генетика

Лаборатория эволюционной геномики начала свое существование на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ в 2011 году, когда я получил мегагрант в рамках постановления N220 для проведения исследований по теме "Филогенетический анализ сложного отбора в молекулярной эволюции". Мы получили огромные деньги ($5 млн), на которые стали обустраивать лабораторию. На выделенные деньги мы смогли купить прибор нового поколения Illumina HiSeq2000 для секвенирования (определения генотипов), с огромной производительностью, вычислительный кластер для хранения и обработки этих огромных данных, а также построили дополнительную лабораторию на Беломорской биостанции МГУ, поскольку одна из наших работ связана с молекулярно-генетическим изучением биоразнообразия.

Лаборатория наша изучает эволюционную геномику экспериментально и теоретически. Общая цель наших исследований — изучение естественного отбора на геномном уровне. Но не только. Здесь также занимаются многими другими аспектами эволюционной, популяционной, функциональной и медицинской геномики. Мы не ставим перед собой одной конкретной биологической задачи, наша "бизнес-модель" другая: мы берем самые интересные маленькие вопросы и стараемся их решать. Мы биологи широкого профиля, и нас интересуют разные эволюционные вопросы.

Особенность нашей лаборатории состоит в том, что в ней сосуществуют два направления: "сухое" и "мокрое", теоретическое и экспериментальное. В ней одновременно работают математики, никогда в жизни не державшие в руках пипетки, и молекулярные биологи, никогда не учившие теорию алгоритмов; они взаимодействуют и дружат. Это непросто, но такой симбиоз исключительно выгоден. Совместное существование экспериментального и теоретического компонентов науки всем идет на пользу. Теорией можно заниматься и не имея никаких секвенаторов: данных сейчас столько, что можно анализировать их всю жизнь, — но собственный секвенатор дает возможность получать свои данные, что кажется нам важным.

Пять задач мегагранта

Первое время мы в основном работали над пятью задачами, которые были сформулированы в заявке на мегагрант. Все они чисто теоретические — это тяжелая эволюционная биология. Все заявленные задачи мы выполнили.

Один из наших больших проектов — изучение свойств адаптивных ландшафтов: например, что происходит, если в последовательности эволюционирующих видов какой-нибудь белок теряет кусок, как это событие влияет на всю молекулу в целом. Оказывается, что после того, как из белка выпал кусок, соседние участки в нем начинают быстро эволюционировать, подстраиваясь под новую реальность. Это как человеку, которому вырезали кусок кишечника, нужно некоторое время, чтобы научиться жить с этим урезанным кишечником. Мы посмотрели, сколько времени нужно белку и какой длины получается эта "адаптивная прогулка", и обнаружили, что белку, чтобы перестроиться, достаточно всего нескольких аминокислотных замен.

Отдельно мы изучили ситуацию случайной замены аминокислоты в белке: насколько это необратимо? Мы показали, что недавно замененная аминокислота часто восстанавливается, но чем больше проходит времени от этого события, тем вероятность обратной замены меньше, потому что белок за счет эволюции в других местах забывает, как ему работать с этой старой, заменившейся, аминокислотой. Эти результаты представляются мне очень интересными.

Работа, которой я особенно горжусь, — это разработанный нами метод обнаружения положительного отбора, действовавшего в прошлом. Положительный отбор — это классический дарвиновский отбор, который благоприятствует редкому, но полезному варианту гена и приводит к изменениям (если отбор благоприятствует частому варианту, то он называется отрицательным и к изменениям не приводит, а поддерживает status quo). В качестве примера такого положительного отбора можно привести способность людей пить молоко. Нормальное млекопитающее не может пить молоко во взрослом возрасте, потому что у него перестает вырабатываться фермент лактаза, отвечающий за расщепление молочного сахара. В двух человеческих популяциях 7-8 тысяч лет назад, когда была одомашнена корова, возникла поломка этого отключателя производства лактазы у взрослых: в Северной Африке и в Северной Европе. Те и другие научились пить молоко во взрослом возрасте. Когда возникает такая полезная мутация, отбор начинает ее быстро распространять. Но мы ничего не знаем о положительном отборе на уровне генотипов; находить такие случаи очень трудно. Метод, который мы придумали, основан на очень простой идее: после того, как редкий полезный аллель вытесняет другой, этот редкий вариант становится частым. То есть положительный отбор со временем превращается в отрицательный. Мы придумали, что если посмотреть на современный отрицательный отбор, то можно понять, каким был в прошлом положительный. Это довольно тривиальная мысль, но до нас этого никто не придумал.

Кроме того, мы изучили причины скоррелированных замен в соседних сайтах. И здесь получили не совсем то, что ожидали. Когда в каком-то месте генома происходит замена нуклеотида, можно ожидать, что от этого в соседних местах меняются условия и это повлечет возникновение замен и по соседству. Мы проверяли, есть ли здесь корреляция. Корреляцию мы обнаружили и показали, что это явление гораздо более распространено, чем считалось ранее, и что оно вызвано в основном одновременными или почти одновременными заменами многих нуклеотидов. Однако природа его, видимо, не селекционная, а мутационная.

Еще одна наша работа была посвящена изучению эволюции геномов далеко дивергировавших видов: общий предок млекопитающего и асцидии (животного, принадлежащего к подтипу оболочников или личинкохордовых — Urochordata) жил 600-700 млн лет назад. Участки генома, которые унаследованы теми и другими от этого общего предка, настолько дивергировали, что опознать их напрямую мы уже не можем. Но при этом они могут продолжать выполнять некую функцию, которую они (может быть, с некоторыми модификациями) выполняли на протяжении всех этих миллионов лет. Мы придумали способ обнаружения таких участков. Для этого не нужно сравнивать млекопитающих с асцидиями — это ничего не даст, — а нужно сравнивать между собой разных млекопитающих и разных асцидий.

Эти эзотерические вопросы эволюционной биологии относятся к "сухим" исследованиям, в которых мы анализируем не свои, а чужие данные. Помимо этих пяти задач, мы работаем и над другими проектами.

"Мокрые" исследования

Мы начали большой проект с байкальскими гаммарусами (рачки-бокоплавы). На Байкале живут сотни видов эндемичных гамарусов, все они там возникли и только там встречаются. Это так называемое скопление видов, которое интересно уже само по себе: таких явлений в мире очень немного. Кроме того, это замечательный ресурс для изучения разнообразных теоретико-эволюционных вопросов. Мы секвенируем транскриптомы разных видов этих гаммарусов, чтобы изучить процессы, сопровождавшие быстрое видообразование. Я надеюсь, что по этим гаммарусам мы сделаем много хороших работ. Например, исходя из теории катастроф, мы можем ожидать, что в медленном и размеренном течении эволюции иногда вдруг могут происходить очень резкие быстрые изменения. Гипотеза заключается в том, что периодически безо всякой внешней провокации должны наблюдаться рывки, в результате которых происходит резкий переход из одного устойчивого состояния в другое. То есть общематематические соображения предсказывают, что белок какое-то время эволюционирует медленно, а потом вдруг начинает эволюционировать очень быстро: раз — и несколько аминокислот в нем поменялось. Так выглядит теория, но в реальности этого никто никогда не видел. Для проверки этой гипотезы нужны богатые филогенетические данные большого количества очень близких видов. Если мы найдем такие спонтанные бифуркации — броски в эволюции белков, — будет очень интересно. Но здесь интересен будет любой результат.

Из завершенных работ — мы сделали геномный анализ адаптации трехиглой колюшки к пресной воде. Эта морская рыбка замечательна тем, что становилась пресноводной несколько раз. Мы сравнивали генотипы трехиглой колюшки из популяций Белого моря и соседних с ним пресноводных озер и смотрели, за счет каких генетических изменений она приспосабливалась к жизни в пресной воде. Оказывается, в процессе приспособления в ней идет много параллельных изменений, то есть адаптация к пресной воде происходила несколько раз независимо.

Еще мы открыли самый изменчивый вид на свете — гриб под названием "шизофиллум" (Schizophyllum Commune). Его внутрипопуляционная изменчивость необыкновенно высока, она составляет почти 15% — это больше, чем отличие человека от макаки. Два человека отличаются на 0.1%, а два шизофиллума из одной популяции — на 15%, межпопуляционные отличия у него еще больше — 25%. При этом они свободно скрещиваются. В связи с этим возник вопрос: как происходит кроссинговер? Мы этот вопрос изучили. Оказалось, что для кроссинговера они выбирают участки хромосом с максимальным локальным сходством.

Большое количество работ мы сделали по зоологии беспозвоночных на Беломорской биостанции МГУ. Мы ведем систематическое изучение внутрипопуляционной изменчивости макроскопических животных и водорослей, обитающих в Белом море. Мы изучили более 100 популяций и описали больше десятка видов-двойников. Наш главный результат за прошлый год — это медуза. В Белом море водятся крупные медузы Cyanea Arctica. Мы обнаружили, что это не один вид, а два. Новый вид назвали в честь директора биостанции Александра Борисовича Цетлина. Мы нашли в Белом море такое явление: митохондриальная интрогрессия — когда у всех (либо у части) представителей одного вида митохондрии не свои, а заимствованы у какого-то другого вида. Например, у некоторых особей одного из видов морских ежей митохондрии принадлежат другому виду. То есть какая-нибудь их пра-пра-прабабушка принадлежала другому виду, но кроме митохондрий, от этой истории никаких следов не сохранилось: весь ядерный геном у них типичный. Оказалось, что в Белом море таких случаев очень много.

Еще одно важное дело, которое мы сделали на Беломорской биостанции, — мы преобразовали процесс обучения студентов: они проходят практику у наших сотрудников и на нашем оборудовании. И такой практики нет, кажется, больше нигде: студенты-третьекурсники собственными руками проделывают весь цикл работ — от отлова зверей до секвенирования, занесения результатов в Genbank и, в случае обнаружения чего-то интересного, публикации статей.

Рак — это эволюционная болезнь

Главное, что нужно понимать про эволюционную науку, — что сама по себе она бесполезна. Ее бессмысленно пытаться как-то коммерциализовать, хотя разговоры об этом идут постоянно. Если объект, который эволюционирует, интересен кому-то, кроме нас, это хорошо. Байкальские гаммарусы, например, совершенно никому не нужны, а вот вирусы интересуют многих. У нас есть несколько прикладных задач. К ним относятся наши онкологические исследования, которые мы делаем в сотрудничестве с медиками. Рак — это эволюционное заболевание, потому что он возникает, когда клетка начинает эволюционировать в собственных интересах, а ее интерес в том, чтобы как можно больше делиться. Мы анализируем геном больных гепатокарциномой (опухоль печени): сравниваем геном здоровых и больных клеток и пытаемся понять, какие при этом ломаются регуляторные пути. Каждый больной — это независимая эволюция, и если мы увидим, что в большинстве случаев сломан один и тот же ген, значит, он и сидит в регуляторном пути, который ломается при гепатокарциноме. Этим мы только начали заниматься, но медики говорят, что мутации, которые мы нашли, очень интересны. В такой работе нет ничего оригинального, сейчас этим занимается весь мир, но это хорошая деятельность.

Еще мы занимаемся изучением эволюции вируса гриппа. У вирусов можно иногда наблюдать некое подобие полового размножения — реассортацию. Когда одну клетку инфицируют два разных вируса, из нее выходит гибридная вирусная частица, которая имеет в себе два типа молекул: от вируса "папы" и от вируса "мамы". Многие самые серьезные эпидемии (из последних — эпидемия "свиного" гриппа) возникли в результате таких реассортаций. Оказывается, после реассортации в белках вируса происходят вспышки быстрой эволюции. И по характеру таких вспышек: как долго они длятся и как далеко заводят, — можно многое сказать про эволюцию этих вирусов. Реассортация вирусов — очень интересное явление, но все любят писать, что мы изучили, как эволюционируют вирусы, и это нам поможет сделать вакцину. Это не так, наша работа совсем про другое. Я не люблю таким образом продавать свою науку.

Мы надеемся работать и дальше

Мегагрант нам дали на 2011-2013 гг., с возможностью продления на два года. Но пока на нашу научную деятельность это повлияло минимально: очень много проектов нужно доделывать, и какое-то время мы будем работать по инерции. У нас есть еще несколько небольших грантов, и мы пытаемся изыскать деньги на дальнейшую работу.

Лабораторий, как наша, в России больше нет: теоретическими эволюционными вопросами больше почти никто не занимается. Здесь просто нет теоретико-эволюционной школы, люди не думают таким образом, и студентов учить этому некому. К нам постоянно приходят студенты, но школа не может состоять из одной лаборатории, для этого нужна научная среда.

текст Алексей Кондрашов, кандидат биологических наук, профессор, победитель первого конкурса мегагрантов, создатель и руководитель Лаборатории эволюционной геномики факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова
Тата Зарубина
фотографии Иван Ерофеев