получилось – мне ответили, что это общая проблема, достаточно часто, несмотря на все наши возможности, секвенирование генома, другие анализы, ничего не находится. Сразу возникла мысль, что необходимы новые способы диагностики, которые будут решать эту проблему», - продолжил он.
Так родилась идея: использовать Hi-C в медицинской генетике. Ведь классические методы зачастую не выявляют крупные сбалансированные хромосомные перестройки, когда целые блоки ДНК меняются местами, не затрагивая сами гены, но нарушая их работу.
К 2020 году ученые из ИЦиГ разработали диагностическую технологию, позволяющую выявлять как крупные перестройки, так и точечные мутации, при этом сохраняя пространственную информацию о геноме. Принцип метода следующий: сначала ДНК готовится таким образом, чтобы зафиксировать ее трехмерную структуру, а затем проводится глубокое секвенирование. Из образца крови или биопсии эмбриона можно получить максимум информации, заменив этим одним тестом сразу пять разных анализов.
Метод оказался особенно полезен для диагностики причин бесплодия и прерывания беременности. Дело в том, что сбалансированные хромосомные перестройки – одна из самых частых причин этих состояний, но их сложно обнаружить. Новый подход не только находит такие перестройки, но и позволяет отличить здоровый эмбрион от носителя во время процедуры ЭКО.
Исследование, охватившее десятки пациентов при участии медико-генетических центров в Москве и Томске, показало: новый метод не уступает (а иногда и превосходит) существующие по чувствительности и специфичности. При этом он дешевле и проще в применении.
Следующим шагом стало стало сочетание Hi-C с экзомным обогащением – методом, фокусирующим секвенирование на белок-кодирующих участках генома. Такой подход позволяет одновременно определить, какие мутации влияют на структуру белков, и как изменена пространственная архитектура участков, в которых они расположены.
В этом проекте исследователи ИЦиГ сотрудничали почти с десятком медико-генетических центров России, в первую очередь с московским (МГНЦ) и томским (Томский НИМЦ). Благодаря такому масштабному сотрудничеству удалось протестировать разработанный метод на большой когорте пациентов. Были обнаружены новые, ранее не описанные мутации.
Уже сегодня этот подход позволил завершить «диагностическую одиссею» для нескольких пациентов, годами не получавших точного диагноза. Были выявлены ранее неизвестные перестройки, указывающие на причины тяжелых заболеваний. Это не только открывает путь к лечению, но и позволяет точно прогнозировать риски для будущих поколений в семье.
В настоящее время близятся к завершению еще два исследовательских проекта. Первый направлен на адаптацию данной технологии для преимплантационного тестирования при ЭКО. Это позволит точнее подбирать эмбрионы без генетических аномалий и повысит шансы на успешную беременность.
Параллельно ведется работа над применением метода для подбора таргетной терапии в онкологии. Исследователями выявлен список из порядка 50 типов хромосомных перестроек, которые можно обнаружить и учитывать при назначении препаратов. Некоторые из этих мутаций уже «таргетируются» одобренными лекарствами.
Разработка новосибирских ученых – яркий пример того, как фундаментальные знания о строении генома со временем переходят в практическую плоскость, расширяя возможности в диагностике и терапии. То, что вчера казалось невозможным, сегодня становится частью клинической практики, и дает надежду тем, для кого раньше врачи не находили ответов.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии