В рамках гранта РНФ «Патогенетика наследственных форм умственной отсталости: клеточные, молекулярные и онтогенетические аспекты» томские ученые изучают влияние генетических особенностей на механизмы, регулирующие когнитивные функции мозга. О деталях работы «Поиск» узнал от руководителя лаборатории онтогенетики НИИ медицинской генетики Томского НИМЦ, профессора РАН Игоря ЛЕБЕДЕВА.

– До объявления конкурса РНФ мы почти на протяжении 10 лет занимались идентификацией хромосомных факторов развития наследственных заболеваний, связанных с умственной отсталостью у детей, накопили существенный массив данных, которые в ряде случаев позволяли дать конкретный ответ о причине недуга, – начал рассказ ученый. – Но большая часть случаев оставалась необъяснимой. То есть мы видели, что в хромосомном наборе ребенка есть изменения, но понять, каким образом они могут привести к нарушению развития, формированию умственной неполноценности, аутизму, имеющиеся данные не позволяли.

Столкнувшись с проблемой интерпретации клинической значимости тех аномалий, которые наблюдались у больного пациента, мы задумались, каким образом доказать, что эти изменения действительно имеют отношение к развитию умственной отсталости. Нам нужны были какие-то инструменты, модельные системы, которые позволяют это сделать.

 

– Диагностика традиционно делается на клетках крови. Обычно для проведения генетического тестирования используются лимфоциты периферической крови пациента, из которых выделяют ДНК, проводят хромосомные исследования, секвенирование. Но в них отвечающий за функции мозга ген, как правило, неактивен. Понятно, что и сами клетки мозга для нас недоступны. Поэтому в нашей лаборатории онтогенетики (этот раздел науки изучает закономерности реализации генетического нарушения в ходе развития организма) создаются модельные системы с использованием плюрипотентных стволовых клеток.

Эту технологию разработал Синья Яманака (Япония) и в 2012 году получил за нее Нобелевскую премию. Он фактически вернул необратимые процессы роста и развития человеческого организма в исходное состояние, используя определенную комбинацию ростовых факторов, которые работают только в эмбриональном периоде. Оказалось, что, действуя этой комбинацией белков на клетки, например, кожи или крови, можно «вернуть» их туда, где они были на самых первых этапах развития человеческого организма, и дальше получить из них те типы клеток, которые необходимы для исследования. Так мы получили нейроны из клеток кожи детей с умственной отсталостью и неясными причинно-следственными связями с генетическими изменениями. В нейронах уже можно проводить исследования активности генов, отслеживать биохимические изменения, что позволяет изучать эффекты тех или иных мутаций непосредственно в том типе клеток, где они и проявляются.

 

Второй тип модельной системы – это модельные животные, линия мышей, выведенных с применением технологий редактирования генома. Если заболевание, связанное с нарушениями интеллекта, сопровождается структурными изменениями мозга ребенка, мы эти анатомические особенности можем смоделировать при развитии головного мозга на мышиных моделях.

 

– На приеме была семья, у членов которой обнаружилось увеличение копийности одного гена. В нашем геноме 22 тысячи генов, каждый ген представлен в двух копиях (материнской и отцовской), а у 13-летнего мальчика из той семьи была дополнительная копия, и у него диагностирована тяжелая форма умственной отсталости. Но проблема была в том, что такую же перестройку генома (ген с дополнительной копией) имел его отец, при этом он был абсолютно здоров, у него это никак не проявлялось.

 

– Оказалось, что у ребенка из-за присутствия лишней копии гена в нейронах оба гена не работали. То есть у него изменение в структуре хромосомы привело к тому, что этот участок выключился, заблокировался. Из-за этого развилось заболевание. А у отца все нормально, ген активен. И тут мы обратили внимание на очень интересный феномен – геномный импринтинг или геномную память: оказывается, работа наших генов (правда, не всех) зависит от того, от кого они унаследованы, от папы или мамы. В данном случае носителем «перестройки» была бабушка ребенка (мама отца). Она передала своему сыну эту особенность безо всяких проявлений, а он передал нашему пациенту уже неактивное состояние гена, в результате чего у ребенка развилась умственная отсталость. Это был основной итог нашего первого гранта РНФ, выполненного в 2014-2018 годах: мы стали понимать, что через алгоритмы перепрограммирования стволовой клетки и анализ родословной можно определить, на каком молекулярном уровне происходит изменение в геноме ребенка.

 

– Можно. Семья все эти годы жила в опасении иметь других детей, потому что не знала, в чем причина болезни их сына. Теперь во время планирования следующей беременности врач-генетик сделает пренатальную диагностику, посмотрит, унаследована ли плодом папина хромосома. Если нет, родится здоровый ребенок. Если да, то надо решать, как быть (сохранять или прерывать беременность). Если такой выбор невозможен, то может быть предложена процедура ЭКО с генетическим тестированием эмбриона до начала беременности. Женщине перенесут только те эмбрионы, которые не унаследовали родительскую перестройку и не несут мутации. В этом случае родится здоровый ребенок.

 

– В отношении диагностики и профилактики хромосомных болезней по большому счету да. Однако, научившись выявлять мутации в генах, мы пока не до конца понимаем, на что они влияют. Задача ученого – понять, как именно протекают генетические процессы при наследственных мутациях, как они приводят к развитию заболевания. Для этого и нужны соответствующие модельные системы. Наш проект по моделированию направлен как раз на то, чтобы с использованием стволовых клеток изучить, в каких случаях мутации проявляются у потомства, если носителем аналогичных изменений в семье являются мать или отец, можно ли этот эффект каким-то образом спрогнозировать и спланировать следующую беременность. Сейчас в рамках гранта РНФ мы работаем над тем, чтобы дополнить системы диагностики, существующие уже десяток лет, технологиями доказательности, что выявляемые у малышей «перестройки» генов и хромосом действительно имеют клиническое значение.

 

– В России и мире умственная отсталость в детском возрасте составляет 1,5-2%, то есть наблюдается у двух детей из ста – это серьезно. В США цифры по аутизму приближаются к 6-8%. В России он не так часто выявляется просто потому, что недостаточно развита система молекулярно-генетической диагностики, ее можно сделать только в крупных городах – Москве, Санкт-Петербурге, Томске – где существуют федеральные медико-генетические центры.

 

Вообще сейчас парадигма молекулярной диагностики во всем мире очень сильно поменялась. Раньше врач на приеме видел семью, ставил предположительный диагноз, исходя из своего опыта, и направлял пациента к молекулярному генетику подтвердить или исключить это предположение. Но многие заболевания клинически очень сильно пересекаются, и часто невозможно одно отличить от другого, только глядя на пациента. Именно поэтому пациенту предлагается поиск возможных генетических изменений с использованием секвенирования всего генома или его части, кодирующей белки. Когда же пациент возвращается к врачу с результатами, возникает серьезная проблема определить, имеют ли выявленные генетические нарушения отношение именно к той ситуации, с которой семья обратилась. Точность надежной интерпретации клинической значимости микроструктурных перестроек хромосом по нашему опыту и опыту коллег составляет порядка 10%. То есть всего десять из ста выявленных изменений будут совпадать с описанными ранее в виде хромосомных синдромов причинами генетических нарушений. В остальных же случаях выявляется множество вариантов, которые имеют неясное клиническое значение. Они либо не описаны в литературе и не представлены в базах данных, либо это единичные сообщения, не позволяющие поставить молекулярный диагноз. 20-30% мутаций – это абсолютная область неизвестного, они выявляются впервые.

 

– Я приводил пример с дополнительной копией гена у мальчика. Когда мы проанализировали литературу, то увидели, что никто подобного не описывал. Мы подготовили статью, подали в зарубежный журнал, но нам ответили, что не будут ее рассматривать, потому что это единственный случай и невозможно доказать, что такая мутация в другой семье вызовет аналогичную проблему.

 

– Написали во второй журнал (там другая редакционная политика, поддерживающая публикацию новых уникальных находок), и статья вышла. А примерно через полгода появилась статья ученых Питтсбургского университета о таких же мутациях еще у 14 ребятишек. Они прочитали о нашем открытии, заглянули в свои базы данных, где хранились неопубликованные результаты, которые ждали своего часа. И когда наша статья вышла, они тоже сообщили о похожих случаях.

 

Собственно, после этого у нас и возникла идея подать заявку на грант. Поскольку он требовал создания новой лаборатории, мы объединили потенциал нескольких научных коллективов. Ее ядро – сотрудники НИИ медицинской генетики Томского НИМЦ. У нас осуществляются клиническое наблюдение пациентов и молекулярно-генетические и цитогенетические исследования. Наши партнеры – группа из отдела молекулярных механизмов онтогенеза Института цитологии и генетики СО РАН под руководством доктора биологических наук Олега Серова, вместе с ними мы разрабатываем диагностические алгоритмы, занимаемся клеточным репрограммированием. Следующий коллектив – представители Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского под руководством доктора биологических наук Виктора Тарабыкина, они курируют исследования с применением лабораторных животных. Группа из Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины в Москве дополняет наши исследования на клеточных культурах протеомными исследованиями.

Таким образом, клиницисты, молекулярные генетики, специалисты по стволовым клеткам объединились, чтобы разработать технологии диагностики умственной отсталости, подходы к пониманию причин ее возникновения на клеточном уровне и помочь семьям в профилактике передачи заболевания через процедуру ЭКО.

 

– Мутации примерно в 1200 генах связаны с умственной отсталостью. Если посмотреть описанные синдромы (когда известно, что мутация проявится у всех одинаково), то цифра приближается только к 300. То есть соотношение – 1:4. Эта пропорция как раз для аутизма, умственной отсталости. Для других заболеваний тоже есть разрыв между выявляемым и «оседаемым» в виде наследственных синдромов. Мы сейчас ждем рождения первого ребенка после процедуры ЭКО в другой семье, где мама с мутацией. Это еще одно направление нашей работы – семьи, где женщины имеют 2-3 выкидыша. Но когда у них в итоге рождается ребенок, то часто у него выявляется умственная отсталость.

 

– Скорее всего, потому, что выкидыши были не случайны. Женщина на своем здоровье этого никак не ощущает, но у нее есть неактивная Х-хромосома с мутацией. С вероятностью 50/50 она может передать эту хромосому ребенку. С таким случаем мы сейчас как раз работаем. У женщины было шесть случаев невынашивания беременности, но перед этим она родила здоровую дочь. Мы стали анализировать эмбриональный материал и обнаружили мутацию в Х-хромосоме. Девочка, по счастливой случайности, эту мутацию не получила. Сейчас наша пациентка прошла процедуру ЭКО, мы сделали диагностику, отобрали эмбрионы, которые не несут этой мутации, и с нетерпением ждем появления здорового малыша.

 

– Справляемся. Заработала система параллельного импорта через страны-партнеры, с ее помощью обновляем приборно-реактивную базу, присматриваемся к аналогам приборов, появившемся на нашем рынке. Надеемся, это поможет продолжить исследования. Наши международные научные связи сохраняются, проекты продолжаются. Мы выступили соорганизаторами международного Консорциума по изучению кольцевых хромосом у детей с задержкой или нарушением интеллектуального развития. Это особая форма хромосомной мутации, когда линейная в нормальных условиях хромосома замыкается в кольцо. В состав консорциума входят коллективы из Йельского университета и MIT (США), а также из Германии, Италии, Китая. Мы работаем над совместными статьями и монографией, разрабатываем новые методы диагностики для пациентов с кольцевыми хромосомами.

 

– Нам необходимо подготовить 40 научных публикаций, в которых рассматриваются вопросы диагностики, применения новых разработанных технологий и клеточных моделей, а также новые клинические случаи с генетическими нарушениями. В перспективе описанные мутации и созданные модели могут стать основой для работ в области фармакологии. Клеточные мишени и модели в дальнейшем можно будет использовать не только для изучения, но и для лечения заболеваний. Это перспектива для фармкомпаний, которые в настоящее время активно разрабатывают лекарства от аутизма или эпилепсии.