За каждой семьей стоит уникально сложная комбинация генетических вариантов
Краткая справка о герое
Лебедев Игорь Николаевич ― доктор биологических наук, профессор РАН, врио директора НИИ медицинской генетики, заместитель директора по научной работе Томского НИМЦ, руководитель лаборатории онтогенетики. Родился в 1974 году. В 2001 году защитил кандидатскую диссертацию, а в 2008 году – докторскую диссертацию по специальности «генетика». Основные научные работы посвящены вопросам цитогенетики индивидуального развития человека. Впервые описал ряд новых хромосомных мутаций при нарушениях эмбрионального развития и невынашивании беременности, а также ассоциированных с задержкой интеллектуального развития ребенка. Внедрил в практику передовые технологии пренатальной и преимплантационной генетической диагностики хромосомных заболеваний. Автор и соавтор более 600 печатных трудов. Член Президиума правления Российского общества медицинских генетиков, член Вавиловского общества генетиков и селекционеров, Европейской цитогенетической ассоциации, Европейского общества генетиков человека, Европейского общества репродукции человека и эмбриологии. Является членом редакционных коллегий «Вавиловского журнала генетики и селекции» и «Journal of Assisted Reproduction and Genetics».
― Игорь Николаевич, одно из научных направлений, над которым вы работаете, ― создание клеточных моделей наследственных форм умственной отсталости и аутизма. Почему умственная отсталость и аутизм связаны? Это родственные проблемы?
― Наш интерес во многом связан с изучением влияния эффектов хромосомных нарушений на развитие человека. При этом в большей степени проявление хромосомных болезней связывают с отклонениями в интеллектуальном развитии, задержкой развития, в том числе с расстройствами аутистического спектра (РАС).
― Означает ли это, что РАС всегда сопутствует умственная отсталость? А как же воспетые кинематографом примеры гениальности некоторых аутистов в точных науках?
― Расстройства аутистического спектра и умственная отсталость ― разные категории заболеваний. Однако у разных пациентов возможны разные варианты. У одних пациентов может быть РАС, у других ― умственная отсталость или задержка интеллектуального развития, у третьих эти заболевания сочетаются.
Примеры гениальности при аутизме действительно известны, при этом известны и документированные случаи пороков развития головного мозга в таких ситуациях. В частности ― агенезии мозолистого тела или отсутствия пучка волокон, соединяющих левое и правое полушария. За возникновением таких пороков часто стоят наследственные мутации, на поиск которых и нацелено внимание современной медицинской генетики и нейрогенетики.
В последние годы мы становимся свидетелями существенного прогресса в идентификации новых генных и хромосомных вариантов, связанных как с аутизмом, так и с умственной отсталостью. Разработка новых технологий молекулярной диагностики таких заболеваний, подтверждение клинической значимости новых выявляемых генетических вариантов ― одна из приоритетных задач лаборатории онтогенетики, открытой в НИИ медицинской генетики Томского НИМЦ в 2021 г. в рамках гранта РНФ.
― Расскажите, что это за методы?
― Если говорить о диагностике хромосомных вариантов, проявляющихся в умственной отсталости, то обычно такие тесты проводятся, когда исключены известные генетические, биохимические, физиологические причины, связанные с возможным нарушением развития ребенка. Иначе говоря, когда перед нами пациент с непонятной причиной развития заболевания.
В области цитогенетики в последние годы появились технологии полнохромосомного скрининга, или исследования структуры всех хромосом в кариотипе ребенка с использованием принципов микроматричного анализа, технологий полноэкзомного и полногеномного секвенирования, изменивших саму парадигму диагностики таких заболеваний.
― О каких заболеваниях идет речь?
― На самом деле многие наследственные синдромы и хромосомные болезни, связанные с умственной отсталостью, хорошо известны и врачам, и пациентам. Синдром Дауна ― самое известное хромосомное заболевание, связанное с присутствием дополнительной копии 21-й хромосомы в кариотипе ребенка. Сейчас мы знаем более 1 тыс. генов, изменчивость которых связана с развитием умственной отсталости, и клиническая картина таких заболеваний неспецифична для различных вариантов генов. Тот же аутизм может проявляться изменениями в совершенно разных областях генома.
Если в отношении классических болезней, таких как синдром Дауна, врач знает, как выглядит ребенок, какие особенности развития, клинической картины, он может целенаправленно направить пациента на диагностику этого хромосомного заболевания. Но есть случаи, когда клиническая картина неспецифична, нет известных видимых причин, исходной клинической гипотезы. В таких ситуациях помогают технологии хромосомного и геномного скрининга, которые в отсутствие этой гипотезы проверяют состояние хромосомного и генного материала, как правило, по всему геному.
― А какая может быть причина таких состояний?
― Известны хромосомные заболевания, связанные с умственной отсталостью, которые характеризуются утратой участка конкретной хромосомы. Такие синдромы есть, их не так много, может, в пределах десятка, когда клиническая картина хорошо ассоциирована с потерей какого-то хромосомного региона. В большинстве же случаев клинический диагноз поставить очень сложно, а тем более ― найти его молекулярную причину. Здесь меняется сама парадигма диагностики: мы проверяем весь геном, весь хромосомный набор, находим изменения и начинаем их анализировать. Мы можем попасть в область редкого заболевания, описанного, но встречающегося с низкой частотой. Выявление редкой хромосомной микроделеции, сопоставление с описанными в литературе данными, с опубликованными результатами исследований других пациентов, базами данных ― все это позволяет нам поставить диагноз.
― Но ведь можно этот диагноз так и не найти?
― По нашим наблюдениям и по мировым данным, вероятность такого успеха при хромосомном скрининге составляет только около 10%. В большинстве случаев мы выявляем варианты, имеющие неясное клиническое значение: они либо присутствуют у единичных пациентов с разной клинической картиной, либо вообще могут отсутствовать в литературе, и тогда ты первый, кто видит этот вариант. Твой пациент ― единственный в своем роде.
― У вас так случается?
― Мы сталкивались с такой проблемой, когда у пациента обнаруживается интересная хромосомная находка. Мы ее описываем в соответствии со всеми стандартами, отправляем публикацию в международный журнал и получаем отказ редакции от рассмотрения, потому что у нас только один случай, а нужна статистика ― десяток пациентов с такой же мутацией, с таким же фенотипом или клинической картиной. Если это редкое, еще не описанное заболевание, где взять этот десяток?
― Пусть лучше будет меньше пациентов с такими диагнозами.
― На самом деле задача современной медицинской генетики ― не только поставить диагноз, но и установить причину развития интеллектуального нарушения. Есть журналы с другой редакционной политикой, где сообщение о таких редких случаях чрезвычайно важно: это способ заявить, что у человека есть такие изменения, связанные с болезнью.
Пример в нашей практике, который я привожу, ― реальный. Когда такая находка была опубликована, через полгода вышла публикация американских ученых, которые в своем регистре нашли еще 14 пациентов с такой же хромосомной мутацией. Здесь важно запустить процесс, и теперь в мире есть сообщения о примерно сотне пациентов с таким заболеванием. Очень важно иметь механизмы коммуникации и доводить эту информацию до научной общественности и врачей.
― Для чего нужна диагностика таких состояний? Ведь, как я понимаю, они не лечатся?
― В некоторых ситуациях эти хромосомные изменения, или генные варианты, возникают спонтанно. Это естественный мутационный процесс, происходящий при созревании половых клеток либо на ранних этапах эмбрионального развития. Но в некоторых случаях оказывается, что кто-то из родителей имеет такой же генный или хромосомный вариант. Он абсолютно здоров, у него этот вариант скомпенсирован по ряду других генетических механизмов, которые мы также изучаем.
Но родитель узнает, что он ― носитель этого варианта, только тогда, когда станет матерью или отцом, потому что на свет появился больной ребенок. К сожалению, это особенности организации нашего генома, программирующего возникновение определенных изменений в некоторых регионах наших хромосом.
Зная это, поставив ребенку диагноз, мы обследуем семью на предмет возможного носительства такого варианта. И если обнаруживается, что мама или папа имеют такую же хромосомную перестройку, при этом семья желает второго ребенка, здорового, то они могут прийти к нам во время беременности, провести пренатальное тестирование плода, посмотреть, как он развивается, не унаследовал ли он этот вариант, и принять решение о судьбе беременности.
― Наверное, это трудное решение…
― Это решение не всегда просто принимается, скажу честно. Но современная медицинская генетика предлагает другое, альтернативное решение ― тестирование до наступления беременности. Такие пары могут получить эмбрионы в рамках процедур искусственного оплодотворения (ЭКО) и генетики на эмбриональной стадии, до переноса в организм женщины проведут их тестирование. И появляется возможность выбора: в зависимости от того, унаследовал ли эмбрион этот генетический вариант, он может быть рекомендован (или нет) к переносу.
Одна из практических задач в работе нашего коллектива ― разработать такой полный цикл от диагностики, от понимания причин возникновения болезни до профилактики через пренатальную и преимплантационную генетическую диагностику.
― А что делать с больным ребенком? Возможны ли здесь какие-то методы коррекции его состояния?
― Это вопрос больше клинического плана. Лечение сложных наследственных заболеваний, связанных с хромосомными нарушениями, затрагивающими обычно несколько генов с разными функциями, разными задачами в развитии организма, как правило, только симптоматическое, корректирующее.
Но сейчас есть тренды работ с очень непротяженными хромосомными изменениями, затрагивающими единичные гены, когда в клеточных культурах мы начинаем понимать, какими образом мутация влияет на функции гена, можно ли ее скомпенсировать. В отношении интеллектуальных расстройств или аутизма пока нет готовых решений, но сейчас для многих орфанных заболеваний уже доступна таргетная терапия, основанная на коррекции именно патогенетических механизмов, лежащих в основе развития болезни. Дети с редкими, орфанными заболеваниями по всему миру и в нашей стране в частности имеют возможность получения таргетной терапии, исходя из того, какой генетический вариант присутствует в их клетках. Это итог многолетних исследований коллективов, которые двигаются в логике от диагностики и профилактики к лечению. Это следующий закономерный этап развития в этой области.
Игорь Лебедев. Фото Ольги Мерзляковой / Научная Россия
― Есть ли у вас какие-то конкретные истории, связанные с тем, что вы сейчас рассказали? Приходит пара с больным ребенком, хочет следующего ребенка, и вы помогаете им решить их проблему?
― В Томском НИМЦ в 2018 г. мы открыли группу преимплантационного генетического тестирования, которая как раз была сфокусирована на анализе и практической помощи таким семьям. Недавно в Томске родился ребенок в семье, где первый мальчик был с тяжелым наследственным заболеванием, синдромом Хантера ― мукополисахаридозом, связанным с изменением на Х-хромосоме. Было установлено носительство мутации у мамы.
― Мама о нем не знала?
― До рождения ребенка ― нет. У женщины две Х-хромосомы, и носительство этого варианта часто компенсируется избирательной инактивацией, то есть выключением Х-хромосомы с мутацией.
― Как это заболевание проявляется у ребенка?
― Тяжелые метаболические нарушения, поражения внутренних органов, задержка развития. Конечно, это огромный стресс для семьи. Поддержание и реабилитация таких пациентов ― огромная нагрузка на систему здравоохранения. Но тестирование семьи для установления носительства генетического варианта у мамы дало возможность пройти путь через ЭКО и преимплантационное тестирование, произвести отбор эмбриона без мутации, имплантацию и рождение здорового ребенка.
Такие примеры есть и в области хромосомных заболеваний. Тяжелая форма умственной отсталости ― синдром Насименто, ― тоже связанная с Х-хромосомой, и тоже мама стала носительницей этой небольшой хромосомной микроделеции. У нас было две семьи с практически одинаковой перестройкой, вызывающей эту наследственную форму умственной отсталости.
В одной семье был больной мальчик, и семья приняла решение о пренатальной диагностике во время беременности. Мы прошли с этой семьей уже две успешные беременности через тестирование, на свет появились здоровые дети.
В другой семье эта же аномалия проявлялась так, что женщина не могла выносить беременность. У нее было шесть потерь беременности. Мы не могли предлагать ей пренатальную диагностику во время беременности, потому что она не вынашивалась. Здесь как раз шел процесс, связанный с тестированием эмбрионов, с циклом ЭКО. Нам было доступно для теста три эмбриона. Один оказался носителем аномального хромосомного варианта, другой ― с нормальным генетическим статусом, и он был рекомендован к переносу, и один эмбрион остался на стадии криоконсервации для дальнейших диагностических исследований.
К сожалению, эта работа начиналась в пик развития пандемии, когда деятельность клиник ЭКО была приостановлена. Мы сразу не смогли провести перенос эмбриона, это было сделано чуть позже. Но проблемы со стороны материнского организма не позволили достичь беременности, семья пока остановилась в попытках родить здорового ребенка, хотя есть еще один эмбрион, который можно протестировать, или можно предложить пройти дополнительный цикл ЭКО и генетического тестирования.
Иначе говоря, алгоритм есть. Он работает. Он адаптирован к нашим реалиям и используется в Генетической клинике НИИ медицинской генетики Томского НИМЦ.
― Со временем это станет рутинной процедурой?
― Такая диагностика не может быть рутинной, она персонализирована. Исходя из проблем, из конкретного генного или хромосомного варианта, мы разрабатываем для каждой семьи собственную тест-систему, чтобы обеспечить либо пренатальную, либо преимплантационную генетическую диагностику. Как услуга она может быть предложена любой семье, сталкивающейся с такой проблемой, но в своей реализации это каждый раз персональная система.
― Говорят, дети, рожденные путем ЭКО, часто ослаблены, имеют больше различных нарушений, чем дети, рожденные обычным путем. Как вы можете это прокомментировать?
― Здоровье детей, рожденных с применением ЭКО, ― это серьезная научная проблема. В литературе есть масса данных на этот счет. Большинство специалистов сходятся во мнении, что технологии безопасны для здоровья детей, рожденных с помощью таких методов репродуктивной медицины, но некоторые риски, связанные с этим процессом искусственного оплодотворения, существуют с точки зрения манипуляций, может быть, несовершенства сред, в которых культивируются половые клетки, эмбрионы.
Мы не всегда точно знаем биохимию процессов, сопровождающих развитие организма на ранних стадиях. Действительно, отмечены случаи рождения детей с наследственными заболеваниями после ЭКО. Есть группа болезней хромосомного импринтинга ― таких состояний, когда наши гены в своей активности помнят родительское происхождение, работают только с материнской или с отцовской хромосомой. Установление записи импринтинга как раз проходит в те процессы созревания половых клеток, культивирования эмбрионов, как раз в то окно времени, когда эмбрион находится в искусственных условиях.
Работы в этом направлении придерживаются двух альтернативных гипотез, почему это происходит: либо причина связана с эффектами манипуляции с эмбрионами в искусственных условиях, либо все дело в том, что семьи приходят на ЭКО не просто так, у них есть проблема. Природа ставит крест на воспроизводстве таких семей, а мы этот «крест» искусственно разрушаем, вынося на поверхность генетические наследственные варианты, блокирующие репродукцию в этих семьях. В некоторых случаях такие варианты как раз и оказываются связанными с импринтингом, с родительской памятью. И дети с болезнями геномного импринтинга появляются на свет после ЭКО не потому, что культивирование эмбрионов было совершено в каких-то неадекватных условиях, а потому, что мы нарушили программу развития ребенка, преодолели этот репродуктивный барьер.
― Как надо использовать эту информацию?
― Эти данные, конечно, могут поддерживать дискуссии о рисках таких технологий, но это и сигнал генетикам к тому, что прежде чем семья вступит на этот путь, надо провести анализ доступными технологиями: по какой причине семья столкнулась с репродуктивными проблемами? Если есть какой-то генетический фактор и мы знаем, что женщина ― носитель варианта, изменяющего запись родительской памяти в ее хромосомах, мы можем установить этот вариант на этапе тестирования яйцеклеток, эмбрионов, провести отбор эмбрионов без такого наследственного изменения, чтобы родился здоровый ребенок.
― Как вы думаете, эти эксперименты с природой не могут быть вредны для человечества как вида? Не делаем ли мы так, что человечество вырождается, приобретая все новые и новые генетические заболевания?
― Этот вопрос отсылает нас к классической популяционной генетике, которая говорит: чтобы изменить хоть как-то частоту варианта гена в популяции, потребуется несколько десятков, если не сотен, поколений. То, что происходит в горизонте нашей жизни, охватывающей жизнь двух-трех поколений, никаким образом не скажется на носительстве генных или хромосомных вариантов в популяции. Здесь совершенно другие временны́е рамки. А в рамках этих масштабов естественные мутационные процессы, действующие на человека как на биологический вид, могут совершить гораздо больше изменений, чем наше вмешательство.
― Как вы думаете, научится ли человечество со временем вылечивать все генетические заболевания?
― В отношении многих наследственных заболеваний, которые раньше считались неизлечимыми, в настоящее время совершен революционный прорыв, появились таргетные препараты, способные с рождения компенсировать развитие патологических процессов.
― Гемофилию фактически научились лечить.
― Да. Современные технологии позволяют начать лечение даже внутриутробно, если у плода во время беременности найдено отклонение. В нашей стране с этого года мы перешли на расширенный скрининг всех новорожденных: каждый родившийся ребенок тестируется на 36 наследственных заболеваний. Одним из критериев выбора заболеваний для тестирования была возможность их лечения. С момента рождения, установления диагноза ребенок может получить и получает адекватную терапию, в том числе и с генно-терапевтическими свойствами.
Сегодня мы знаем о мутациях примерно в 6,7 тыс. генов, связанных с заболеваниями у человека. В нашем геноме 19 969 генов, то есть у трети из них есть мутации, связанные с наследственными заболеваниями. Это колоссальное поле, чтобы какие-то технологии генно-терапевтического вмешательства вошли в практику. Но это тоже требует времени.
В наши дни мы видим, что наличие болезни уже перестает быть приговором. Да, пожизненная терапия, стоимость ее для общества измеряется огромными суммами, но мы готовы за это платить. И есть технологии снижения генетического риска, профилактики, с чего мы начали наш разговор. От диагноза мы переходим к анализу механизма происхождения, возникновения этого изменения, тестированию родителей, родственников ― например, тестирование здоровых братьев-сестер этого больного ребенка, которые тоже могут быть носителями этого варианта. Пройдет 20–25 лет, и они столкнутся с тем же самым репродуктивным выбором.
― И все же со временем не останется таких генетических болезней, которые не научатся лечить? Или они будут всегда? Вот, например, синдром Дауна ― его вылечат?
― Лет десять назад были разработки препарата (галлат эпигаллокатехина ― полифенол, содержащийся в экстракте зеленого чая), который успешно компенсировал повышенную активность одного из генов тирозинкиназы, находящегося на 21-й хромосоме, в культурах нейронов с трисомией 21. Однако он не прошел успешно все фазы клинических испытаний, не доказал свою эффективность.
Очень сложная проблема, когда мы сталкиваемся с крупными хромосомными изменениями в нашем геноме, затрагивающем десятки и сотни генов. Расшифровка патогенеза этих заболеваний находится в самом начале пути. Прошло более 60 лет с тех пор, как в 1956 г. мы узнали, что в нашем хромосомном наборе 46 хромосом. Мы научились готовить хромосомные препараты, проводить диагностику хромосомных заболеваний. Сейчас с помощью новых молекулярно-генетических и клеточных технологий мы только-только начинаем копить информацию о том, как изменчивость хромосом влияет на развитие организма человека.
― Чем же это все закончится?
― Сложно сказать. Проблема не только в наличии хромосомного дефекта. Проблема в том, что каждая клетка организма больного ребенка несет это изменение — и компенсировать дефекты, особенно в клетках нервной системы, достаточно сложно. В настоящее время готового решения мы не имеем, но существуют эффективные технологии диагностики и профилактики наследственных заболеваний, которые современная медицина может и готова предложить семьям, сталкивающимся с подобными ситуациями: технологии пренатального скрининга, неонатального скрининга новорожденных. Это реальное профилактическое средство современной медицинской генетики, позволяющее семьям избежать столкновения с таким тяжелым недугом.
Наверное, достижение полного излечения всех болезней вряд ли гарантировано человечеству, но двигаться по пути понимания природы этих заболеваний, разработки возможных технологий терапии, основанных на знании природы этих болезней, ― это тот путь, по которому есть движение в мировой науке, с практическими результатами. Технологии и лекарственные препараты, компенсирующие генетические дефекты, ― сегодня уже реальность.
― Генетические заболевания ― это ошибка эволюции или регулирование численности вида, его эволюционных возможностей?
― Это сложный, но естественный биологический процесс, без которого невозможна жизнь на планете, невозможна адаптация, появление новых форм. В некоторых случаях появляющиеся новые варианты дают лучшие биологические возможности.
― Например?
― В ходе эволюции крупные ароморфозы выводили виды на новые уровни развития. Естественно, есть и мутационный процесс, ведущий к снижению способностей, возможности стать родителями. Природа контролирует наше здоровье этими механизмами, связанными с нарушениями репродукции, с бесплодием, с невынашиванием беременности, не дает возможности принести в популяции тяжелое наследственное заболевание.
― Природа контролирует эти процессы, а мы пытаемся контролировать природу?
― Пытаемся понять закономерности. Эволюционный и мутационный процессы в живой системе неизбежны. Это нужно признать. В компетенции современной науки ― если не контролировать этот процесс, то минимизировать его эффект, обеспечить рождение здорового ребенка.
― Эти ваши проекты поддержаны грантами РНФ?
― Разработка технологии преимплантационной диагностики ― одна из логических задач гранта РНФ по генетическим исследованиям, связанного с идентификацией новых форм умственной отсталости, с моделированием эффектов хромосомных нарушений на клеточных культурах. А в целом реализация задач института по развитию преимплантационного генетического тестирования поддерживается разными источниками финансирования, в том числе мы имеем госзадание на фундаментальные и прикладные исследования в этой области. Тест-системы, создающиеся нашими специалистами, доступны семьям, в том числе и на бюджетной основе. Мы понимаем, что за каждой семейной парой стоит уникально сложная комбинация генетических вариантов, с которыми мы помогаем разобраться и в конечном счете сделать эту семью счастливыми родителями.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
