В свете эволюции

Мы продолжаем подводить итоги прошедшей недавно в Новосибирске юбилейной X мультиконференции по биоинформатике и системной биологии. Наш сегодняшний собеседник – зав. лабораторией эволюционной биоинформатики и теоретической генетики ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», к.б.н. Дмитрий Афонников. А начался разговор с известной цитаты Феодосия Добржанского: «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». Тезис этот не утратил актуальности до сих пор, потому и на конференции, посвященной самым молодым направлениям в биологии, отдельная секция была посвящена эволюционной биоинформатике.

Эволюционная биология в целом изучает закономерности, которые управляют изменчивостью живых организмов во времени. Изучение это проходит на самых разных уровнях, от молекулярного (изменения генных сетей, белков и т.п.) до масштаба целых популяций. А не так давно (по научным меркам) произошла небольшая революция в сфере методов исследований: исследователи смогли получать данные о белковой последовательности генома в масштабах всего организма, причем в достаточно сжатые сроки. Соответственно, возникла необходимость в новых инструментах обработки таких больших объемов данных, что и стало причиной зарождения эволюционной биоинформатики. А возможность сравнивать не отдельные гены, а целые геномы породила еще одну новую и перспективную область научных знаний – сравнительную геномику.

О результатах работы по этим направлениям, которых достигла наша наука, мы и попросили рассказать нашего собеседника.

– Нам приходится решать разные задачи, есть из области исключительно фундаментальной науки. Допустим, анализ ДНК у ископаемых организмов как с целью идентификации, так и для сравнения с современными образцами. Но есть и прикладные исследования, например, изучение влияния мутаций на последовательность генов. Это очень важно для биомедицины. Допустим, нам известно, какие гены отвечают за определенную функцию организма. Мы находим схожие части генома у других организмов, выделяем наиболее консервативные, то есть менее всего подверженные изменениям. Как правило, они же являются наиболее важными для выполнения этой функции. И если у пациента с наследственным заболеванием находится мутация именно в этих генах, то, скорее всего, она и является причиной заболевания. То есть, медикам уже понятно, с чем работать.

– Если говорить о результатах прошедшей конференции, какие Вам показались особенно значимыми?

– На пленарной секции было представлено несколько докладов мирового уровня, я так говорю, потому что результаты исследований, о которых в них говорилось, были опубликованы в Nature. А это как раз уровень передовой мировой науки. В их числе Федор Кондрашов, который представляет одновременно МГУ и Центр геномной регуляции в Барселоне. Он рассказал об одном очень важном и одновременно изящном исследовании мутаций. Объектом стал белок, обеспечивающий зеленое свечение у медуз. Поскольку это свойство организма достаточно легко наблюдать и измерять, то и результаты получились впечатляющие: методом высокопроизводительного секвенирования ученые смогли выделить несколько десятков тысяч возможных мутаций этого белка и оценить их влияние на функции, которые он выполняет. В результате, были получены важные знания как по самим повреждающим мутациям, так и по включающимся механизмам их компенсации. Можно сказать, что теперь наука лучше представляет мутационные процессы, которые происходят в белке, и эти знания можно применять, изучая аналогичные механизмы для других белков, в том числе и в человеческом организме.

Другой интересный доклад по результатам секвенирования генома мамонта был подготовлен группой ученых из Курчатовского центра и представлен на конференции Артемом Недолужко. Им удалось найти гены, которые, возможно, были подвержены адаптивным мутациям. Помимо того, что был полностью расшифрован геном вымершего животного (что само по себе важно для науки), результатом этой работы стало создание платформы, которая позволяет изучать древнюю ДНК. Мы таким образом можем глубже изучать эволюцию и животных, и человека.

Важные результаты показали и представители нашего ИЦиГа. Например, были представлены итоги работы по секвенированию и анализу генома описторха. И некоторые результаты очень интересные. Так, у этого паразита оказался очень нетипичный механизм синтеза матричной РНК, который почти не встречается у высших животных.

Аналогичные механизмы бывают у ряда паразитов, но у них его имеют порядка 10 % генов, а у описторха – практически половина. Это придает его геному особенную пластичность, прежде всего для преодоления иммунной системы организма-хозяина. Кроме того, было показано, что некоторые белки червя-паразита, которые выделяются в организм хозяина, способны быстро накапливать мутации и, тем самым, уходить от ответа его иммунной системы. Такой механизм эволюционного ответа на иммунитет хозяина широко встречается у вирусов, а для червей-паразитов был ранее неизвестен.

– Можно ли говорить, что сегодня наша наука в этих направлениях соответствует уровню мировой или есть определенное отставание?

– По ряду направлений я бы не стал говорить об отставании, мы вполне соответствуем мировому уровню развития. Мы, также, как и зарубежные коллеги, выходим на эволюционную геномику, сравнение не генов, а целых геномов. Таким образом, происходит анализ сложных биологических систем в комплексе, а не по частям. И это очень перспективное направление. Сейчас очень важно интегрировать информацию о структурах белков, функциях генов, изучать эволюционные механизмы в масштабе генных сетей (хотя это никоим образом не отменяет необходимость дальнейшей работы с отдельными белками). Тогда мы выходим на принципиально новый уровень знания о механизмах эволюции, можем изучить те, которые были недоступны науке, пока она работала на уровне отдельных генов. В ближайшее время можно ждать интересных результатов от коллективов, работающих над моделированием эволюционных процессов в сообществах, причем самых разных – от бактериальных до целых экосистем. И наши ученые также ведут работы по всем перечисленным направлениям.

Георгий Батухтин