Россия на генетической карте мира

Последовательность ДНК всех людей идентична на 99,9 % (у близких родственников – и того больше). Так что для достижения первоначальной цели – расшифровать «общий» человеческий геном – нескольких доноров было достаточно. Главное, чтобы они были разного происхождения. Однако ключи к решению амбициозных задач, которые наука ставила себе на будущее, лежали как раз в этой оставшейся 0,1 % генома. В ней закодировано все разнообразие форм и черт, которыми может обладать человек: от цвета кожи и роста до склонности к набору веса и способности переваривать лактозу.

А ВЕДЬ МОЖНО ЕЩЕ смотреть не только на последовательность нуклеотидов. Можно изучать структуру генома в более крупном масштабе – на уровне так называемых гаплоблоков. При образовании половых клеток любого организма две копии родительской ДНК обмениваются фрагментами – происходит рекомбинация хромосом. В противном случае в многодетных семьях все дети были бы только четырех «типов»: столько комбинаций можно получить из четырех «половинок» генома, если одна половинка всегда достается от мамы, а другая – от папы. Случайное перемешивание позволяет «киндеру» оставаться сюрпризом. Фрагменты, которыми обмениваются хромосомы, довольно большие – на них «сидит» много генов. И по неизвестной причине эти фрагменты часто устойчивы: ДНК из поколения в поколение разъединяется в одних и тех же точках. В итоге гены, находящиеся на этом куске ДНК, наследуются вместе. Такие куски ДНК и называются гаплоблоками, а само явление – неравновесным сцеплением генов. Их изучение важно для медицинской генетики. Например, на одной хромосоме могут быть сцеплены гены полидактилии (многопалости) и катаракты. Если отследить и другие варианты такого сцепления в конкретной популяции, можно по наследованию одного признака предсказывать риск возникновения другого. Кроме того, определяя длину и структуру гаплоблоков разных популяций, можно восстановить родословную человечества – какие народы и народности приходятся друг другу родственниками, а какие разошлись тысячи лет назад и встретились вновь только в эпоху глобализации.

ПЕРВЫЕ СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОПЫТКИ выделить не общее, а разное в геномах людей начались в 2005 году. Исследователи проекта HapMap изучали структуру и длину гаплоблоков у жителей Китая, США, Италии, Нигерии и Кении. В 2008 году на смену ему пришел проект 1000 Genome, анализировавший не только структуру генома, но и вариации в последовательности ДНК. Основная работа по нему длилась семь лет, были расшифрованы геномы 2504 человек из разных уголков мира. Правда, разницу между популяциями проект рисовал «крупными мазками»: ученые выделяли отличия, которые встречались с частотой в 1 % и чаще. С 2015 года 1000 Genome функционирует как открытая база данных, куда ученые со всего света могут добавлять информацию. А расшифровка продолжается уже в рамках национальных геномных проектов. Они теперь, как космическая программа, – must have для любого государства, претендующего на звание передового в области науки и техники. 

Британский проект 100 000 Genomes, стартовавший в 2013 году, в ноябре 2018-го отчитался о расшифровке 92 297 геномов граждан Королевства. Эстонский национальный биобанк также планирует собрать 100 000 образцов ДНК жителей страны. К осени 2018 года были собраны и частично проанализированы 52 000 образцов – это примерно 5 % эстонцев. Существуют подобные проекты в Швеции, Финляндии, Франции, Нидерландах, Исландии, Японии, США, Турции, Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии, Австралии, Китае. В 2015 году национальный геномный проект появился в России. «Российские геномы», или Genome Russia Project, курирует Центр геномной биоинформатики СПбГУ им. Ф. Г. Добржанского, а участвуют в нем исследовательские центры со всей страны.

МНОГИЕ НАЦИОНАЛЬНЫЕ геномные проекты нацелены, в первую очередь, на решение проблем медицины. В том числе – создание референсных геномов для конкретных стран и их популяций. Геном усредненного француза, японца или финна гораздо эффективней как инструмент для поиска генных вариантов, связанных с болезнями в этой стране, чем геном «общечеловека». 

Но вместе они еще и составляют общую генетическую карту мира. То, что до 2016 года Россия на ней оставалась белым пятном, – потеря не только для российской медицины. Во всяком случае, так считает знаменитый американский генетик, доктор Стивен О’Брайен (Stephen O’Brien). С 1986 по 2011 год он возглавлял Лабораторию геномного разнообразия в Национальном институте рака в США. В 2011 году приехал в Россию, где под его руководством и был создан Центр геномной биоинформатики СПбГУ им. Ф. Г. Добржанского. 

Стивен О’Брайен:
– У этого проекта большой потенциал сразу в двух областях. В медицинской генетике – потому что мы ищем и находим новые функциональные генетические варианты, которые могут иметь клиническое значение, именно в российских популяциях. И в естественной истории – потому что известные исторические миграции людей проходили в далеком прошлом через территорию России. Это и те, кто вышел из Африки 90 000 лет назад, и предки коренных американцев – примерно 25 000 лет назад. Стоянки неандертальцев и денисовцев [подвид вымерших людей, известный по фрагментам костей и зубов из Денисовой пещеры в Алтайском крае. – Авт.] также обнаружены здесь. Изучение геномов представителей коренных народов России может пролить свет на эти события. 

К КОНЦУ 2018 ГОДА ИССЛЕДОВАТЕЛИ проекта «Российские геномы» собрали в экспедициях 1973 образца ДНК. Предварительно всех жителей России поделили на 32 этнические группы. На самом деле их больше, но на первом этапе ученые выделили самые многочисленные. Важное замечание: этнические группы – это, прежде всего, культурные образования. Это люди, которых объединяют язык (или наречие), постоянное проживание на определенной территории и материальная культура, а не внешние признаки. Ученые не замеряли пропорции черепа или разрез глаз. В основу разделения легли этнографические сведения об исторически сложившихся общностях. Одни только русские поделены на восемь разных групп: Северные русские (Aрхангельская область), Западные русские (Псковская, Новгородская), Южные русские (Ростовская, Воронежская и Белгородская области), Русские Урала и т. д. Единственное требование, которому должны были соответствовать участники исследования, – правило «четырех дедушек и бабушек». Все члены семьи на три поколения «вглубь» должны быть местными, а не приезжими из других областей. 

Алексей Новожилов заведует кафедрой этнографии и антропологии на истфаке СПбГУ. На «нулевом», теоретическом этапе проекта «Российские геномы» он выступал как консультант, а сейчас периодически ездит в экспедиции по сбору образцов. Когда в начале ноября 2018 года мы встретились, Алексей как раз вернулся из поездки в Забайкалье. Там «Российские геномы» обогатились образцами ДНК местных русских и бурят. 

Алексей Новожилов:
– Для нас было важно выделить не столько этносы, сколько группы, которые долгое время проживали изолированно. Поэтому мы старались выбирать районы, где не было больших строек или производств. На стройки всегда идет вербовка, и генофонд размывается. Проблема – таких устойчивых популяций в России почти нет. За Уралом, в Сибири вообще невозможно найти коренных жителей. Такой мощный был приток людей в XX веке. У петербуржцев, если хоть один дедушка петербуржец, ты уже считаешь себя местным. Так и в Сибири: если хоть один дедушка коренной, то ты уже сибиряк. А уж о Дальнем Востоке и говорить нечего. Там и этого не найдешь. 

Пытались найти какие-то казачьи нетронутые станицы. Ничего нет. Индустриализация. 

Где можно найти такие популяции, так это Русский Север. Помните из литературы таких персонажей – пошехонцы? Мы приехали в Пошехонье [местность по берегам реки Шексны (Шехоны) в Ярославской области. – Авт.] и изумились. Там нет ни одного промышленного предприятия. Оттуда народ только уезжал. Поэтому собрать там 60 человек для выборки не составило вообще никакого труда. Планируем экспедицию в Адреаполь в Тверской области. Та же самая ситуация. Все дороги проходят мимо, как мимо Пошехонья. Популяция стабильная.
Правда, еще есть, например, забайкальские старообрядцы. Они в XVII веке ушли на территорию Белоруссии, изолированно жили, ни с кем не смешивались. Потом Екатерина в 1772 году присоединила эту территорию. И часть старообрядцев, кто ей не присягнул, отправили в Сибирь. Они там так и живут. Но они вам кровь не сдадут. Они этнографов-то к себе не пускают. 

Мы можем рассчитывать, что геномы этих групп не менялись кардинально достаточно давно. Следующим этапом может быть исследование современных смешанных групп, это большая часть населения России. Но тогда мы будем понимать, из чего они смешаны.

НЕСМОТРЯ НА ТО ЧТО индустриализация прошлась по населению России, как огромный миксер, исследование геномов современных россиян может ответить на вопросы, над которыми ломает голову не одно поколение этнографов. Один из таких вопросов – происхождение культуры Русского Севера. 

Алексей Новожилов:
— Есть мнение, что Русский Север заселялся из Новгородской республики. То есть одна схема: славяне пришли в Новгород, там смешались с финно-уграми, со скандинавами, и потом эта смесь расселилась на север. Или все-таки освоение Русского Севера – это коллективная история, и разные русские: рязанские, смоленские, московские – принимали в этом участие. Если мы это на генетическом уровне выясним, мы сможем понять: культура Русского Севера – это то, что там и сформировалось, или эта культура пришла с ее носителями из других мест. 

За рубежом такими вопросами уже задавались британцы. Проект People of British Isles, который ведет Оксфордский университет, собрал 2000 образцов ДНК жителей разных частей страны. Отбор шел по тому же принципу – все дедушки и бабушки донора должны были жить в этой местности. Несмотря на небольшую выборку участников, ученым удалось узнать много интересного. Например, что англосаксонские завоеватели в V–XI веках вовсе не вытеснили прежних обитателей островов, а успешно с ними смешались. И что корнуэльцы, валлийцы, ирландцы и шотландцы, которые считались группами кельтского происхождения, имеют друг с другом мало общего. А больше всего на первых британских поселенцев похожи валлийцы – жители Уэльса. Фактически исследователи реконструировали историю расселения и перемешивания народов Британии на 10 000 лет назад – до конца последнего ледникового периода.

ДЛЯ РОССИИ ПОДОБНЫЕ ОТКРЫТИЯ еще впереди. Из 1973 образцов просеквенированы (то есть их последовательность прочитана) только 334. Процесс не скорый. С одной стороны, играет роль то, что по российским законам образцы биоматериала россиян нельзя вывозить за границу. Это делает невозможным дешевое секвенирование в Китае или Европе. А стоимость его внутри страны из-за образовавшейся монополии выше в пять-шесть раз. С другой – прочитать геном только звучит как «прочитать газету». На самом деле процесс технически сложный и проходит в несколько этапов. 

На экране монитора, за которым сидит сотрудник Центра им. Ф. Г. Добржанского, кандидат биологических наук Алексей Комиссаров, бегают строчки кода. Молодой ученый больше похож на программиста, чем на биолога. В каком-то смысле так и есть. В проекте «Российские геномы» Алексей занимается первичным биоинформатическим анализом данных, которые поступают к нему после секвенирования образцов в Биобанке СПбГУ. На входе – «сырые» данные, бесконечные строчки букв (A, T, C, G), обозначающие последовательность нуклеотидов в ДНК конкретного человека. Чтобы избежать ошибок, каждая буква в последовательности ДНК прочитывается 30 раз! В геноме человека содержится примерно 3,1 млрд пар оснований. Если умножим на два и на 30, получим 186 млрд букв. Генетическая «книга» такого объема приходит Алексею в обработку. Избитое сравнение: «Война и мир» – это чуть меньше 3 млн букв. В цифровом виде такой 30-кратный геном занимает 180 Гб памяти. Его биоинформационный анализ длится в среднем неделю. Компьютерные мощности лаборатории позволяют обрабатывать до 12 геномов одновременно. 

Задача Алексея – с помощью компьютерных алгоритмов выявить, чем отличается геном конкретного россиянина от референсного, расшифровку которого завершили в 2003 году. Именно эта разница – предмет дальнейшего изучения его коллег: популяционных и медицинских генетиков.

ЧТОБЫ НАЙТИ ВАРИАНТЫ ГЕНОВ, которые вызывают болезнь или хотя бы повышают риск ее развития, нужно сравнить геномы больных и здоровых. Если у всех больных обнаруживается поломка в одном гене, которой у здоровых нет, можно утверждать, что причина болезни в ней. Такие заболевания и называются моногенными: это, например, фенилкетонурия, гемофилия, некоторые виды дальтонизма. Но подобное в медицинской генетике – редкость. Предрасположенность к диабету, раку или повышенный риск инфаркта – это десятки, если не сотни генетических вариантов, еще и в разных комбинациях. Простым перебором их поиск может занимать десятилетия. Для таких исследований проекты вроде «Российских геномов» – это фундамент, что-то вроде карты с подсказками, на что обратить внимание в первую очередь. Анна Горбунова, старший научный сотрудник Центра им. Ф. Г. Добржанского, совместно с коллегами составляет такую карту для России. 

Анна Горбунова:
– Мы работаем со здоровыми людьми, но их геномы тоже предполагают большую или меньшую склонность к возникновению тех или иных заболеваний. Чтобы ее выявить, мы каждый обнаруженный генетический вариант, то есть отличие от референсного генома, проверяем по базам данных: что известно об этом генетическом варианте, была ли в научных публикациях выявлена его связь с какой-то болезнью в других популяциях. Это специальные базы данных, которые собираются и пополняются учеными всего мира. Результатом нашей работы станет карта частотности генетических вариантов на территории страны. Для России такой карты еще в принципе не существует. 

Результаты проекта могут лечь в основу других исследований. В качестве примера можно привести вилюйский энцефалит. Эта неврологическая болезнь встречается исключительно среди якутов, живущих в определенной местности вдоль реки Вилюйка. Отсюда и название. Человек теряет способность ходить, говорить, лицо приобретает вид маски. Через какое-то время он умирает. Болезнь исследуют с начала века. Искали инфекционный возбудитель – не нашли. Искали факторы образа жизни, расшифровали геном больных – ничего конкретного. Подозревают, что это все вместе – и образ жизни, и наследственность. В одном частотном исследовании обнаружился генетический вариант, который у этой популяции встречается с частотой 1/20. Причем вариант этот описан в научной литературе. Только в остальных популяциях он встречается с частотой 1/10 000. Однако те, у кого он выявлен, имеют схожий фенотип с больными вилюйским энцефалитом. Когнитивные нарушения, нарушения речи. Теперь в рамках другого проекта исследования продолжаются. У больных из Якутии уже прицельно берут образцы в поисках этого генетического варианта.

В БУДУЩЕМ УЧЕНЫЕ ПЛАНИРУЮТ представить результаты своих исследований в виде настоящей карты, где каждый мог бы с любопытством рассмотреть свой город или регион. Но пока на этой карте рисуют только первые цифры – частоты генетических вариантов. Рассказывая о них, Владимир Брюхин, замдиректора Центра им. Ф. Г. Добржанского, трижды повторяет: это предварительные данные, и относиться к ним нужно с осторожностью. Как ученый, он переживает, что чисто статистическая информация «в популяции новгородцев часто встречается генетический вариант X» будет истолкована как «все новгородцы больны» – в духе заголовков желтой прессы. К тому же к исследованиям генома сейчас есть огромный интерес, но они же вызывают у людей опасения насчет конфиденциальности и сохранности информации. Поэтому вокруг «Российских геномов», как вокруг любого геномного проекта, стоят кордоны мер безопасности. Все доноры анонимизируются: на пробирках с образцами крови – только номера-шифры, никаких имен. Данные хранятся в закрытом контуре безопасности университета. На публикацию результатов исследования нужно получить специальное разрешение. 

Владимир Брюхин:
– Мы сравнивали частоты генетических вариантов у псковичей, новгородцев, якутов и ближайших к ним популяций за рубежом. Для псковичей и новгородцев это объединенная популяция европейцев, для якутов – жители Юго-Восточной Азии. 

Например, ген LCT, ответственный за расщепление лактозы. Частота его формы, которая не вызывает проблем с употреблением молочных продуктов, составляет 74 % у европейцев в целом, 59 % – у финнов и 41 % – у объединенной популяции псковичей и новгородцев. И только 4 % – у якутов. 

Также у этих популяций отличалась активность гена SLC45A2, ответственного за пигментацию кожи. У псковичей с новгородцами его активность даже ниже, чем в среднем у европейцев. 

Нашлись существенные расхождения по гену VKORC-T, который участвует в процессе свертывания крови. Его варианты ответственны за чувствительность к распространенному антикоагулянту «Варфарину». Частота активности этого гена: 43 % – у европейцев в целом, 51 – у финнов и 24 % – у объединенной популяции псковичей и новгородцев. И целых 86 % – у якутов, а в среднем 88 % – у представителей Юго-Восточной Азии. Это о чем говорит? Что среди якутов много людей с низкой свертываемостью крови. Это может быть важно для врачей, потому что, если передозировать антикоагулянт пациенту с низкой свертываемостью крови, он может умереть от кровотечения, если наоборот – может случиться тромбоз. 

Есть еще данные о 17 генах, частоты мутаций в которых отличаются даже в соседних популяциях: у псковичей и новгородцев, – но их еще нужно проверять.

ПО СЛОВАМ РУКОВОДИТЕЛЯ Центра им. Ф. Г. Добржанского Стивена О’Брайена, следующей фазой проекта может стать сбор образцов ДНК у людей, страдающих наиболее опасными и распространенными болезнями. В первую очередь, это рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона, диабет, аутоиммунные заболевания. Плюс инфекции: ВИЧ, гепатиты, вирус папилломы человека – уязвимость перед ними может быть связана с генетикой иммунной системы. 

Но самое главное «Российские геномы» делают уже сейчас – закладывают основу для всех дальнейших исследований на территории России. Выделенная из крови ДНК и остатки крови хранятся в замороженном виде в Биобанке СПбГУ. Они могут служить источником ДНК для новых геномных исследований, более подробных или более масштабных. А наша страна и ее жители – древние, современные и будущие – во всем их разнообразии будут все детальнее проступать на генетической карте мира.