Исследования выпускника Новосибирского госуниверситета помогут в борьбе с раком

«Чего греха таить: половина, ну если не половина, то процентов сорок учёных в биологических лабораториях всего мира ломает голову над тем, как победить рак», – говорит сотрудник Института систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, соучредитель и директор компании «Новые программные системы» Дмитрий Штокало. Ему и его коллегам из США и Франции удалось, возможно, ближе всех подойти к решению этой глобальной задачи. Они нашли участки в ДНК, воздействие на которые приводит к гибели раковых клеток. 

И это ещё не всё. Эти учёные раскрыли функции дополнительных 10% ДНК в геноме. Что это значит для мировой науки, судите сами: до 98% ДНК генома считалось «мусором».

Другими словами, научная общественность полагала, что только 2% ДНК выполняет важную функцию; биологическая значимость остальной части ДНК оставалась под сомнением. Парадигма так называемой мусорной ДНК долгое время господствовала в научной среде. Следовательно, львиная доля человеческого генома, якобы не имеющая смысла, изучалась значительно менее интенсивно.

В 2012 году международный консорциум ENCODE представил результаты своих исследований: до 80% генома человека является биологически активной материей с неизвестной функцией, или так называемой тёмной материей. Веские доказательства её биологической значимости оставались перспективой будущего. Как оказалось, совсем недалёкого.

Международная команда учёных, в состав которой входят новосибирские математики и программисты, молекулярные биологи из университетов и научных институтов США и Франции, не только приумножила наши знания о дезоксирибонуклеиновой кислоте – носителе генетической информации, но и выяснила, как функционирует часть ДНК, до сих пор слывшая бездеятельной.Неслучайное событие

На протяжении шести десятков лет учёные всего мира ступенька за ступенькой поднимаются по самой неизведанной «винтовой лестнице» – двойной спирали ДНК. «Подъём» по ней стал возможен благодаря биологам Фрэнсису Крику и Джеймсу Уотсону и биофизикам Морису Уилкинсу и Розалинде Франклин: в 1953 году их усилиями свершилось революционное открытие структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Это событие позволило человечеству надеяться на расшифровку генома человека. Спустя 50 лет произошло и это: в 2003-м генетическая информация человека была прочитана.

«Люди преисполнились оптимизмом: ага! вот теперь-то мы поймём, как работает клетка, узнаем, в чём причины болезней, начнём побеждать неизлечимые рак, гепатит, туберкулёз... В экономической сфере был большой всплеск – инвесторы инициировали огромные финансовые вливания в исследования ДНК. Однако лет через пять оптимизм поугас. ДНК-то прочитали, а что дальше с этим делать? Понять, как код ДНК работает, очень трудно. Как всегда, оказалось, что природа гораздо сложнее, чем мы думаем», – выносит вердикт Дмитрий Штокало.

Разгребание генетического мусора началось для него с изучения нового класса РНК, который три года назад открыл русскоговорящий американец, известный в мире специалист по исследованию «тёмной материи» ДНК Филипп Капранов, работающий в Институте Сен-Лорен (штат Род-Айленд, США).

Vlinc-РНК («влинки») – такое название получили обнаруженные им молекулы рибонуклеиновых кислот: very long intergenic noncoding – «очень длинные межгенные некодирующие». Цепи, из которых состоят эти РНК, значительно длиннее, чем у открытых годом ранее linc-РНК, поэтому появилось дополнение «very» – «очень».

До исследований Капранова большинство участков ДНК, которые кодируют vlinc-РНК, считались мусорными – не несут информацию о белках. Однако учёный установил, что они выполняют некую регуляторную работу.

«Изначально мы знали, что гены, кодирующие vlinc-РНК, – это просто интервалы в геноме, которые каким-то образом работают, но не знали, зачем они нужны и как активируются, – начинает свой рассказ о пройденном пути Дмитрий Штокало. – У нас был развит некоторый математический аппарат, посвящённый тому, как анализировать интервалы в геноме. Мы начали его применять и смотреть, что находится рядом с нашими интервалами, кодирующими vlinc-РНК».

Оказалось, что в этих частях генома скапливается достаточно много остатков вирусных промоторов – участков ДНК, активирующих расположенные рядом с ним гены. Однако у учёных оставалось сомнение: работают ли они, активируют ли они гены «влинков»? Или, может быть, это просто нефункциональный «мусор»?

Решили провести эксперимент с подсаживанием промоторов к гену «светящегося белка» люциферазы – поставили его в США. Если промотор активирует люциферазу (это можно легко наблюдать, т.к. белок светится), то значит, он активирует и «влинки». Эксперимент подтвердил это предположение, то есть показал, что вирусные промоторы не просто присутствуют по близости с vlinc-РНК, а действительно в этих участках работают. «Вирусы в процессе эволюции привнесли свои промоторы в нашу ДНК, промотор – активирует наши “влинки”», – озвучивает вывод, подтверждённый в ходе эксперимента, Дмитрий.

Бороться и искать, найти и понять

На познании того, как активируются vlinc-РНК, учёные не остановились: решили изучить их поведение, основываясь на технологии секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) РНК.

Американская сторона сделала ставку на новую технологию секвенирования Helicos – без предварительной амплификации, то есть без искусственного «размножения» секвенируемых молекул РНК. Это позволяет замечать очень малые изменения в интенсивности работы генов и точнее оценивать цифровую экспрессию – как ДНК-код копируется в РНК-код.

По технологии Helicos, в создании которой принимали участие выходцы из СССР, в том числе вышеупомянутый Филипп Капранов, были отсеквенированы РНК нормальных и раковых клеток. Из базы консорциума ENCODE подняли результаты секвенирования РНК нормальных, раковых и стволовых клеток.

«В ENCODE проводили секвенирование на другой машине – Illumina, по отличной от нашей технологии, и интересно, что результат оказался устойчив, – объясняет мой собеседник, под машиной имея в виду секвенатор. – В тканях, одинаковых и у них, и у нас, мы нашли одни и те же vlinc-РНК. Это подтверждает, что мы нашли не что попало».

Институт систем информатики СО РАН Если посмотреть на мировые открытия, причастных к ним российских учёных достаточно много, но обычно они базируются в университетах США, Европы, Японии, Сингапура. Дмитрий Штокало и его коллеги же работают в новосибирском Академгородке, в котором математика традиционно находится на позиции царицы наук. На фото: Институт систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, учёные которого участвовали в исследовании влинков

Следующим этапом исследования стал подсчёт «влинков». Взяли нормальные, раковые и стволовые клетки. Посчитали, в каких клетках vlinc-РНК больше и в каких они более всего связаны, или, как говорит Штокало, ассоциированы, с промоторами вирусов.

«В процессе подсчёта проходится вся ДНК человека – ищутся фрагменты с высоким сигналом, который означает, что эти фрагменты работают. Сигнал на участке ДНК – это целое число: ноль, один, два, три и так далее, которое показывает, сколько копий РНК было прочитано с данного участка ДНК, – объясняет Дмитрий. – Затем нужно очистить полученные результаты от шума, применить ряд математических методов. Это, в общем-то, не сложно, но если ты не знаешь, какую цель преследуешь, сложно дойти до конца».

Исследователи vlinc-РНК понимали свою цель – искали именно этот класс рибонуклеиновых молекул, так как наверняка знали, что они существуют. Во всех проанализированных тканях учёные обнаружили «влинки» и убедились в том, что в раковых и стволовых клетках их больше, чем в нормальных. То есть чем сильнее «раковость» и чем больше плюрипотентность клетки (чем больше она «стволовая»), тем интенсивнее нарабатываются vlinc-РНК. В клетках нормальной ткани их концентрация заметно ниже.

Запрограммировать смерть

Что было дальше? Команда новосибирских математиков-программистов и учёные, представляющие университеты и научные институты США (Институт Сен-Лорен, Университет Брауна, Темпльский университет, Университет Джорджа Вашингтона, Университет Дрекселя, Университет Южной Калифорнии) и Франции (Тулузский университет), принялись изучать биологические возможности, связанные с vlinc-РНК.

Пожалуй, самым главным этапом исследования стал очередной эксперимент, в ходе которого учёные ингибировали, то есть заблокировали, некоторые виды vlinc-РНК в раковых клетках. И тогда раковые клетки покончили жизнь самоубийством!

По-научному это называется апоптозом. Результат оказался уникальным: до сих пор не было известно, чтобы воздействие на некодирующие РНК – молекулы РНК, которые не транслируются в белки, – приводило к гибели раковых клеток.

«Апоптоз, запрограммированная смерть клетки, – это очень инертный процесс. Чтобы его запустить, нужны серьёзные изменения, как правило, в области белков. А здесь мы воздействуем только на один вид РНК, не кодирующий белок, – и клетка уходит в апоптоз», – не скрывает своего удивления Дмитрий Штокало.

«Сначала, когда мы подали статью в Nature, её очень быстро отфутболили, – подбирает точные выражения математик. – Вероятно, подумали, что недавний цикл статей в их журнале от консорциума ENCODE достаточно полно отражает новые знания о геноме человека и тему можно не муссировать. Статью позднее опубликовали в Genome Biology».

Называть Дмитрия математиком, конечно, справедливо, но не совсем точно. Он представляет молодую отрасль науки, в России ещё не всем понятную, а многим и вовсе неизвестную: имя ей – биоинформатика.

«Это применение математики для решения биологических, генетических задач», – Дмитрий даёт ёмкое определение непопулярной в России науке, в последние десять лет являющейся престижной высокооплачиваемой профессией на Западе.

«Когда говоришь кому-то, что ты биоинформатик, все недоумевают: “О! А чё это такое?” – учёный нарочно проговаривает “что” на просторечный лад. – Говоришь “программист” – все понимают».

Формульный подход

Сейчас команда Штокало и его зарубежные коллеги заняты анализом нового материала – нескольких сотен тканей и клеточных линий человека. Наблюдают за поведением всё тех же vlinc-РНК.

«Видим, что стволовая клетка в течение нескольких суток перестаёт быть стволовой, выбирает себе специализацию и становится нормальной. Интенсивность работы “влинков” угасает со временем. То есть по мере того, как клетка перестаёт быть стволовой, она перестаёт вырабатывать vlinc-РНК. Пока нельзя сказать, являются “влинки” причиной или следствием раковости или стволовости. Но факт остаётся фактом: когда мы заблокировали некоторые из “влинков”, раковые клетки умерли», – Дмитрий акцентирует внимание на главном результате, который стал возможным благодаря успешной коллаборации учёных нескольких стран.

Причём это сотрудничество тоже уникально, как и достижения этой группы исследователей. Уникально прежде всего для нашей страны: к раскрытию потенциала vlinc-РНК приложили руку учёные, которые работают непосредственно в России. Если посмотреть на мировые открытия, причастных к ним российских учёных достаточно много, но обычно они базируются в университетах США, Европы, Японии, Сингапура. Дмитрий Штокало и его коллеги же работают в новосибирском Академгородке, в котором математика традиционно находится на позиции царицы наук.

Перефразируя Иосифа Бродского, который писал о звезде «математически далёкой», можно сказать, что человеческий геном Дмитрию Штокало «математически близок». Однако сам математик-биоинформатик с этим, вероятно, не согласится.

«Периоды восприятия математики у меня в жизни сменяются: иногда думаю, что действительно всё описывается математикой, потом проходит время – начинаю сомневаться: нет, есть что-то, не доступное математике, либо доступное, но той математике, которую мы ещё не знаем, – делится своими размышлениями Дмитрий Штокало. – Когда работаешь с биологическими данными, это особенно чувствуется. Зачастую нельзя сделать предсказание точнее, чем на 80%. У природы всегда есть исключения из правил. Всегда есть факторы, которые невозможно учесть в своей математической формуле. Какую бы ты формулу ни подобрал, она не будет работать на 100%».

Сегодня команда Дмитрия Штокало продолжает развивать математический аппарат, чтобы извлекать полезное знание из экспериментальных данных, а их в современном мире очень много. Пока гораздо больше, нежели эффективных математических методов, с помощью которых их можно обработать, а обработав – понять.

Галина Казарина (Журнал New Scientist RU (ноябрь, 2013).В открытом доступе полную версию статьи можно найти здесь.

Ссылка на оригинал статьи