В конце прошлого века биологи начали осваивать глобальный проект по расшифровке генома человека. Казалось, определив первичную его структуру, исследователи раскроют все тайны, поймут в первую очередь, как осуществляется тонкая регуляция экспрессии генов. Сложно переоценить значение программы «Геном человека» для науки о живом и медицине, но пока она так и не открыла многого, например, загадки функционирования генома, в частности, понимания, как уложены хромосомы в ядре, как взаимодействуют между собой удаленные друг от друга участки генома.
Молекулярных биологов этот вопрос занимает уже давно, и на каждом этапе его изучения они стараются продвинуться вперед. Ощутимых успехов в этом достиг отдел клеточной геномики Института биологии гена РАН, возглавляемый доктором биологических наук Омаром КАНТИДЗЕ. Исследование коллектива «Механизмы поддержания стабильности 3D-генома и технологии его направленного изменения для решения фундаментальных и прикладных задач» поддержано крупным грантом Российского научного фонда.
— Проблема в том, что мало «прочитать» геном, — объясняет Омар Леванович. — Важно понять, как взаимодействуют отдельные и часто весьма удаленные его участки, какое влияние они оказывают друг на друга. Получаемое знание в определенном смысле переворачивает наше представление о механизмах регуляции экспрессии генов. Например, раньше мы рассматривали последовательность генов и управляющих их активностью регуляторных элементов в линейном масштабе, а оказалось, что они функционируют в 3D-пространстве.
— Как выглядит объемный 3D-геном? Какова примерная длина его молекулы?
— Длина молекулы ДНК одной клетки человека составляет примерно 2 метра, но в остальных измерениях имеет нанометровый масштаб. При этом ДНК весьма компактно свернута в пространстве клеточного ядра, средний диаметр которого порядка 10 микрометров. Если попытаться представить, на что похожа одна хромосома в интерфазном ядре, то ближе всего окажется… клубок ниток или перепутанные между собой макароны-спагетти. Пространственную организацию генома изучают уже много десятилетий, но именно в последние годы в этой области удалось достичь существенного прогресса. Стало понятно не только, как уложены хромосомы в ядре и каким образом взаимодействуют удаленные друг от друга элементы генома, но и какие молекулярные процессы лежат в основе такой организации. Сегодня это одна из самых горячих точек молекулярной биологии. Множество лабораторий в мире ведет фундаментальные исследования в этой области. Интерес к ним повышенный, поскольку имеет еще и прикладное значение: он прямо связан с пониманием механизмов регуляции экспрессии генов. Эти изменения — первопричина клеточных нарушений, они приводят к возникновению различных заболеваний, в том числе рака. И в некоторых случаях это действительно обусловлено изменениями в 3D-геноме. Потому так важно понять, как он уложен в ядре, как влияет на экспрессию генов и другие молекулярные процессы внутри клеточного ядра.
— Можно ли повлиять на укладку генома?
— Да, в последние годы в различных лабораториях (в том числе и в нашем отделе) исследователи разрабатывают способы манипуляции 3D-геномом. Собственно, грант РНФ и предусматривает не только изучение, но и разработку методов точечных изменений в нем. Скажем, можно прицельно разрушать или, наоборот, стабилизировать взаимодействия между удаленными участками генома для внесения необходимых преобразований в экспрессию генов. Освоение таких подходов очень важно для развития нашей области исследований и в целом для наук о живом, но не только. У этих методов есть и перспектива клинического применения. В каком-то смысле манипуляция с 3D-геномом — это редактирование генома, но не на уровне первичной последовательности, а взаимодействия его элементов. Уже есть примеры использования таких технологий в исследованиях на животных для терапии наследственных заболеваний.
— Как навести порядок в «клубке»?
— Прежде чем наводить порядок, нужно точно определить, что не так с 3D-геномом больной клетки, нарушение каких процессов привело к изменениям. Для этого необходимо сравнить пространственную укладку хромосом нормальных (здоровых) клеток и патологически преобразованных. Звучит просто, но каждый раз это большая, сложная и самодостаточная научная задача, приближающая нас к раскрытию механизмов развития того или иного заболевания. Если решить эту проблему, то можно задуматься над тем, как и какие перемены в 3D-геноме стоило бы обратить вспять или, наоборот, индуцировать в терапевтических целях. Точечные превращения в него можно вносить с использованием специально дизайнированных химерных белков, состоящих из нескольких функциональных модулей. Самые важные из них отвечают за привлечение химерного белка в определенное место генома и, собственно, за «изменение» его 3D-структуры. Одно из направлений деятельности различных лабораторий в мире — поиск и исследование новых вариантов таких белковых модулей для создания технологий высокоточного и эффективного манипулирования 3D-геномом.
— Как он относится к вторжению, не вызывает ли оно последствий?
— Как и все генно-терапевтические разработки (да и любые лекарственные средства) методы редактирования 3D-генома должны быть эффективны, но безопасны. Его преобразование в целом — технология менее травматичная по сравнению, например, с геномным редактированием. Однако обратите внимание, что мы (я имею в виду всех исследователей 3D-генома) только перешли от процесса накопления знаний к их возможному практическому применению, то есть созданию технологий, о которых я говорил. Следующий этап, по всей вероятности, — всестороннее исследование точности и безопасности таких манипуляций.
— Вернемся к гранту РНФ. Почему, как вы думаете, Фонд вас поддержал?
— Делает он это, замечу, не в первый раз. Наш коллектив удостаивается грантов РНФ со времени образования Фонда. Думаю, потому, что нам удалось хорошо зарекомендовать себя: проекты интересные и часто сложные, но мы умеем их реализовывать. А наши результаты публикуют лучшие международные научные журналы. Мне кажется, что всякий раз Фонд задает себе одни и те же главные вопросы. Может ли он, например, доверять нашему коллективу, справимся ли мы с задачей? И, безусловно, насколько актуален, значителен и привлекателен наш проект? Последний грант мы получили в прошлом году (отчет за первый год Фонд только что утвердил, и рецензии очень хорошие), рассчитан на четыре года и может быть продлен еще на три. Надо сказать, что РНФ привнес много полезного в систему выделения средств на исследования: это и понятные, прозрачные критерии экспертизы, и публикация рецензий на заявки и отчеты, что бывает крайне полезно для соискателей и исполнителей грантов, и ориентация на качество, а не только на количество отчетных публикаций.
— На что идут средства гранта?
— У нас нет проблем с научным оборудованием. В ИБГ РАН успешно действует Центр коллективного пользования, да и наш отдел за годы сотрудничества с Фондом расширил и обновил свою приборную базу. Главная статья наших расходов — приобретение реактивов и оплата секвенирования. И то, и другое стоит очень дорого. Размер грантов РНФ сопоставим с хорошими зарубежными, однако на деле оказывается раза в три меньше. Причина известна — это переплата за реактивы. К сожалению, очень мало подходящих для наших исследований реактивов и расходных материалов производится у нас в стране. А покупать зарубежные напрямую институт не может, поэтому все мы пользуемся услугами компаний-поставщиков. В результате цены возрастают в несколько раз. К тому же крайняя зарегулированность требований закупок приводит к немыслимым по современным меркам срокам поставок. Проблемы известны многие годы, о них постоянно напоминают, однако ситуация почему-то так и не меняется.
— Как коллеги оценивают ваши исследования?
— О том, что наши работы известны в мире, говорят и количество цитирований наших статей, и тот факт, что сотрудников отдела часто приглашают выступить с докладами на международных конференциях. Замечу, что в этой области генетики мы много с кем сотрудничаем и у нас в стране, и за рубежом. Заслуга в этом, на мой взгляд, принадлежит сложившейся в нашем институте мощной научной школе пионера исследований структурно-функциональной организации хромосом Сергея Владимировича Разина.
Юрий Дризе
Нет комментариев