Азбука жизни. Зачем в онкологии нужны ПЦР-тесты и какую информацию о болезни хранит в себе ДНК

Как технологии, связанные с ДНК, изменили нашу жизнь? Мы поговорили об этом с Ильей Валерьевичем Бизиным, научным сотрудником научной лаборатории молекулярной онкологии НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова, кандидатом технических наук, биоинформатиком.

– Илья Валерьевич, в НМИЦ онкологии им. Петрова вы занимаетесь синтезом праймеров для ПЦР-тестов. Что такое праймеры и зачем они нужны в молекулярно-генетических исследованиях?

– Большинство генетических тестов, которые вошли в широкую практику, основаны на принципе полимеразной цепной реакции. В эпоху ковида этот термин – ПЦР – узнали все. Это распространенный, широко используемый метод, который мы используем для того, чтобы из всей огромной последовательности ДНК человека, у которого есть наследственные или соматические мутации в связи с онкологией, выделить определенный интересующий нас участок. Это можно выполнить при помощи химической реакции. Скажем, из трех миллиардов букв ДНК выделяем только триста, и уже с ними работаем. В пробирке мы можем создать такую функцию, которую можно сравнить с поиском текста в компьютере. Сначала с помощью компьютера в базе данных генома человека мы подбираем две маленькие строчки, между которыми должен располагаться искомый текст. С помощью специального аппарата мы выращиваем нужные цепочки ДНК из последовательности букв (нуклеотидов), получаем эти маленькие строчки в виде химического вещества в пробирке, добавляем в неё необходимые реактивы, меняем температуру, и в итоге получаем нужный нам участок генома. Дальше его можно анализировать с помощью разных способов.

– Зачем это делать? Как анализ конкретных участков ДНК помогает в лечении онкозаболеваний?

– Мы можем увидеть мутацию в участках ДНК, ассоциированных с онкозаболеваниями, и понять, вредная она или нет. Мы постоянно ищем такие участки. Отбираем группу пациентов с похожими заболеваниями, достаточно дорогостоящими методами анализируем всю кодирующую последовательность их геномов и смотрим какие-то закономерности, к примеру, что у этой группы встречается с большей вероятностью какой-то генетический вариант. Дальше мы этот вариант будем проверять на расширенной группе больных и здоровых людей. Чтобы это сделать, мы разрабатываем ПЦР-тест, который будет «смотреть» конкретно этот вариант из всего генома, есть он у человека или нет. Если это наследственные раковые синдромы, которые мы ищем, то выделяем ДНК из крови. Также есть тесты на соматические мутации, но здесь уже используется биопсийный материал опухоли, в основном речь идет о выборе терапии, например, таргетных препаратов.

– Считается, что генетический код человека почти полностью расшифрован. Что это значит?

– На сегодняшний день то, что принято называть расшифровкой ДНК – это прочтение буквенной последовательности, но никак не понимание смыслов, которые записаны в ДНК. Мы находимся только в первой половине этого пути познания и понимания. На самом деле это даже не расшифровка в буквальном смысле, а только прочитывание отдельных букв и слов, в отдельных случаях даже без понимания смысла. Мы понимаем только определенные слова – как последовательность ДНК преобразуется в последовательность белка – это и есть генетический код. Только в прошлом году произошел значимый прогресс в предсказании того в какие объемные структуры превращаются эти белковые последовательности. Этому способствовало развитие методов глубокого машинного обучения и искусственных нейронных сетей. Ученым еще предстоит много разбираться с тонкостями регуляторных участков ДНК, чтобы понимать, когда какие гены будут включаться, а когда – выключаться.

– Что дает нам прочтение этой «буквенной последовательности»?

– ДНК представляет собой полимер, который состоит из нуклеотидов – четырех химических веществ: гуанина, цитозина, аденина и тимина. Их можно представить в виде текста из четырех букв, в котором записана информация о строении всего организма, вся наследственная информация. Этот текст, помимо всего прочего, хранит последовательность белков, которые впоследствии организм синтезирует. По изменениям в ДНК мы можем предсказать изменения в белке и, в конечном счете, в организме. Кроме того, существуют еще регуляторные участки и так называемая «мусорная ДНК», функции которых сегодня до конца неизвестны.

– Что имеется в виду, когда говорят, что ДНК способна «сама себя лечить»?

– Не ДНК сама себя лечит, а специальная машинерия клетки. Существуют специальные системы репарации ДНК. Когда ДНК удваивается, то по принципу комплиментарности напротив одного азотистого основания обязательно ставится другое. Это соответствие иногда может нарушаться по разным причинам.

– Каким?

– Львиная доля таких причин – внутренние, химические. Из-за гигантской длины ДНК вероятность ошибки на трех миллиардах букв при копировании достаточно высокая. В результате большая часть мутаций ДНК исправляется специальными белками, специальными «машинками» внутри клетки. Для каждого вида нарушений существует свой фермент, который эти мутации исправляет. Информация об устройстве этих ферментов также закодирована в ДНК.

– Какое внешнее воздействие способно негативно повлиять на структуру ДНК? К примеру, стресс может спровоцировать рак?

– Чтобы в ДНК произошла мутация, нужно мощное воздействие из вне, к примеру радиация или активное химическое соединение. Но все-таки статистически ДНК от внутренних причин повреждается больше. Достоверных хороших исследований на тему связи стресса и мутации ДНК нет. Если, гипотетически, представить механизм связи стресса и рака, то его следует искать на более высоком уровне, например, в изменениях иммунного ответа на клетки, в которых накопленные повреждения уже нельзя исправить. Такие клетки иммунная система должна уничтожать.

– Когда говорят, что человеческая природа не меняется и люди ведут себя одинаково во все времена, значит ли это, что причину надо искать в ДНК?

– В норме ДНК стабильна. От поколения к поколению насчитывается всего несколько сотен мутаций на более чем шесть миллиардов букв. При этом большинство мутаций нейтральны и ни на что не влияют, так как только 1 процент из трех миллиардов букв ДНК находится в генах или регуляторных участках. Поэтому при передаче генетической информации от поколения к поколению ДНК достаточно консервативна. Человеческая природа меняется в основном комбинацией ДНК, от мамы и папы мы получаем ее разные копии, в результате у каждого ребенка разные участки этих двух родительских копий по-своему (случайным образом) скомбинированы и в конечном счете определяют его индивидуальность.

– Известно, что ДНК человека идентична с ДНК брокколи или банана на 50-60 процентов. Но это же не говорит о том, что человек – это банан. В чем здесь подвох?

– Это смотря как считать. Можно сравнивать последовательность генов или всю последовательность ДНК. Различия между более близкими организмами, чем, к примеру, человек и банан, могут быть обусловлены не белок-кодирующей генетической последовательностью, а разницей в регуляторных механизмах. Гены могут быть одинаковыми, но включаться и выключаться по-разному. Большая часть «мусорной ДНК» может быть одинаковой.

– Есть в природе организм, чья ДНК совершенно не похожа на другие?

– Вся ДНК, которую мы знаем на планете Земля, устроена одинаково. Сам язык и набор ДНК у всех живых организмов один и тот же. Исключение разве только составляют некоторые бактерии и вирусы.

– Чем опасны попытки вторжения в структуру ДНК?

– Если говорить о человеческой ДНК, то у нас еще недостаточно машинерии по изменению генома с нужной нам точностью и знаний о конкретных изменениях. А что касается изменений других организмов – растений и животных – то это очень перспективная технология. Все внесенные изменения можно проверить, прежде чем использовать полученный организм. Эти изменения не представляют никакой опасности, потому что методы, которые ранее применялись для создания различных сортов в сельском хозяйстве или животноводстве гораздо сильнее меняли ДНК и гораздо в более непредсказуемых вариантах.

– Популярно мнение, что раз мы едим генномодицифированные продукты, то и сами мутируем, превращаясь в генномодифицированных людей.

– У организмов, полученных современными генно-инженерными методами, нет отличий от любого другого организма, полученного в результате эволюции и селекции. В желудке человека все переварится одинаково – и томат с геном рыбы, и обычная рыба в томатном соусе. С точки зрения пищеварения никакой разницы нет.

– Какая сегодня главная задача по изучению ДНК?

— Самое интересное для ученых – это понять связь генотипа с фенотипом. То есть, как изменение последовательности ДНК будет проявляться в живом организме, чем отличается один индивид от другого на уровне ДНК и как он отличается сам по себе на уровне организма. Сейчас мы можем только сказать о том, что замена некоторой буквы в определенном гене приводит к фатальным последствиям, к генетическому заболеванию. Но мы не можем поменять эту букву на ту, которая присутствует у большинства людей, которые не страдают этим заболеванием или точно предсказать эффект от комбинации нескольких вариантов. Хотя работы в этом направлении ведутся. К примеру, в 2018 году китайский ученый провел очень спорный эксперимент, когда двум девочкам-близнецам еще на стадии ЭКО отредактировали один из генов, чтобы они стали невосприимчивы к вирусу ВИЧ.

Читайте также: Особенности вакцинации онкологических пациентов: рекомендации для детей и взрослых