От мозга человека до болезней кораллов

Какие проблемы решают биоинформатики в Сколтехе

Пять молодых ученых, научных сотрудников Центра системной биомедицины и биотехнологий Сколтеха, рассказали ТрВ-Наука о своих исследованиях и о том, можно ли сегодня заниматься наукой в России. Вопросы задавала Надежда Маркина.

Как выключить жизнь и запустить обратно

Павел Мазин, мл. науч. сотр., научная группа проф. Филиппа Хайтовича

— Павел, я знаю, что два объекта ваших последних исследований — это мозг и комар. Давайте начнем с мозга.

— ОК, хотя про комара, я думаю, статья получилась интереснее. Что касается мозга, то наша работа не столько про мозг, сколько про альтернативный сплайсинг. Два слова о том, что это такое. Информация о строении белков у эукариот закодирована в гене не непрерывно, а кусочками, экзонами; участки между ними — интроны — при копировании в РНК должны быть вырезаны. Этот процесс называется сплайсингом, и он может происходить по-разному — некоторые экзоны иногда пропускаются. Это и есть альтернативный сплайсинг.

— Это тот механизм, который позволяет одному гену кодировать несколько белков?

— Один из механизмов. Когда стали сравнивать сплайсинг у разных видов, выяснилось, что в мозге и печени человека он более сходен, чем в мозге человека и шимпанзе, хотя мозг и печень физиологически не имеют ничего общего. Это означает, что сплайсинг очень быстро эволюционирует, если даже между близкими видами он сильно различается. Но раз он не консервативен, значит, не несет большой смысловой нагрузки? Мы сравнили сплайсинг в коре больших полушарий у человека, шимпанзе и макаки от рождения и в разном возрасте. Конечно, надеялись увидеть какие-то специфические особенности человека, но оказалось, что изменения сплайсинга с возрастом у трех видов происходят примерно одинаково. И получается, что, несмотря на быструю в целом эволюцию сплайсинга, регулируемый альтернативный сплайсинг эволюционирует медленно.

— А что интересного вам рассказал комар?

— В этой работе получился совершенно неожиданный результат. Наш объект — это африканский комар, его личинка живет в лужах, которые пересыхают. Комар полностью высыхает, впадая в состояние, называемое «ангидробиоз» — буквально «жизнь без воды». А потом его можно размочить, и он совершенно нормально живет дальше. Выходит, можно в нем «выключить» жизнь и запустить обратно. Наши японские коллеги прочитали геном комара и нашли гены, которые начинают работать при высыхании. Анализируя эти данные, я искал ответ на вопрос, как активируются эти гены. И обнаружил, что у многих из них перед началом гена есть один и тот же мотив из семи нуклеотидов. Такой четкий сигнал — большая удача. Полагая, что это сайт связывания транскрипционного регулятора, мы стали искать этот регулятор, и мы его нашли! Им оказался регулятор теплового стресса. Это хорошо изученная и очень консервативная система. Но комар ее взял и приспособил для другой цели — при высыхании происходит не только тепловой стресс, но и много всего другого. Под регуляцию этого фактора попали сотни разных генов — это отличный пример пластичности регуляторных систем.

— Может ли из этого открытия появиться какой-то практический выход?

— Ну, выход на практику здесь как раз понятен. Было бы очень интересно научиться хранить «на полке», без заморозки, клеточные линии, ну а в перспективе — целые органы, хотя до этого, конечно, еще далеко.

— Павел, расскажите про вашу научную биографию.

— Я закончил ФББ МГУ, аспирантуру в МГУ, работал под руководством Михаила Гельфанда. С данными, полученными в группе Филиппа Хайтовича по альтернативному сплайсингу, я работал в Китае. А когда Филипп решил вернуться в Россию, он позвал меня в создаваемую лабораторию в Сколтехе, которая занимается исследованиями мозга. Сейчас мы немного сменили фокус работы на изучение липидного состава мозга. Для этого нужны масс-спектрометры, и они у нас есть.

— Работая здесь, ощущаете ли вы вовлеченность в мировое научное сообщество? Не думали уехать из России?

— Ну, только если для приобретения нового опыта, чтобы не работать всё время на одном месте. Но сейчас меня всё устраивает. А что касается вовлеченности, то это не зависит от места работы, для этого достаточно читать, публиковаться и ездить на конференции.

«Непонятный белок мы раскрутили в глобальный регулятор»

Мария Тутукина, науч. сотр., научная группа проф. Михаила Гельфанда

— Мария, расскажите про ваши исследования в Сколтехе.

— Мы исследуем различные аспекты регуляции метаболизма бактерий, чтобы понять, как можно направленно модифицировать человеческий микробиом. Причем с помощью не антибиотиков, которые убивают как вредные, так и полезные бактерии, и не генной модификации, а определенных добавок. Хотим найти такие вещества, которые правильные бактерии будут с удовольствием есть и колонизовать кишечник и при этом не давать жить вредным бактериям. Это могут быть какие-то сахара или другие источники питания. Но для того, чтобы выбрать агент, нужно сначала понять, как бактерии утилизируют разные субстраты.

Одна из наших последних статей — о том, что у кишечной палочки одна и та же кассета генов может обеспечивать утилизацию сразу двух сахаров — лактозы и сульфоглюкозы. Сульфоглюкоза — очень экзотический сахар, у человека его нет, он встречается только у растений. Зачем кишечной палочке есть сульфоглюкозу, непонятно. Мы проанализировали кассету генов метаболизма сульфоглюкозы методами сравнительной геномики, и оказалось, что она очень похожа на кассету генов метаболизма лактозы. Потом это было подтверждено экспериментально. Отсюда следует вывод: кассета генов может быть многофункциональна, в зависимости от субстрата в питательной смеси переключаться на один или другой путь метаболизма. И, возможно, давая бактерии определенную добавку, мы можем этот путь задавать. В этой работе, которая делалась под руководством проф. Михаила Гельфанда, участвовали также школьники, теперь уже студенты. Они с помощью пипеток и пробирок помогали экспериментально проверять наши гипотезы: сами подбирали праймеры для изучения экспрессии генов, сами выделяли РНК.

— А как вы привлекали к работе школьников?

— Они занимались этой работой в рамках Школы молекулярной и теоретической биологии (molbioschool.com). Мы ее уже шесть лет делаем для старшеклассников, которые хотят попробовать себя в науке. Из Школы выросла и еще одна работа — про белок-регулятор, про который было известно только то, что он каким-то образом участвует в регуляции генов метаболизма сахаров. Но мы выяснили, что он влияет не только на метаболизм сахаров, но и на способности клеток кишечной палочки к подвижности, образованию колоний и формированию биопленок. И если мы будем направленно действовать на него, то сможем повлиять на способность бактерий прикрепляться к стенкам кишечника. Сейчас это большой проект, который мы делаем совместно с лабораторией Фёдора Кондрашова в IST Austria. Оказалось, что есть три формы этого белка, кодируемые одним геном, — они связываются с разными участками ДНК. Одна форма — с участками, которые регулируют метаболизм сахаров (а он важен для колонизации бактериями организма хозяина), другая — с участками, кодирующими ферменты и транспортеры метаболизма железа (это первое, что меняется при заражении). Сейчас мы пытаемся понять, как направленно модифицировать действие этого белка и таким образом менять что-то в микробиоме. Так маленький непонятный белок мы раскрутили в глобальный регулятор.

— Экспериментальной работой вы занимаетесь на базе Сколтеха?

— В сотрудничестве с Институтом биофизики клетки РАН. Но сейчас мы активно развиваем здесь экспериментальную базу. Очень хорошо, что у нас появился секвенатор одного из последних поколений Illumina, и теперь с помощью Марии Логачёвой мы можем быстро и хорошо отсеквенировать то, что нам нужно. Кроме того, мы уже больше восьми лет дружим с Бирмингемским университетом (Англия), в котором есть возможности работы с патогенными штаммами и подбора оптимальных лигандов направленного действия.

— Мария, какова ваша научная биография, которая привела вас в Сколтех?

— Я заканчивала биофак и химфак Воронежского университета, аспирантуру в Пущино, в Институте биофизики клетки.

— Была у вас возможность уехать из России?

— Да, она у меня и сейчас есть. Когда я заканчивала аспирантуру, было ощущение, что всё плохо, что науки в России нет. Но теперь, поработав в разных местах, я могу сказать, что и по креативности ученых, и по организации науки, и по атмосфере в хороших российских лабораториях не сильно хуже, чем во многих европейских странах.

— Ну, вероятно, Сколтех — это такой оазис, где можно молодым ученым работать в России, потому что их работа оплачивается на другом уровне, чем в институтах РАН?

— Конечно, работа с достойной зарплатой дает возможность думать о науке, а не о том, как выжить. Хотя деньги — это не главное.

«Мы ищем лаборатории и клиники, которые хотели бы с нами сотрудничать»

Елена Набиева, науч. сотр., научная группа проф. Георгия Базыкина

— Елена, ваше исследование связано с медицинской проблематикой?

— Да, мы занимаемся исследованием спонтанного прерывания беременности у человека в тех случаях, которые не могут быть объяснены известными причинами. К известным причинам относятся, например, хромосомные аномалии. Некоторые трисомии (лишние хромосомы в кариотипе) совместимы с жизнью, такие как синдром Дауна, но бóльшая часть несовместима, так что значительная часть случаев прерывания беременности объясняется хромосомными аномалиями. Но нас интересуют другие генетические причины, возможно, какие-то точечные мутации, которые привели к потере беременности. Это могут быть неблагоприятные мутации, которые в рецессивном состоянии были у обоих родителей, но если они объединяются в геноме ребенка, такое сочетание может быть несовместимо с жизнью. Могут быть и более хитрые вещи, например, не мутации в каком-то одном гене, а просто слишком много вредных мутаций, или же у плода возникают новые мутации, которых не было у родителей.

— Вам уже удалось что-то понять?

— Этот проект находится на начальной стадии. Сейчас наша главная задача — собрать достаточное количество образцов. Мы сотрудничаем с лабораториями, которые занимаются анализом таких тканей, полученных из клиник. Работаем с теми случаями, где нет хромосомных аномалий и их нельзя объяснить методами, которые применяются в широкой практике. Мы эти образцы секвенируем, этим занимается наша коллега Мария Логачёва, причем нас интересует экзом — часть ДНК, кодирующая белки. При этом нам нужно секвенировать ДНК не только неродившихся детей, но и их родителей. Мы набрали некоторое количество таких «троек», и часть материала уже на стадии биоинформатического анализа, но нам нужно больше образцов.

— Есть ли подобные исследования в мире по такой жизненно важной проблеме?

— Насколько я знаю, подобных исследований в мире очень мало, а точно таких, как наше, не делалось вовсе. Были экзомные исследования, в которых имелась явная аномалия плода по УЗИ. Но если есть видимая патология, это сужает круг гипотез и список генов, которые надо изучить. Если же нет такой информации, то надо искать более широко. Так что наша задача более сложная.

— Вы исходно биоинформатик? Как вы оказались в Сколтехе?

— Я заканчивала Принстонский университет по специальности computer science, это даже не совсем биоинформатика, там больше алгоритмики. Я знакома с Георгием Базыкиным еще с аспирантуры, потом работала с ним в МГУ, и он пригласил меня в этот проект.

Надо сказать, что мы сейчас активно ищем лаборатории и клиники, которые хотели бы с нами сотрудничать. На сегодня мы работаем с тремя лабораториями, но хотели бы расширить их список.

О том, что бесполое размножение не всегда ведет к вымиранию

Ольга Вахрушева, мл. науч. сотр., научная группа проф. Георгия Базыкина

— Ольга, я знаю только то, что предмет вашего исследования — коловратки. Что это за звери?

— Я занимаюсь несколькими проектами, но давайте расскажу про бделлоидных коловраток. Это название подкласса (Bdelloidea), а вообще коловратки — это тип многоклеточных животных. Интересны бделлоидные коловратки в первую очередь тем, что, как считалось долгие годы, это одна из немногих древних групп видов, которые полностью отказались от полового размножения. Это важно в свете дискуссий о том, зачем вообще нужно половое размножение и почему оно получило такое широкое распространение среди эукариот. Одна из распространенных гипотез говорит о том, что оно позволяет более эффективно удалять из популяции вредные мутации. В доказательство этой гипотезы приводят тот факт, что группы бесполых организмов чаще всего сидят на концах веточек филогенетических деревьев и включают небольшое число видов. По-видимому, это означает, что переход к бесполому размножению приводит к быстрому вымиранию группы, и за то недолгое время, что эта бесполая группа существует, в ней не успевает возникнуть большое число видов. Но есть и контрпримеры, и один из самых ярких — бделлоидные коловратки. Считается, что они отказались от полового размножения несколько десятков миллионов лет назад, и за это время внутри этой группы появилось очень много видов. Никто не понимает, почему в этом случае переход к бесполому размножению не привел к вымиранию. Если бы было подтверждено, что бделлоидные коловратки размножаются исключительно бесполым путем, это был бы серьезный контраргумент против необходимости полового размножения для долгосрочного успеха вида.

— Где они живут?

— Это микроскопические беспозвоночные, которые живут в воде, во мху или в почве, где много воды. Ученые просмотрели несколько сотен тысяч особей бделлоидных коловраток и среди них не увидели ни одного самца — только самок. И никто у них никогда не наблюдал мейоза (это деление клетки, приводящее к образованию половых клеток). Несколько лет назад мы в составе большого международного консорциума секвенировали первый геном бделлоидной коловратки. Анализ показал, что классического мейоза у них точно не может происходить, так как у них отсутствуют парные хромосомы. Большинство генов, как и у нас, представлены в виде двух копий, но эти копии разбросаны по геному в мозаичном порядке.

— То есть это самки, размножающиеся, можно сказать, клонированием?

— В каком-то смысле, да. Но то, что у них нет классического полового размножения, не исключает вероятности того, что может существовать какой-то другой способ обмена генетическим материалом. Мы секвенировали геномы 11 коловраток, собранных в Московской области, чтобы изучить, как у них устроена генетическая изменчивость. Если у коловраток нет рекомбинации и обмена генетическим материалом, то, например, если мутация А произошла в контексте мутаций В и С, эти мутации и дальше будут оставаться сцепленными. А если рекомбинация происходит, то это сцепление будет разрываться, причем тем чаще, чем больше физическое расстояние между мутациями. И мы увидели именно такую картину — это сцепление разрывается. Значит, какие-то формы обмена генетическим материалом у коловраток происходят, хотя это и не классический мейоз. Возможно, именно поэтому им удалось так долго и успешно эволюционировать.

— А вашими методами можно узнать, что все-таки у них происходит?

— Это довольно сложно. Можно на основе того, как зависит скорость расцепления мутаций от расстояния между ними, попытаться понять, какой механизм лежит в основе этого.

— Ваш проект относится к чисто фундаментальной науке. Вы в Сколтехе имеете возможность заниматься такими исследованиями, которые пока не имеют никакой инновационной перспективы?

— Да, получается, что так.

«Самые интересные люди, которые занимаются биоинформатикой в России, собрались здесь»

Софья Гарушянц, мл. науч. сотр., научная группа сравнительной геномики проф. Михаила Гельфанда

— Софья, давайте поговорим про ваше исследование с кораллами.

— В последние годы в результате глобального потепления в мире большое количество кораллов оказалось поражено различными болезнями. Популяции просто трагически сокращаются, в случае Большого барьерного рифа — как минимум на 30–40%. Остаются только скелеты, а сами колонии вымирают. К нам в лабораторию пришли зоологи с кафедры зоологии беспозвоночных МГУ и принесли образцы больных и здоровых тканей кораллов. Мы своими методами пытаемся понять, какие именно организмы вызывают болезни, — сравниваем образец больной и здоровой ткани и смотрим, как они отличаются по бактериальному составу.

— Вы секвенируете геном коралла и бактерий?

— Мы используем подход, который называется метагеномика. Тотально секвенируем участки рибосомальной РНК, причем такие участки, которые есть у бактерий и которых нет у кораллов. Тем самым мы получаем набор всех бактерий, который есть в образце.

Этому проекту предшествовала другая работа. Мы проверяли гипотезу, что изменение внешнего вида кораллов (их разрастание) связано с маленькими рачками — копеподами, которые живут внутри колонии. Эти рачки выделяют какие-то вещества, и в результате на коралле образуется что-то типа галлов, как на растениях, а рачки питаются этими разрастающимися тканями. Мы проверяли, связаны ли эти разрастания с изменением бактериального состава. Была идея, что рачки переносят на кораллы какие-то бактерии, вызывающие болезни. Такая связь обнаружена, но не слишком очевидная.

— А про другие ваши работы расскажете?

— В наших бактериальных исследованиях объекты могут быть самыми разными. В конце прошлого года вышла статья, при написании которой мы сотрудничали с медицинскими микробиологами. В работе исследовались причины болезни Крона — это целая группа заболеваний, приводящих к воспалению кишечника. Часть из наблюдаемых случаев явно наследуемые, а часть спонтанные. Появилась гипотеза, что эта болезнь может быть связана с изменением состава микробиоты кишечника. У здорового человека в кишечнике порядка 300 видов бактерий, а при болезни Крона большую часть микробиома составляют кишечные палочки. Мы секвенировали геномы кишечных палочек, выделенных у пациентов, чтобы понять, какие особенности геномов могут быть связаны с их накоплением. И нашли, что в большинстве штаммов присутствуют специальные плазмиды, которые, видимо, и обеспечивают захват кишечника при болезни Крона.

— Софья, вы исходно биоинформатик? И что привело вас в Сколтех?

— Я училась на ФББ МГУ, но много лет работала в экспериментальной молекулярной биологии на кафедре вирусологии. А биоинформатикой занималась у Михаила Гельфанда в Институте проблем передачи информации (ИППИ РАН), и в Сколтех он позвал меня и еще нескольких сотрудников.

— Работа в Сколтехе дает возможность заниматься наукой в России?

— Очевидно, да. Хотя есть разные модели. В академическом институте тебе платят мало, зато у тебя фактически постоянная позиция. А здесь контракты ограничены по времени, но при этом зарплата сильно выше. Хотя при этом труднее получать гранты. Ну а еще мне нравится наш центр, потому что здесь очень сильный состав профессоров и заниматься биоинформатикой очень интересно. Мне кажется, что самые интересные люди, которые занимаются биоинформатикой в России, сейчас собрались здесь.

Вопросы задавала Надежда Маркина
Фото В. Шустикова и А. Поповича

Магистерская программа «Биотехнология» Сколтеха

Двухгодичный образовательный курс, включающий в себя как курсы по молекулярной и клеточной биологии, так и биоинформатические курсы и курсы по математическому моделированию в биологии. Изучая классические и современные подходы, студенты проводят исследования в области биомедицины и биотехнологии с использованием методов биоинформатики и компьютерной биологии. На программу «Биотехнология» приглашаются не только бакалавры по биологии и химии, но и физики, специалисты в области IT и анализа данных, выпускники медицинских и сельскохозяйственных вузов. Студенты-биотехи сотрудничают с различными биотехнологическими компаниями. Понимание того, как работает биомедицинский бизнес, помогает не только выбрать более успешный карьерный путь, но и стать более эффективным исследователем.

Программа аспирантуры Сколтеха по специальности «Науки о жизни» 

Программа рассчитана на четыре года. Аспиранты ведут исследования под руководством профессоров Сколтеха из Центра трансляционной биомедицины и Центра системной биомедицины и биотехнологии и могут защищаться по специальностям «молекулярная биология», «биотехнология» и «биоинформатика». Аспиранты имеют возможность посещать лекции ведущих профессоров Сколтеха, выбирая курсы, наиболее актуальные для их научной работы. Кроме курсов по специальности обязательными являются курсы по истории и методологии науки, предпринимательству и педагогике. Каждый аспирант обучается по индивидуальному плану, составляемому совместно с научным руководителем и утверждаемому индивидуальным комитетом, состоящим из известных ученых как из Сколтеха, так и из других российских и зарубежных университетов.

Больше о поступлении:

msc.skoltech.ru/biotekhnologiya