Три тренда этой осени

В воскресенье вечером в Калифорнии прошла церемония объявления лауреатов ежегодной премии Breakthrough Prize, организованной несколько лет назад Юрием Мильнером, Сергеем Брином, Марком Цукербергом и другими лидерами IT. Создатели Breakthrough Prize явно видят свое детище в качестве менее консервативной, но не менее престижной альтернативы Нобелевской премии. Однако на этот раз оргкомитет пришел к удивительному согласию со шведами — в номинации «Фундаментальная физика» премию получили те же первооткрыватели нейтринных осцилляций, о которых мы уже подробно писали.

А вот с «биологической» частью премии ситуация как раз противоположная: жюри удалось отметить именно тех исследователей и представленные ими направления, которые исключительно важны для современной науки, но до сих пор не получили признания от Нобелевского комитета. По этому поводу мы решили очень коротко вспомнить, что это за исследователи и какие направления они представляют.

Карл Дизерот и Эдвард Бойден: Больше света

Дизерот и Бойден стали лауреатами по одной и той же теме. Это неудивительно: Бойден был аспирантом Дизерота во время их совместной работы, и со стороны сложно определить, у кого больше заслуг в изобретении и доведении ума их совместного детища — оптогенетики. Кстати, у нынешних лауреатов был и третий коллега, Фен Джан, но его вклад в исследования жюри на этот раз почему-то решило не отмечать. 

Читателю, который часто заходит на N+1, слово «оптогенетика» должно быть хорошо знакомо (например, из таких новостей: раз, два, три, четыре). Под ним подразумевают метод, благодаря которому ученые могут выборочно активировать нужные нейроны мозга в нужный момент. Приставка «опто-» здесь отвечает за метод активации — ее проводят с помощью облучения мозга светом по специальному оптическому волокну.
Если вкратце, метод работает следующим образом. Нужно взять ген белка каналродопсина зеленых водорослей, вставить его в геном животного и заставить синтезироваться в нейронах. Это не слишком сложно: достаточно найти любой ген, который активируется только у нейронов, и добавить к гену каналродопсина соответствующую управляющую последовательность (промотор).

Каналродопсин — это трансмембранный канал, который при облучении светом с длиной волны около 480 нанометров изменяет свою конформацию и начинает пропускать сквозь себя ионы. Фактически, в мембране нейрона появляется множество «дыр», через которые начинает идти ионный ток; это приводит к деполяризации мембраны и нейрон «срабатывает». В этом, собственно, и вся оптогенетика в редакции Дизерота и Бойдена. А вот работы множества ученых, подхвативших их идею, довели новую технологию до фантастических высот.

Например, группа нобелевского лауреата Сусуми Тонегава научилась с помощью оптогенетики вызывать у мышей нужные воспоминания, причем как реальные, так и ложные. Для этого японцы научились активировать синтез каналродопсина в очень небольшом числе нейронов, — только тех, что несут слепок («энграмму») памяти. С помощью введения мышам специальных веществ синтез каналродопсина у них блокируется на протяжение всей жизни. Снимается блок только перед помещением животного в новую обстановку, когда в нейронах памяти начинается синтез различных новых белков, в том числе и каналродопсинов. То, что запоминание сопровождается активацией синтеза белка, было известно и ранее, но только Тонегаве удалось использовать этот факт совместно с новой технологией Дизерота и Бойдена чтобы получить мышей, чью память можно активировать просто включением света.

Элен Гоббс и Джон Харди: Классика всегда в моде

Если работа Дизерота и Бойдена это пока еще только про фундаментальную науку, то заслуги Элен Гоббс и Джона Харди напрямую касаются медицины. Оба они медицинские генетики, работы обоих касаются очень важных для современного (стареющего и малоподвижного) мира болезней: болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с высоким уровнем холестерина. 

Объединяет нынешних лауреатов еще и то, какой подход он использовали при поиске генетических причин этих заболеваний. Этот подход можно назвать «возвращением классики» — если иметь ввиду классическую медицинскую генетику середины прошлого века. Дело в том, что сегодня, когда генетическое тестирование стало очень дешевым и доступным не только медикам, но и обычным людям, на слуху совсем другие подходы к поиску генетических основ заболеваний. Речь идет о полногеномных поисках ассоциаций или GWAS'ах, про которые мы недавно писали. При таком подходе ученые анализируют огромное количество данных от обычных людей или крупных групп больных и, затем, пытаются найти в этих данных генетические особенности, ассоциированные с теми или иными болезнями. Условно говоря, при этом нужно взять как можно больше больных, например, шизофренией, отгенотипировать их и сравнить со здоровыми людьми. Те генетические особенности, которые будут чаще представлены в популяции больных и будут «ответсвенны» за заболевание, то есть будут с ней ассоциированы.

Проблема этого подхода в том, что он не позволяет увидеть очень редкие мутации, которые просто теряются при масштабном подходе анализа ассоциаций. А порой только такие мутации и могут дать ясное представление о причинах заболевания – и это оказалось справедливо в обоих случаях, и у Харди и у Гоббса. Уловить эти мутации можно только тогда, когда исследователь работает с отдельными семьями, где встречаются и наследуются очень редкие и экстремальные случаи того или иного заболевания. Это и есть подход классической медицинской генетики, которой мы обязаны открытием множества моногенных заболеваний — от гемофилии до серповидноклеточной анемии.

Именно такой подход использовали Харди и Гоббс в своих работах. Харди занимается нейродегенеративными заболеваниями, в число которых входят болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и некоторые другие болезни, сопровождающиеся отмиранием нейронов. К моменту своего главного открытия, то есть к началу 90-х, уже было известно, что болезнь Альцгеймера как-то связана с накоплением в мозге так называемых амилоидов — нерастворимых белковых бляшек, межклеточного «мусора», который организм не успевает вычищать из нервной ткани и из-за которого нейроны гибнут. Было известно, что источником этого является ген APP (amyloid precursor protein), также было известно место на хромосоме, которое ассоциируется с наследованием болезни Альцгеймера. Но поставить знак равенства межу тем и другим генетики не могли, потому что в некоторых случаях этот локус не встречался у больных и встречался у здоровых людей, так что генетики были совершенно запутаны и не знали что искать. Разобраться в причинах заболеваниях удалось именно группе Харди, которая решила обратиться к классическому методу генетического анализа единственной семьи с историей наследственного заболевания и, наконец, обнаружила ту мутацию, которая превращает нормальный APP в его испорченную копию, склонную образовывать амилоиды.

Иной, но похожий подход использовала Гоббс, занимающаяся совсем другим классом заболеваний — болезнями сердечно-сосудистой системы. К тому времени уже было понятно, что риск инфарта, инсульта и других проблем с сосудами тесно связан с концентрацией в крови липопротеинов низкой плотности или, как их чаще называют, «плохого холестерина». В начале двухтысячных, когда Гоббс только начинала, самым модным генетическим методом уже был полногеномный анализ ассоциаций, однако исследователь решила использовать совсем другой подход. Вместе с Джонатаном Коэном (которого жюри Breakthrough Prize почему-то обделило) Гоббс организовала крупное исследование липопротеинов низкой плотности. Исследование включало сбор анализов у нескольких тысяч человек разных рас, но идея исследователей была вовсе не в поиске ассоциаций. Гоббс и Коэн искали уникальные случаи — людей с экстремально низким уровнем ЛПС в крови. Обнаружив нескольких таких пациентов, они отсеквенировали у таких людей гены-кандидаты (найденные другими исследователями) и обнаружили мутации, блокирующие синтез ЛПС. Оказалось, что эти мутации просто выключают некий ген PCSK9, что приводит к драматическому падению уровня «плохого холестерина» в крови. Нет PCSK9 — нет проблемы. Это, конечно, слишком упрощенное изложение истории (подробнее можно прочитать здесь), но в целом оно отражает заслуги Гоббс, которые принесли ей нынешнюю премию.

Если же посмотреть с точки зрения большой фармы, то лучшего нельзя было бы и пожелать — когда целый класс таких опасных (и «денежных») заболеваний зависит от работы одного гена, то выключить его каким-нибудь низкомолекулярным веществом — это просто дело времени и инвестиций. Собственно, так и произошло: работа Гоббс была опубликована в 2005 году, а уже сейчас, десять лет спустя, полным ходом идут клинические исследования блокаторов работы PCSK9.

Санте Паабо: Чем древнее, тем лучше

Сванто Паабо (или Пеэбо, второй вариант правильнее, первый встречается чаще) это тот случай, когда первой реакцией на награждение Breakthrough Prize должна быть «Как, а разве ему еще не дали Нобеля»? В то же время объяснить, в чем именно заключаются заслуги Паабо перед наукой, довольно сложно. Они исчерпываются фразой «он стал первым, кто научился читать древнюю ДНК» — это, конечно, верно, но не слишком впечатляет.

Начать надо с того, что сложность секвенирования обычной ДНК и секвенирования ДНК, выделенной из древних захоронений, отличается примерно как чтение сегодняшней газеты от чтения свитков Геркуланума. Со временем ДНК деградирует, распадаясь на множество мелких фрагментов и теряет «буквы», оставляя голый полифосфатный «остов». Но что еще хуже, она оказывается загрязнена ДНК микроорганизмов, которые живут в почве и прямо на костях. Причем количества этого материала может быть в десятки раз больше, чем, собственно, древней ДНК, которую ученые пытается прочитать. В этом смысле филологам повезло — они с такими проблемами не сталкиваются. Тем более удивительно, что древнюю ДНК все-таки можно прочитать, причем современный рекорд древности (700 тысяч лет — ДНК из костей дикой лошади) всего вдвое ниже теоретического предела.

То, как палеогенетики справляются с этими проблемами, описывать бессмысленно: речь идет об огромном количестве сложнейших методических тонкостей вкупе с приемами последующего анализа прочитанного «текста». Но безусловно то, что автором огромного числа этих тонкостей и вообще основателем палеогенетики является именно Сванте Паабо.

Что же ему удалось сделать? Более всего Паабо известен тем, что его группа смогла прочитать геном неандертальца (хорошо описано здесь). Сначала речь шла только о митохондрильном геноме, затем о полном геноме, а сегодня у ученых имеются геномы нескольких разных неандертальцев. Сравнение этих данных с геномами современных людей показывает, что большинство из нас несут в своем геноме от 2 до 4 процентов неандертальских генетических особенностей (не «неандертальских генов», а именно особенностей, отличий — гены у нас одинаковые). Большинство, но не все — только те люди, предки которых покинули Африку. Внутри Черного континента следов смешивания с неандертальцами нет. Это означает, что около 60 тысяч лет назад где-то на Ближнем Востоке наши предки контактировали и смешивались с неандертальцами. Причем происходило это относительно недолго и закончилось до того, как популяция сапиенсов успела расселиться по Евразии.

Другое важное открытие, сделанное при участии Паабе, еще более наглядно. Речь идет об обнаружении совершенно нового вида человека— денисовцев. Напомню, что это пока уникальный случай в антропологии, когда целый вид описан по столь незначительной находке — одной концевой фаланге мизинца младенца. И тем не менее этого материала оказалось достаточно, чтобы получить геном денисовцев, сравнить его с геномами неандертальцев и сапиенсов, да и вообще узнать много нового о волнах миграции из Африки. Что могли бы сделать с фалангой мизинца антропологи без ДНК? Да ничего — никаких важных особенностей у фаланги нет. Скорее всего про нее просто бы забыли.

Но это далеко не все. Паабе продолжает участвовать во всех важных антропологичеких исследованиях выступая экспертом по генетической части работы. Например, именно его усилиями в прошлом году удалось секвенировать самый древний геном сапиенса (45 тысяч лет) — материал был выделен из кости, которую нашли в 2008 году на берегу Иртыша близ поселка Усть-Ишим. В этом году благодаря секвенированию ДНК, выделенной из молочного зуба, найденного в пещере на севере Италии, удалось пролить свет на происхождение важнейшей для археологов протоориньякской культуры. С каждым годом методы секвенирования древней ДНК становятся все мощнее, а технологии анализа все изощреннее. Так что можно не сомневаться, что все важные антропологические находки, нынешние и будущие, в которых есть хоть немного пригодной для чтения ДНК, будут рано или поздно прочитаны. Ну а мы, соответственно, узнаем очень много нового о своем прошлом и прошлом своих предков.

Александр Ершов