Наша справка. Леонард Липович родился в СССР, в г. Ленинграде, в 1976 году, там учился в школе № 160, пока в 1989 году вместе с родителями не эмигрировал в США. Образование завершал уже в Америке – сначала в одной из лучших школ Нью-Йорка, затем – в Корнеллском университете (Cornell University), входящем в Лигу Плюща. Получив степень бакалавра, переехал в Сиэтл, где защитил докторскую степень в университете штата Вашингтон, работая в лаборатории профессора Мэри-Клер Кинг, открывшей первый ген, связанный с возникновением рака молочной железы. С того времени эта тема входит в круг научных интересов Леонарда Липовича. Следующим этапом его карьеры стала четырехлетняя постдокторская стажировка в Сингапуре, посвященная изучению больших некодирующих РНК в стволовых клетках человека. В 2007 году, по возвращению в США, начал работу в Государственном университете Уэйн, сначала на должности младшего профессора, а в настоящее время – в ранге доцента.

– Господин Липович, дайте, пожалуйста, Ваше определение термина «постгеномная медицина».

– Начнём с упрощённого определения прегеномной медицины – это когда, скорее всего, почти ничего не зная об особенностях ДНК пациента и его генетике, мы всем чуть ли не вслепую прописываем одни и те же лекарства - в зависимости только от клинических особенностей болезни - и надеемся, что какому-то проценту пациентов они помогут. Постгеномная медицина началась, когда появилась возможность, во-первых, дёшево и быстро секвенировать геном пациента и, исходя из его уникальных генетических особенностей, в некоторых случаях сразу понять: какие-то лекарства ему помогут, а какие-то применять не стоит. Опираясь на генетические особенности, можно также давать человеку осмысленные индивидуальные профилактические рекомендации по коррекции образа жизни, вырабатывать персональную стратегию сохранения его здоровья.

В дальнейшем же открывается ещё более захватывающая и важная перспектива: разработка персонализированных молекулярных медикаментов, которые уникально и терапевтически взаимодействуют с (например) болезнетворной РНК или белком в клетках пациентов, не затрагивая функцию "здоровых" макромолекул.

А второй аспект – сейчас мы научились не только «читать» геном, но и – потенциально – редактировать его, что открывает принципиально новые возможности.

– Насколько я понимаю, к идее редактирования генома человека многие относятся настороженно.

– Я скажу больше, существует международный мораторий на конкретные типы таких манипуляций, в частности в зародышевых клетках, поддержанный большинством стран мира. Сразу скажу: редактирование генома не входит в мою область работы, и в моей лаборатории эта технология не употребляется, поэтому могу только коротко прокомментировать. Но на лечение некоторых генетических дефектов в соматических клетках мораторий не распространяется, и там главное сейчас – понять, как процедура редактирования может повлиять на другие гены, а не на тот, который является мишенью. И только когда угроза возможных побочных эфектов будет достоверно снята, можно ожидать и введения этой технологии в клиническую практику.

– В своем докладе Вы подчеркнули, что сейчас надо сосредоточить внимание не только на ДНК, но и на РНК. Для чего это нужно?

– Начиная с середины прошлого века долгое время считалось, что главное в клетках – это ДНК (как носитель нашей наследственности) и белки, из которых фактически и состоит клетка. РНК же отводилась роль служебного звена в цепи синтеза белка – всего-навсего промежуточного носителя информации на пути от ДНК к рибосомам, и не более. Это так называемая «Центральная догма молекулярной биологии».

Но после завершения секвенирования генома человека, в начале нашего века, ученые поняли, что результаты не подтвердили «догму»: в клетке содержится очень много РНК и большая ее часть не задействована в синтезе какого-то белка. Эти РНК просто существуют. Но, очевидно, что всё это не может быть обычным клеточным мусором, а микро-РНК и другие короткие некодирующие РНК являются относительно малой частью транскриптома, значит, у хоть какой-то части остальных, "больших некодирующих" РНК могут быть свои функции. Начался поиск этих функций, я участвовал в этом процессе в период моей стажировки в Сингапуре. Мы поняли, что отдельные некодирующие РНК решают в клетке задачи, которые никак не связаны с рибосомами и синтезом белка. Зато функционирование некоторых из них связано с сохранением особенностей стволовых клеток, а также с такими болезнями, как рак и диабет. Обнаружение этой связи стало нашим вкладом в изучение роли РНК. И, собственно, является одной из причин, по которой они заслуживают более пристального внимания.

– И что именно Вам и Вашим коллегам удалось выяснить?

– Во-первых, мы обнаружили, что многие большие некодирующие РНК человека примато-специфичны. Они есть у человека, у обезьян и способны вызывать у нас болезни. Но у других организмов (не относящихся к приматам) этих конкретных РНК нет. Зато есть, у мышей например, совершенно иные РНК, без эволюционных эквивалентов за пределами грызунов.

– Получается, что их нельзя изучать на традиционных лабораторных животных?

– Мы изучаем их на культурах человеческих клеток. Одни культуры используются для определения роли онкогенных и антиопухолевых РНК в раке молочной железы, другие – первичные клетки печени, гепатоциты – для исследования связи между такими РНК и развитием диабета. Мы можем подавлять или, наоборот, активировать отдельные гены и наблюдать за клеточными фенотипами. А потом думать, как эти клеточные фенотипы взаимодействуют с фенотипами всего организма.

– То есть, когда мы говорим о генетических корнях того или иного заболевания, неправильно сосредотачиваться только на ДНК?

– Именно так. Конечно, ДНК анализировать необходимо, но главная загвоздка здесь вот в чем – нужно правильно интерпретировать результаты этого анализа. Многие годы многие мои коллеги шли по такому пути: сравнивали ДНК больных людей и здоровых, обращали внимание на какой-то полиморфизм, который чаще присутствует у одной группы и реже у второй. Затем просто искали ближайший белковый ген, правда, он мог находится очень далеко от исходного полиморфизма, на расстоянии десятков, а то и сотен тысяч нуклеотидов в цепочке ДНК. И, несмотря на это, они брали его за главный объект, рассматривали его как возможную причину предрасположенности к заболеванию. Мы отрицаем такой подход к анализу полиморфизмов за пределами белковых генов и пользуемся ручной аннотацией данных от консорциумов ENCODE и FANTOM, в которых мы непосредственно участвовали. И на основе этих данных выявили, что некоторые эти полиморфизмы находятся внутри генов больших некодирующих РНК, а другие – в междугенных регуляторных элементах вблизи таких генов. И сейчас мы анализируем роль, которую играют эти гены. В частности, мы выяснили, что в клетке иногда рибосомы делают ошибки, и по открытым рамкам считывания этих больших РНК синтезируются короткие пептиды. Теперь мы хотим понять, что эти пептиды делают в клетке, может быть, они как-то связаны с патогенезом рака или с автоиммунными ответами и т.д. Поэтому мы планируем, чисто в качестве эксперимента (поясняю, это не клинические планы работы), с помощью технологии CRISPR-Cas устранить эти ошибки, то есть сами РНК останутся, но синтез таких пептидов по ним станет невозможным. Тогда мы сможем сравнить фенотип клеток с этими пептидами и без них.

– В области Ваших научных интересов уже есть какие-то прикладные подходы или пока это фундаментальная наука в чистом виде?

– Несомненно, есть, и я кратко описал их в своем докладе. Например, искусственные короткие РНК могут являться терапевтическими агентами, если знать, транскрипт какого гена нужно подавлять. Для этого они вводятся с помощью инъекции в организм, поступают в итоге в печень пациента и там подавляют свои мишени. Это было на практике доказано несколько лет назад датской компанией Santaris. Они поняли, что инфицирование человека вирусом гепатита С возможно потому, что геномная РНК вируса взаимодействует с одной конкретной клеточной микроРНК печени человека. Причем, эта микроРНК не имеет критического значения для жизни человека, в печени есть ее аналоги.

Идея датских ученых заключалась в том, чтобы подавить ее активность и тогда вирусу будет не с чем связываться, не будет его репродукции. Клинические испытания прошли удачно, но затем акции этой компании выкупила другая структура, и очевидно, приостановила эти исследования, а тем временем на рынке появились новые антивирусные лекарства (но не на основе РНК) против гепатита С, эффективные, хотя и дорогостоящие.

Мы же сейчас развиваем и в будущем с клиническими или индустриальными партнёрами хотим применить аналогичный метод в лечении диабета. Нами найдена и уже функционально подтверждена, на основе экспериментов на гепатоцитах, длинная некодирующая РНК, ген-кандидат, который активен только в клетках печени. И мы тоже хотим подавить его с помощью комплементарной искусственной короткой РНК, чтобы вылечить тех людей, у которых есть полиморфизм этой РНК, ассоциированный с данной болезнью. Работа эта продолжается и вскоре результаты первого этапа ее будут опубликованы, тогда о них можно будет говорить подробнее.

– Если говорить не о Вашей группе, а в целом о данном направлении, какие важнейшие задачи сейчас стоят перед мировой наукой?

– В области изучения некодирующих РНК человека и млекопитающих вообще сегодня есть две большие задачи. Первая – разрешить окончательно вопрос о том, участвуют все-таки в процессе кодирования белков все РНК или только часть из них. До сих пор существуют разные точки зрения по этому поводу. Я думаю, разрешить сомнения можно будет – помимо рассмотрения сцепления рибосом с некодирующими РНК, – используя метод прямого масс-спектрометрического анализа, о котором, кстати, много говорилось на этой конференции. Только поняв истинную роль всех РНК, мы сможем двигаться дальше. Второй важный момент. Мы были одной из первых групп, которые доказали, что большинство этих некодирующих РНК примато-специфичны. И для меня это не только научный, но даже философский вопрос: делают ли эти РНК приматов приматами, а человека – человеком. Мы часто изучаем сходство разных видов. Но являются ли такие РНК – новшество в эволюции – прямой причиной различия этих видов?

– По Вашему мнению, исходя из того, как развивается научный процесс, можно ожидать какой-то революции в медицине в ближайшее десятилетие?

– Когда геном человека был опубликован впервые в "черновом" варианте весной 2001 года, я был студентом и как раз выступал с обзорным докладом о нашумевших статьях в Science и Nature на эту тему; помню, обещали, что уже лет через пять постгеномная медицина станет реальностью. Прошло уже семнадцать лет и что мы видим? Кроме чисто диагностического и профилактического прогресса и отдельных, пока что ещё очень редких и дорогостоящих прецедентов, помогающих пока что ничтожно малому количеству пациентов в некоторых конкретных и редких группах, никакого широкого применения постгеномной медицины сейчас и в ближайшие годы я не вижу, врачи так же назначают лечение «вслепую», западные страховые компании не то что за постгеномную медицину, даже за секвенирование генома пациента часто не хотят платить. И чем глубже ученые погружаются в анализ секвенированных геномов, тем больше новых вопросов перед нами встает. Надо признать, мы еще плохо понимаем, как использовать геномные данные для лечения болезней. Мы слишком просто интерпретируем геном, упрощаем очень сложную информацию, например упускаем из виду большие некодирующие РНК и их роль в процессах возникновения болезней. Но я оптимист, верю, что мы поймем эти сложные процессы и тогда потенциал постгеномной медицины будет реализован. Просто произойдет это не так быстро, как хотелось бы.

Оригинал

Об этом этапе рассказала сотрудник лаборатории компьютерной протеомики Института цитологии и генетики Олька Сайк. А точнее – про поиск потенциальных генов-мишеней, перспективных для разработки новых лекарств с помощью анализа генных сетей.

В настоящее время медицине известно более 10 тысяч различных заболеваний и синдромов, от которых может страдать человек. В Госреестре зарегистрировано почти 40 тысяч лекарственных препаратов. И, тем не менее, для многих заболеваний существует только симптоматическое лечение (не устраняющее саму болезнь, а лишь ослабляющее ее воздействие), а уровень смертности населения остается высоким.

Не упрощают жизнь медикам и другие факторы: с годами многие бактерии и вирусы становятся устойчивыми к существующим лекарствам, сильнодействующие препараты имеют неприятные побочные свойства, а одновременный прием разных лекарств (при одновременном лечении разных болезней) может вести к новым осложнениям.

В этой ситуации требуются новые лекарства, более эффективные и в то же время безопасные, а еще лучше – персонализированные, учитывающие генетические особенности пациента. Ключевым этапом при их создании является правильный выбор фармакологической мишени, выбор белка, на который необходимо оказать химическое воздействие для предотвращения развития заболевания.

Сделать этот поиск более быстрым, эффективным и менее затратным позволяют методы биоинформатики, опирающиеся на анализ генных сетей.

– В начале прошлого века генетика исходила из парадигмы, что один ген определяет один фенотипический признак, - напомнила Ольга Сайк. – Но позднее ученые пришли к выводу, что отдельный признак обеспечивается функционированием группы взаимодействующих генов. К примеру, цвет глаз определяется группой из 5-10 генов. Так и возникла концепция генных сетей, каждая из которых определяет тот или иной признак организма. А сам ген при этом может быть включен в разные сети.

Анализ генных сетей, в частности, позволяет понять, каким образом воздействие вируса или мутации самого гена может приводить к развитию определенного заболевания. В качестве примера Ольга Сайк привела модель воздействия вируса гепатита С, ведущего к развитию цирроза печени. Известно, что белок вируса р56 может специфически активировать белок TLR4 в клетках печени человека. Также известно, что у людей, болеющих циррозом, уровень данного белка в печени значительно повышен. Далее, выстроив модель генной сети, в которой задействован пораженный вирусом ген, можно выделить гены-мишени, воздействие на которые позволит нейтрализовать негативный фактор.

Один из подходов предполагает выделение внутри сети отдельных кластеров, ответственных за те или иные процессы, затем выбирают те из них, что наиболее вовлечены в процесс развития заболевания (апоптоз клеток или наоборот – иммунный ответ и т.п.), после чего работают, в первую очередь, с ними. Затем внутри кластера ищут хабы (центральные вершины) – гены, через которые проходит больше всего связей внутри генной сети. Обычно это белки – регуляторные молекулы. Именно они и являются приоритетными генами-мишенями.

Дальнейший анализ позволяет также оценить риски развития у пациента побочного эффекта в результате воздействия на мишень лекарством. Ведь ген, выбранный мишенью, может участвовать во многих других процессах, в том числе, не связанных напрямую с заболеванием. И надо оценить, как это воздействие повлияет на другие процессы, в которые вовлечен ген. Исходя из этого, приоритет получают гены, которые имею меньше связей с иными биологическими процессами.

Звучит довольно просто, но на самом деле решение этой задачи занимает массу времени и сил. Ведь многие сети включают сотни генов и еще больше – регуляторных взаимодействий между ними. Для проведения всего этого объемного анализа разработан специальный математически аппарат. Изучая воздействие того же вируса гепатита С, сотрудники ИЦиГ выявили 900 белков человека, вовлеченных в этот процесс. А затем, проанализировав их работу в генных сетях, определили несколько потенциальных кандидатов в гены-мишени, причем, не только для лечения собственно гепатита С. Так, белок человека енолаза 1 (ENO1) может быть также мишенью для лекарств против воспаления легких, неходжкинской лимфомы и глиомы. И все же – это только первый (и не самый трудоемкий) этап на пути к новому лекарственному препарату.

Следующий шаг – компьютерное моделирование потенциальных ингибиторов: сначала строится модель белка-мишени, а затем подбирается химическое соединение, которое блокировало бы его работу. Более подробно об этой работе рассказал еще один сотрудник лаборатории компьютерной протеомики Никита Иванисенко.

– Если вы проанализируете, что вам выписывает терапевт, то вы увидите, что большинство лекарств – это низкомолекулярные соединения, - сказал он. – Фактически, задача молекулы лекарства – ингибировать конкретный белок (затормаживать или останавливать его работу), который ответственен за возникновение и развитие заболевания.

К примеру, установлено, что если удастся проингибировать (нарушить работу) белка протеаза ВИЧ-1, то сам вирус иммунодефицита человека также прекращает размножаться и поражать организм. Собственно, сегодня множество исследований по созданию лекарства против ВИЧ работают именно в этом направлении.

В описании такого рода исследований, ученые часто используют аналогию «ключ-замок». В ней белку отводится роль «ящика», который надо «открыть». «Замочной скважиной» в данном случае является некий сайт (место, через которое к нему может прикрепиться молекула лекарственного препарата).

И задачей ученых на данном этапе является смоделировать химическое соединение, которое смогло бы связаться с этим сайтом, создать «ключ» для этого уникального природного «замка».

Существует много способов подбора таких соединений, которые в фармацевтике классифицируют по двум подтипам. Это методы полного перебора (когда проверяются все возможные комбинации, а речь может идти о миллионах вариантов) и методы рационального подхода (когда сначала изучается устройство «замка», и на основе этого подбираются подобия «ключей»). Оба подхода сегодня широко используются в фармацевтике. Первый подход более понятен и методы поиска в его рамках хорошо отработаны, зато второй часто помогает значительно сэкономить ресурсы и время.

Каким же образом ученые изучают «замки» белков. Большой популярностью пользуется, в частности, метод рентгеноструктурного анализа. Для начала надо вырастить кристалл, который будет состоять из белка-мишени (что само по себе очень непростая задача). Затем проводится анализ дифракции рентгеновских лучей. И на его основе строится компьютерная модель белка-мишени, которая и предоставляет информацию об устройстве его «замка». Правда, в этой модели нет информации о том, какие части молекулы белка подвижны, а какие – нет. На этом этапе и начинается рациональный поиск «отмычки», с использованием компьютерных вычислений, таких как машинное обучение.

Как видно из описания, несмотря на то, что такой подход заметно сокращает число кандидатов на роль «отмычки», сам по себе он подразумевает решение сложных задач и привлечение для этого весьма компетентных специалистов. Поэтому, несмотря на очевидные «слабые места», методы полного перебора по-прежнему пользуются высокой популярностью у фармацевтических компаний.

Впрочем, формирование некоего списка кандидатов на роль нового лекарства – это лишь первый шаг. Далее в работу включаются исследователи другого профиля, о которых мы подробнее расскажем в следующих частях нашего мини-цикла.

Наталья Тимакова, https://academcity.org/content/v-poiskah-gena-misheni

Артур Залевский — аспирант Факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова, биоинформатик, энтузиаст свободного программного обеспечения, научный стример проекта Future Biotech Live.

Поговорим о том, как современные методы молекулярного моделирования позволяют заглянуть вглубь самых разных клеточных процессов и как перешагнуть грань от наблюдения к созданию нового.

Узнавать о новых лекциям в Москве можно здесь: https://t.me/setup_lc

P.S. Наш лекторий волонтерский и вход всегда бесплатный

Видите это эмм.. сердечко?

Вы с ним определенно знакомы.

Перед вами один из белков из Saccharomyces cerevisiae.

Под этим страшнопроизносимым названием спрятались "обычные" пекарские дрожжи. То есть любители пива и булочек видятся с ним значительно чаще, чем я (не любитель пива и не... Вру. Любитель булочек).

Какую статью по биологии (и около) не открой, везде пишут про кишечную палочку - E.coli. Ее постоянно модифицируют, чтобы что-то полезное получить для человечества, с ней ставят опыты и эксперименты, с ней что-то изобретают и даже пишут картины!

Но в сердцах генетиков у этой горячей крошки есть конкурент. Да еще какой. Ведь глупая маленькая кишечная палочка всего-то прокариот. А дрожжи ядром в процессе эволюции все-таки озаботились. А потому, гордо размахивая флагами, стройным шагом многочисленной армии втопали на поле эукариотов.

Чем же так важно для нас это их свойство, а сами дрожжи, соответственно, для генетиков?

Saccharomyces cerevisiae - один из наиболее изученных модельных организмов, говорит нам вечно умничающая Википедия. Что значит модельных? Во-первых, что изученных вдоль и поперек, а потом еще разочек. Что генОм их давно секвенирован и разобран.

Во-вторых, с генетическим кодом этих дрожжей сравнивают другие организмы. (Зачем - надо отдельный пост)

В дрожжах биотехнологи, фармакологи и прочие ологи могут выращивать всякие нужные белки. Для лекарств, продуктов, промышленности итдитп.

Но ведь у нас для этой грязной работы уже есть E.coli - спросят обладатели самой цепкой памяти. Ответ: ядро! У нас, эукариотов, в отличие от палочки-прокариота, процесс приготовления белков по книге рецептов, спрятанной в ДНК, отличается одним ключевым моментом.

Разберемся с этим. Как прочитать текст бактерии о схеме сборки ее белков? Взять цепочку ДНК, расплести косичку, по буквам последовательно прочитать ее в другую цепочку (РНК), потом аккуратненько взять эту новую цепочку за хвостик и положить на фабрику - в рибосому. Там внутри специальная генетическая машинка строчку РНК прочитает и по готовому тексту на ниточку, как бусинки, понацепляет аминокислот. А из аминокислот потом сложится белок - бинго!

Для этого бактерии понадобилось в начале днк-книжки читать начать, а в конце книжки закончить. Р-раз и все.

А эукариоты решили выпендриться. Их, наши, белоккодирующие гены записаны не сплошным текстом.

Представьте, что вы серьезный взрослый человек, а вам подсовывают книжку с картинками. Да не такую, чтоб с красивыми иллюстрациями, а как ужас моей юности - сборник отрывко-рассказов Коэльо, где на 5 строчек текста приходится странная картинка и две белых страницы. А потом следующий в таком же духе.

То есть "здесь читаем - тут перелистываем - тут снова читаем...". Повторить много раз. Такую книжку приходится читать короткими фрагментами и пролистывать "мусорные" куски.

Как такое читать? Сначала расплетем ДНК (ага, было), потом скопируем нужную часть цепи в РНК (делали), а теперь порежем новую ниточку на ломтики. Затем выберем только кусочки нужного нам текста (они называются "экзоны") - самого белоккодирующего гена, а "картинки" и "белые листы" ("интроны") кинем в мусорку. Теперь сшиваем вместе весь текст и...Оп! Но ведь этот рассказик шел совсем на другой странице! Вот-вот.

Порезать книжку и потом сложить обратно текстики, называется "сплайсинг".

А когда кусочки текста не складываются в "правильной" последовательности - это альтернативный сплайсинг.

Сшитую вместе книжку мы также кладем на грузовичок транспортной РНК (тРНК) и отправляем в рибосому, готовить аминокислотные бусики. То есть прокариоты "начали-сделали-закончили", а эукариоты "почитали-пролистнули-почитали-пролистнули...".

И именно в этом моменте собака порылась. Оказывается, что некоторые хитрые белки эукариот просто не умеют приготавливаться по книжке, которую написали непрерывным текстом. В этом месте такие солдатики как дрожжи отодвигают в сторонку грустную безработную палочку и начинают трудиться во благо человека.

А вы говорите, пиво - это вредно:)

(О том, зачем эволюции понадобилось так все усложнить, в другой раз)

"Иллюстрации" "выполнены" в софте для докинга.