Великая тайна “потерянной наследственности” найдет объяснение за счет эпигенетики

 

Текст создан в рамках проекта «Завлабы»: редакция PCR.NEWS задает вопросы руководителям лабораторий, отделов и научных групп. Что бы вы сделали, если бы были всемогущи? Как должен выглядеть идеальный мир через 50 лет? Что вам не дает покоя? Какому главному правилу вы можете научить начинающих исследователей? И так далее.

Есть нормальные научные результаты, за которые мне не стыдно.

Вообще я 50 лет занимался поиском генетической обусловленности фенотипов: искал, как связаны признаки, заболевания и внешние воздействия с разными показателями. С аберрациями хромосом, полиморфизмом белков, «хвостами комет» [речь идет о методе ДНК-комет: хвост образует поврежденная ДНК на электрофорезе в агарозном геле. — PCR.NEWS.] Последние 15 лет искал корреляции с уровнем экспрессии генов и со снипами. Результаты этих исследований всегда были скудными — слабые эффекты, низкая значимость, плохая воспроизводимость. И я был потрясен, когда впервые получил доступ к данным по метилированию (EWAS) – они показали то, что я искал и не находил всю жизнь.

Большинство заболеваний, признаков и внешних воздействий обнаруживает связь с уровнем метилирования цитозина в CpG сайтах.

Степень и значимость этой связи в разы выше, чем в GWAS. А если говорить про внешние воздействия — паттерн метилирования в 90% случаев позволяет выявить заядлого курильщика. Да вообще любые факторы — пестициды, тяжелые металлы, трудное детство, абьюз, насилие, — меняют уровень метилирования. Это открытие явилось для меня как благая весть. От данных, которые получаются по CpG, я буквально ловлю кайф.

Надо сказать, что CpG сайты, по которым происходит метилирование, распределены в геноме неравномерно.

Отдельно стоящие CpG-сайты расположены в повторах, псевдогенах, транспозонах, и они в норме на 70–80% метилированы. CpG-островки расположены в промоторах большинства генов, и они в норме не метилированы. Что происходит при генотоксических возлействиях, при возрастных заболеваниях, при старении? Происходит метилирование CpG островков в промоторах, это снижает или блокирует экспрессию гена, потому что метилированные CpG мешают работе транскрипционных факторов. Напротив, CpG, которые находятся в псевдогенах и транспозонах, деметилируются, и всякая генетическая дрянь, которая в норме должна молчать, активируется.

Как оценить функциональность этого процесса?

Вы, допустим, получили данные о метилировании данного CpG в промоторе. Вы лезете в базу данных транскрипционных факторов, а у них всегда есть мотив связывания, которым он садится на промотор. И если CpG входит в состав этого мотива, то он мешает связыванию. Чем больше транскрипционных факторов «цепляет» этот CpG, тем он более функционально важен. Здесь становится яснее выход на какие-то биологические процессы. Потому что сами по себе снипы редко связаны с заменой аминокислоты.

Мы не можем понять природу «потерянной наследственности».

Мы прочитали геном и думали, что все объясним с помощью GWAS. Но не получается. Вот шизофрения — 80% наследования по родословным. Нашли снипы, которые преимущественно встречаются у больных. Значимо, воспроизводимо. Но объясняет полпроцента наследования. А остальная наследственность откуда берется? Все люди, такие разные, отличаются всего одной буковкой из тысячи. Но важна не последовательность, а регуляция, а это как раз метилирование.

Я в 1973 году попал в лабораторию радиационной генетики ИОГена, которую возглавлял профессор Шевченко.

Мы много лет изучали последствия для организма у людей, получивших облучение. Я оказался в Чернобыле почти сразу после аварии, и потом мы обследовали ликвидаторов, рабочих и людей, оказавшихся в зоне повышенной радиации. Мы видели, что радиация вызывает аберрации хромосом — кольца и дицентрики, причем это дозозависимый эффект, по этому показателю можно определить дозу, которую человек схватил. Но это не фенотип. Достоверных воздействий на здоровье за все время наблюдений практически не выявлено. Частота заболеваний, тех же лейкозов, у них не повышается. Есть всего два случая, когда при массовом облучении увеличилась частота лейкозов — это Хиросима и река Теча, на Урале, где в 1950 году был сброс радиоактивных отходов производственного объединения «Маяк». Тогда тысяч 200 человек получили дозу на уровне около лучевой болезни, и был соотносимый по дозе подъем лейкозов. В Чернобыле нет.

А вот что там с эпигенетикой?

Удивительно, но полногеномные исследования метилирования при воздействии радиации пока не проводились. В нашей лаборатории экологической генетики мы попытались оценить изменения паттернов метилирования нескольких кандидатных генов у ликвидаторов ЧАЭС и рабочих. Мы нашли, что есть гены, у которых CpG в промоторах под воздействием радиации гиперметилируются. И этот эффект сохраняется — мы видим, облучался человек 30 лет назад или нет. Уже по десятку генов можем сказать. Но если бы мы могли оценить биологический возраст этих людей по эпигенетическим часам, это был бы совсем другой уровень исследований.

Цель, которую мы могли бы перед собой поставить, — это оценка биологического возраста как единого интегрального показателя воздействия на организм.

Потому что и пестициды, и тяжелые металлы, и курение, и радиация — все они вызывают изменения метилирования одного направления. Мы предполагаем, что все они должны увеличивать биологический возраст. Но это невозможно проверить «на коленке», без денег, как мы сейчас работаем. Самым впечатляющим событием в науке, правда не за последний год, а за последнее десятилетие, стало для меня создание эпигенетических часов. Потому что они очень точно оценивают биологический возраст, а именно биологический возраст может служить интегральным показателем практически любого воздействия.

Эпигенетические часы первого поколения в 2013 году создал Грегори Ханнум.

Началось с того, что он пожаловался, что не может найти маркеров рака, так как много меток метилирования просто отслеживают возраст. И задумался. И сделал первые эпичасы, которые предсказывали возраст по паттернам метилирования клеток крови. Следуюшим был Стив Хорват, математик, который интересовался генетикой, пытаясь найти причины гомосексуальности своего брата-близнеца. Ничего не нарыл, кроме возрастной зависимости метилирования CpG-сайтов. И сделал свои эпигенетические часы, пантканевые, которые работали по всем органам и тканям. Коэффициент регрессии с возрастом составил 0,98, это была небывалая точность! Следующие часы в 2018 году сделала его ученица Морган Левин. Она отслеживала биомаркеры старения (белки, артериальное давление, глюкозу и пр.) поэтому ее эпичасы предсказывали уже не календарный, а биологический возраст. Потом и Хорват сделал такие часы.

Это вообще потрясающая штука!Она предсказывает, сколько тебе осталось жить.

У того, кто по этим часам попадает в верхние 5%, удвоенная вероятность смерти в любом возрасте, хоть в 30, хоть в 80. И можно любые воздействия, любые терапевтические процедуры контролировать с помощью этих часов. Ну а потом появились универсальные часы для млекопитающих, для 128 видов. Это вообще фантастика! Невероятно, но они предсказывают даже продолжительность жизни вида.

Мы тоже внесли свои пять копеек в такие исследования,

правда, эти данные, полученные в совместной работе со Светланой Боринской, еще не опубликованы. Взяли образцы, скачанные из базы, выборки по несколько тысяч, данные по метилированию CpG и по возрасту. На этих выборках очень хорошо работают эпичасы по Ханнуму, корреляция 0,95, очень высокая для биологии. Но мы обнаружили группу людей, у которых возраст сильно выше, чем тот, что предсказывают эпичасы, и людей, у которых возраст ниже. То есть это люди с ускоренным и с замедленным старением. И посмотрели CpG, которые с этим ассоциированы. Оказалось, это одни и те же CpG — в зависимости от паттерна метилирования они дают ускоренное, либо замедленное старение. Но, конечно, эту работу надо расширять и перепроверять. Мне хотелось бы изменить ситуацию, когда я прихожу на работу и прячусь от молодых сотрудников. Потому что им надо капать, а капать нечего, и купить не на что. Когда был РФФИ, все же можно было что-то делать и делалось. А РНФ — я три раза подавал на грант по определению биологического возраста у облученных людей — у рабочих с «Маяка», из Северска, Арзамаса, два раза получал восторженные отзывы — и по нулям. Мы продолжаем работать фактически за свой счет. Я уже несколько раз из своего кармана оплачивал нужную нам рестриктазу, ну не бог весть какие деньги — 20–30 тысяч. А вообще я считаю, что у всей российской науки одна проблема, которая сосредоточена в известных местах. И похоже, что вряд ли что изменится: «Не верь, товарищ, не взойдет…». И построить собственную науку в изоляции от мировой, по типу советской, не получится.

Если говорить о развитии науки вообще, то я считаю, что будущее — за генным редактированием.

Достаточно отдаленное, потому что пока, конечно, на человеке мало что получается. Но думаю, что из этого разовьется что-то очень перспективное. По крайне мере для того, чтобы убирать тяжелые аномалии.

А в фундаментальной биологии проблема по-прежнему одна: надо объяснить изменчивость и наследуемость признаков.

Поймем ли мы через эпигенетику, как работает геном? Думаю, да. И великая тайна «потерянной наследственности» рано или поздно найдет объяснение за счет эпигенетики. Возможно, важно не только метилирование. Есть еще ацетилирование гистонов, оно просто количественно не описывается, поэтому им особенно не занимаются, там хрен чего померяешь, в отличие от CpG. Хотя ацетилирование гистонов — это явно эволюционно более ранний способ регулирования экспрессии. Потому что метилирование есть у всех млекопитающих, а, например, у насекомых его и в помине нет. Но что-то же должно включать и выключать гены при дифференцировании клеток? Ацетилирование гистонов у них есть, это, очевидно, более древний механизм. И если удастся его количественно охарактеризовать, думаю, это будет новое дыхание для эпигенетики.

 

Я часто говорю себе, и студентам своим говорю, а у меня студенты-физтеховцы: «Не презирай чужие миры».

Потому что мы в науке невероятно дифференцируемся по подходам. Биоинформатики свысока смотрят на тех, кто занимается мокрой биологией, молекулярные биологи — на тех, кто занимается клеточными культурами, а те терпеть не могут секвенаторов, и так далее. Мы постоянно расползаемся на какие-то подклассы. Не презирай чужие миры. Даже если не понимаешь. Это вредно, это тебя ограничивает. Пойдет как принцип? Беседовала Надежда Маркина