Примерно у половины всех пациентов с редкими наследственными заболеваниями до сих пор неясно, какое именно положение генома отвечает за их состояние. Одна из причин этого – огромное количество информации, закодированной в генах человека. Ученые из области информатики и медицины объединили усилия, чтобы найти решение: команда из Технического университета Мюнхена (TUM) и Helmholtz Zentrum München разработала метод, который значительно увеличивает шансы на успешный поиск. Новый подход рассматривает не только ДНК, но и РНК.
В совокупности так называемые редкие болезни – это далеко не редкость. Они затрагивают около восьми процентов населения мира. Большинство этих состояний имеют генетические причины.
Для разработки методов лечения важно определить, какие гены вызывают болезнь. В течение нескольких лет исследователям удавалось секвенировать весь геном. Другими словами, они могут использовать образец ткани пациента для создания списка, содержащего всю генетическую информацию из генетического материала пациента. Секвенированный геном также содержит информацию о мутациях, вызывающих заболевание. Сложность в том, чтобы его найти.
Сложные начальные условия
"Представьте себе список из трех миллионов пар оснований. Это огромный объем данных сам по себе," объясняет доктор. Хольгер Прокиш, возглавляющий исследовательскую группу в Институте гуманной генетики ТУМ и в Центре им. Гельмгольца в Мюнхене. Само по себе присутствие мутировавших генов в списке никоим образом не является доказательством того, что причина болезни найдена: у каждого человека есть генетические варианты. В большинстве случаев они безвредны.
Чтобы определить, какие части генома изменены, ученым приходится сравнивать разные наборы данных. Без программного обеспечения поиск мутаций, вызывающих заболевания, был бы совершенно безнадежным. И даже с программным обеспечением это возможно только с помощью хитрых уловок. Например, чтобы ограничить объем данных, поиск часто ограничивается "кодирование" области генома. В результате из анализа исключаются сегменты генов, не содержащие конкретных инструкций по построению молекулы. Но даже при таком подходе вероятность успеха составляет всего 50 процентов.
Международная команда специалистов в области медицины и информатики во главе с проф. Прокиш и Жюльен Гагнёр, профессор вычислительной биологии в ТУМ, разработали новый подход, дополняющий предыдущие методы.
Новый подход дает новые результаты
"Наш подход заключался в секвенировании не только ДНК, но и РНК клеток," говорит Лаура Кремер, первый автор исследования. РНК – рибонуклеиновая кислота – это название группы молекул в клетке, функция которых включает выполнение схем, закодированных в ДНК. Основываясь на составе и количестве молекул РНК, команда смогла сделать вывод о конкретных проблемах в ДНК.
"Особым преимуществом этого метода является то, что секвенирование РНК выявляет ошибки при выполнении кода из ДНК. Даже когда нет изменений в проекте для данной молекулы, вариации в некодирующих частях генома могут повлиять на то, как реализуется план," говорит Дэниел Бадер, который также является первым автором. Если посмотреть только на кодирующие части генома, эти вариации не будут регистрироваться. Секвенирование всей ДНК, в свою очередь, позволяет увидеть все вариации, но не сообщает исследователям, имеют ли они какие-либо эффекты.
В своем исследовании команда исследовала культуры клеток кожи, взятые у 48 пациентов с митохондриальными наследственными заболеваниями. Эти условия влияют на метаболизм отдельных клеток. Используя новые алгоритмы, они смогли однозначно идентифицировать триггерный ген в десяти процентах образцов. В оставшихся 90% им удалось сузить число кандидатов до нескольких генов.
Новый стандарт?
Хольгер Прокиш говорит, что процедуру можно адаптировать для анализа других генетических состояний, помимо митохондриальных заболеваний. "Более того, мы используем клетки кожи для наших культур, которые можно удалить практически безболезненно. Особенно это важно для больных детей." Параллельно с работой Прокиша, Гагнера и их команды группа в Институте Броуда в США работала над аналогичным подходом. Однако в их клеточных культурах использовалась мышечная ткань, образцы которой можно получить только с помощью относительно инвазивной процедуры.
Жюльен Ганье убежден, что секвенирование РНК станет рутинным методом для врачей в будущем, наряду с геномным анализом: "Чтобы найти причины редких генетических состояний, важно также исследовать некодирующую часть генома. Это именно то, что умеет наш метод."