Современная генетика позволяет искать причины наследственных заболеваний с невиданной прежде точностью. Но даже полное секвенирование генома далеко не всегда приводит к диагнозу: мешают неполнота баз данных, сложность интерпретации и недостаточное знание генетического разнообразия человечества. В нашем интервью Константин Северинов объясняет, с чего начинается поиск генетической причины болезни, что такое secondary findings и почему для точной диагностики важно учитывать происхождение человека и особенности популяции. — С чего начинается поиск причины генетического заболевания? — На самом деле обычно начинают не с генома. Медицинская генетика существовала задолго до того, как люди научились определять геномные последовательности. Сначала, как правило, изучают семейную историю, пытаясь выяснить, является ли болезнь наследственной и, если да, как она наследуется. Чем больше семья и чем больше поколений, в которых можно проследить появление заболевших, тем проще понять, что именно происходит. Бывают семейные случаи, в которых генетики нет: заболевание может чаще встречаться в какой-то семье, чем в целом по популяции, но не быть наследственным. Например, как в случае с алкоголизмом: если человек растет в среде, где избыточное потребление алкогольных напитков воспринимаются как норма, велика вероятность, что он тоже усвоит эту привычку. Но это не значит, что причина в генах. В случае генетических заболеваний врачи-генетики могут по семейной истории определить характер наследования на основании простых законов менделевской генетики, которые все мы проходили в школе. Основные типы наследования: аутосомно-доминантное, аутосомно-рецессивное, а также наследование, сцепленное с полом. Кроме анализа наследования, при выявлении генов, ответственных за заболевание, ориентируются на клиническую картину, потому что для многих генетических заболеваний есть хорошо описанные клинические симптомы. Если картина полностью совпадает с ранее описанной картиной известного генетического заболевания, то, вероятно, вы имеете дело с уткой, потому что она крякает, плавает и ходит как утка. Хотя часто это все-таки оказывается не утка: совпадающая клиника есть, а генетического соответствия с прецедентом — нет. Если у больного есть подозрение на наследственное генетическое заболевание (такого больного называют пробандом), от него получают образец биологического материала, как правило, крови, и проводят генетический анализ. Очень полезно получить материал и от родителей пробанда, и от сиблингов — братьев и сестер, если они есть. Из полученного биоматериала выделается ДНК и определяется (секвенируется) ее последовательность. Наш геном очень большой — около 6 миллиардов букв ДНК. Геномы разных людей на 99,9% идентичны друг другу. Но оставшиеся 0,1% дают несколько миллионов различий, разбросанных по всему геному. Некоторые из этих различий (их меньшинство) изменяют последовательности генов так, что изменяется белок, который кодируется данным геном. В результате белок начинает работать неправильно, и возникает то или иное заболевание — например, муковисцидоз. Анализ генетического материала пациента может быть разной глубины. Это может быть полное секвенирование генома — самое дорогое и наиболее всеобъемлющее исследование, при котором определяется вся генетическая информация человека. Это может быть экзом, определение части генома, где расположены гены, кодирующие белки. Эта часть составляет около 1,5% всего генома. Это может быть панельное исследование, когда вместо всего набора из примерно 20 тысяч генов человека анализируют лишь небольшую группу генов, связанных с конкретным заболеванием. Например, при наследственных онкологических заболеваниях используют так называемые онкопанели, потому что ученые и медики знают несколько сот генов, мутации в которых могут приводить к предрасположенности к раку. В этом случае вы немного похожи на человека, который ищет потерянный ключ под фонарем. Независимо от того, что вы сделали — панель, экзом или геном, — дальше нужно интерпретировать полученные данные, чтобы найти молекулярную причину заболевания. Это делается путем сравнения генома пациента с крупными международными базами данных, которые создавались на протяжении последних десятилетий. В этих базах содержатся миллионы генетических изменений (их называют «генетические варианты», чтобы не употреблять обидное слово «мутации»), которые встречаются в ранее определенных геномах различных людей, и здоровых, и больных. Фактически вы проверяете, нет ли у пробанда — с учетом его клинической картины — генетического варианта в уже известном гене, связанном с данным заболеванием, и описанным в базе данных. Таким образом, путем сопоставления генетической информации конкретного человека с известными симптомами с данными других людей из международных баз решается довольно простая в логике, но сложная на практике задача. Если у человека есть генетический вариант, который уже описан как патогенный, то есть вызывающий болезнь, врач-генетик может вынести на основании этой находки молекулярный диагноз. Но, к сожалению, так бывает далеко не всегда. Даже в очень хорошей ситуации лишь у 50% пациентов с подозрением на генетическое заболевание удается найти ранее описанный вариант, связанный с наблюдаемым набором симптомов. Оставшиеся пациенты остаются без диагноза, ведь в их ДНК не найдено известных патогенных вариантов. Это происходит потому, что наши знания о генетическом разнообразии человечества очень неполны. На Земле живет около 8 миллиардов человек, из них примерно 300 миллионов, то есть около 4%, имеют генетические заболевания. А геномная информация есть в лучшем случае для нескольких десятков миллионов человек. Поэтому мы вполне можем столкнуться с человеком, у которого есть генетический вариант, вызывающий заболевание, но этот вариант нигде не описан. В таком случае поставить диагноз невозможно, ведь у каждого человека есть огромное количество вариантов, которые определяют его генетическую индивидуальность, а какой именно из этих вариантов (или их комбинация) ответственны за развитие болезни, определить очень сложно. Бывают относительно простые случаи. Например, если генетический вариант в начале кодирующей последовательности гена приводит к появлению стоп-сигнала для синтеза белка, белок просто не будет синтезирован. Если такой вариант обнаруживается в гене, про который уже известно, что он связан с заболеванием, которое мы наблюдаем у пациента, то с высокой вероятностью он и есть причина заболевания, несмотря на то, что ранее его еще никто не обнаруживал. Увы, огромное количество мутаций нарушают функцию белка по каким-то более сложным механизмам. В этом случае, без дополнительных доказательств, полученных методами молекулярной биологии и биохимии, вынести окончательное заключение невозможно. Такие мутации считаются вариантами неопределенного значения — VUS, variant of uncertain significance. Мы не можем уверенно сказать (по крайней мере пока), вызывает они болезнь или нет. Пациент остается без диагноза. При анализе таких вариантов очень помогает наличие генетической информации родителей и сиблингов. Каждый из нас получает половину генетических вариантов отца и половину вариантов матери. Если мы видим у пробанда ранее не описанный вариант и подозреваем, что он может быть связан с болезнью, полезно посмотреть на геномы родителей, братьев и сестер. Если они здоровы, а генетический вариант у них такой же, как у пробанда, то мы можем исключить этот вариант из списка вероятных причин заболевания. Разумеется, все это делается не вручную. Используются специальные компьютерные программы, которые помогают интерпретаторам извлекать смысл из геномных данных. — Могут ли большие базы данных вводить в заблуждение — например, если в них плохо представлены отдельные популяции? — Проблема как раз в том, что большие базы недостаточно большие. Ситуация дополнительно усложняется тем, что человечество не однородно. Все мы потомки своих родителей, а те — потомки своих родителей, и так далее. Хотя мы не знаем своих далеких предков, если бы не существовал хотя бы один из них, нас бы не было. Все, что попало в наш геном, оказалось там в результате скрещивания разных поколений наших предков. Происхождение часто отражает вполне реальные, видимые глазом особенности. Люди, которых в быту относят к одной этнической группе, нередко имеют сходные внешние черты (бьют, как известно, не по паспорту, а по морде). В конечном счете это связано с тем, что люди, живущие на одной территории и принадлежащие к одному этносу, часто могут рассматриваться как популяция. Этим термином обозначают группу существ одного вида, свободно скрещивающихся друг с другом и живущих достаточно долгое время на одной территории. Если какая-то современная людская популяция происходит от сравнительно небольшого числа предков-основателей, живших, например, тысячу лет назад, то люди из этой популяции более родственны друг другу, чем людям из другой популяции. Формирование популяций из относительно небольшого числа основателей характерно для горных регионов, например Северного Кавказа с его большим разнообразием языков и этнических групп. Другой вариант — Крайний Север, где огромные расстояния и суровые условия приводят к изоляции популяций. Многие генетические варианты, которые были у основателей, продолжают циркулировать внутри популяции, особенно если она по культурным, религиозным или географическим причинам мало смешивалась с другими. В итоге в таких популяциях возникает характерный для них набор генетических вариантов. Крупные базы генетических данных позволяют оценивать частоты генетических вариантов. Частота варианта - чрезвычайно важный параметр. Если вариант встречается часто, он, скорее всего, не вызывает тяжелую наследственную болезнь просто потому, что большинство людей здоровы. Редкий вариант в принципе может быть патогенным, но его редкость может быть кажущаяся, например, характерная только для какой-то конкретной популяции. Этот же вариант может вполне оказаться частым в какой-то другой популяции. Все это приводит к тому, что данные, полученные по частотам генетических вариантов, полученные на одной группе людей, не всегда напрямую переносятся на другую. Современные базы генетических данных в основном содержат информацию западноевропейцев или североамериканцев просто потому, что именно в их странах геномика активно развивалась. Но информация о многих других народах там недопредставлена или вообще отсутствует. Это приводит к ряду проблем, например, при диагностическом тестировании на предрасположенности к заболеваниям. Геномика по-прежнему остается дорогой областью, и если вы хотите создать, например, тест для оценки риска рака молочной железы или яичников, то обычно делаете доступный, компактный набор, который выявляет известные и наиболее часто встречающиеся патогенные варианты. Такие наборы, как правило, разрабатываются в странах, где есть большие базы данных, то есть прежде всего в США и Западной Европе. Но потом такие панели начинают импортировать, копировать и предлагать пациентам в других странах. И возникает реальная опасность: женщина может пройти тестирование и получить отрицательный результат не потому, что у нее нет риска, а потому, что значимый для ее популяции вариант просто не входит в ту панель, по которой ее проверяли. На самом деле, даже внутри одной страны различия частот патогенных вариантов могут быть очень существенными. Например, частоты вариантов, предрасполагающих к раку молочной железы, у славянок и татарок заметно различаются. И это обязательно нужно учитывать при тестировании для определения генетических рисков. — Что такое secondary findings, и какой пробел в данных закрывает ваше исследование? — Secondary findings, или «случайные находки», — это термин, который вошел в оборот благодаря развитию популяционной, а затем коммерческой генетики. Под последней я имею в виду ситуацию, когда человек решает пройти генетическое исследование не потому, что он болен, не потому, что у него есть семейная история заболевания, и не потому, что его направил на это исследование врач, а просто из любопытства, интереса к собственной персоне и наличия достаточных средств. Такие люди получают красивый отчет, в котором обычно есть три части. Первая — происхождение, то есть попытка описать этнический состав предков. На мой взгляд, это в значительной степени бессмысленная вещь, но людям нравится. Вторая — развлекательная: таланты, спортивные способности, уровень интеллекта, склонность к определенному питанию и так далее. Смысла в этом нет никакого, и, по большому счету, все сводится к крайне общим рекомендациям по выбору спортивной секции или здоровому образу жизни. Третья часть — медицинская. Она полезная, хотя информацию, которую вы можете там обнаружить, вряд ли можно отнести к приятной. Под secondary findings понимают ограниченное число генетических вариантов, относительно которых у медицинского сообщества есть консенсус: они действительно повышают риск заболевания. Речь в основном идет о наследственном раке, наследственных сердечно-сосудистых заболеваниях и некоторых метаболических нарушениях. Важно и то, что для таких вариантов существуют клинические рекомендации: если следовать им, риск можно в значительной степени снизить. При этом речь идет не о советах в духе «вести здоровый образ жизни», а о вполне конкретных медицинских процедурах. Например, при синдроме Линча человеку показана ежегодная колоноскопия уже с 20–25 лет, потому что риск образования полипов и опухолей у него значительно чем у остальных. Именно такого рода варианты и относят к secondary findings. Считается, что их этично сообщать в рамках проведения геномных исследований здоровых людей. А вот другие находки — например, те, для которых связь с заболеванием пока недостаточно доказана или для которых неизвестны способы снижения риска развития заболеваний, — выдавать не следует. Количество вариантов, относимых к secondary findings, с каждым годом увеличивается, потому что наука развивается: мы все больше узнаем и о реальных причинных вариантах, и о том, как можно снизить связанный с ними риск. Крупные геномные проекты позволяют с высокой точностью оценивать частоты вторичных находок в различных популяционных сегментах жителей какой-то страны или нескольких стран. Обычно это проекты основаны на участии волонтеров: люди добровольно предоставляют свой биологический материал для формирования базы. Когда геномы определены и база создана, можно анализировать множество параметров, в том числе и распространенность secondary findings среди здорового населения. По данным разных стран, включая Россию, около 3% людей имеют вторичные находки. В случае России это значит, что около 2 миллионов людей находятся в группе риска по наследственному раку, еще около полутора миллионов — в группе риска по наследственным сердечно-сосудистым заболеваниям. Если у человека есть вторичная находка, то, скорее всего, она пришла к нему от одного из родителей. Значит, им тоже стоит провериться. С вероятностью 50% такой же вариант может быть у брата или сестры. И с вероятностью 50% человек передаст его своим детям. То есть вокруг вторичной находки у одного человека возникает целый семейный куст, который, конечно, хотелось бы отслеживать. Дальше возникает практический вопрос: что с этим делать, как помочь людям. Ведь риск заболевания — это еще не болезнь. Если такой человек сегодня придет к обычному врачу и скажет, что у него выявлен высокий риск заболевания, то врач не будет знать, что с этим делать: пациент ведь еще не болен. Поэтому человеку со вторичной находкой скорее всего придется самому оплачивать медицинские услуги, снижающие его персональные риски. — Некоторые варианты чаще встречаются у русских, у татар и так далее. Казалось бы, одна страна — почему так важно учитывать эту специфику? — Потому что одна страна — это не одна популяция. В России живет около 200 народов, количество популяций значительно больше. Да, многие люди сегодня смешанного происхождения, и в наши родословные действительно внесли вклад разные группы. Но еще три поколения назад большинство людей жили там, где жили их предки, и перемешивание между группами было гораздо меньшим. Поэтому исторический след на уровне различающихся частот генетических вариантов сохраняется. Я уже упомянул, что по многим secondary findings частоты у татар и у восточных славян — я условно объединяю сюда русских, украинцев, белорусов и поляков — различаются. Мы видим характерные варианты и у других групп. У башкир, у татар, у бурят - свои особенности. Это не значит, что каждый человек в такой группе обязательно несет соответствующий вариант. Речь именно о частотах: они выше или ниже в зависимости от происхождения. Иногда различия оказываются очень значительными. И это касается не только вторичных находок, но и вариантов, которые приводят к рецессивным заболеваниям, многие из которых очень тяжелые и проявляются в раннем детстве. Здесь болезнь возникает только в том случае, если ребенок получает две поврежденные копии гена — одну от матери и одну от отца. Сами родители при этом являются здоровыми носителями: у человека, как правило, есть две копии каждого гена, и одна нормальная копия компенсирует дефектную. Если оба родителя — носители одного и того же патогенного варианта (или, точнее, патогенных вариантов в одном и том же гене), то, по законам Менделя, статистически каждый четвертый ребенок получит две дефектные копии и окажется больным. В стране ежегодно рождаются десятки тысяч детей с такими орфанными, то есть редкими, генетическими заболеваниями. Чтобы предотвращать рождение детей с такими болезнями, можно проводить преконцепционное тестирование — проверять родителей еще до зачатия на наличие совпадающих патогенных вариантов и информировать их о возможных рисках и предоставлять возможность делать ЭКО с последующим отбором здоровых эмбрионов. Частоты носительства разных рецессивных заболеваний могут очень сильно различаться у разных народов. Например, у одного из народов Северного Кавказа очень высокая частота носительства рецессивной мутации, вызывающей крайне тяжелое заболевание — синдром Роджерса. Это заболевание крайне редкое — во всем мире было известно около 110 случаев этой болезни, а в России не было ни одного официально описанного случая. Очевидно, что оно просто не диагностировалось. Нам удалось обнаружить целый кластер таких пациентов, все они одной национальности. Если представить себе «светлое генетическое будущее», то необходимы репрезентативные выборки не только для всех народов какой-то одной страны, но для населения всего земного шара. Только так можно будет установить характерные для разных популяций частоты патогенных вариантов и предложить адекватные способы их профилактики и диагностики. Собственно, в эту сторону наука уже и движется. Первый геном человека был завершен 25 лет назад в рамках Human Genome Project. Сейчас обсуждается HGP2.0: определение геномов 1% населения Земли, то есть 80 миллионов человек. Причем предполагается сделать это так, чтобы были представлены, пропорционально с численностью своего населения и этнического состава, и бедные страны Африки с их огромным генетическим разнообразием, и Латинская Америка, и Юго-Восточная Азия, и все остальные регионы мира. Очевидно, что в ходе реализации такого проекта будут созданы национальные или региональные базы. Но важно, чтобы они могли «разговаривать» друг с другом, чтобы ученые получали доступ к данным, необходимым для понимания генетического разнообразия всего человечества, а значит — и причин наследственных заболеваний. Разумеется, при этом должны быть соблюдены требования безопасности, конфиденциальности и персональных прав. Реализация такого проекта позволит помочь тем пациентам, у которых, по всем признакам, есть наследственное заболевание, но которые сегодня остаются без диагноза.
Современная генетика позволяет искать причины наследственных заболеваний с невиданной прежде точностью. Но даже полное секвенирование генома далеко не всегда приводит к диагнозу: мешают неполнота баз данных, сложность интерпретации и недостаточное знание генетического разнообразия человечества. В нашем интервью Константин Северинов объясняет, с чего начинается поиск генетической причины болезни, что такое secondary findings и почему для точной диагностики важно учитывать происхождение человека и особенности популяции. — С чего начинается поиск причины генетического заболевания? — На самом деле обычно начинают не с генома. Медицинская генетика существовала задолго до того, как люди научились определять геномные последовательности. Сначала, как правило, изучают семейную историю, пытаясь выяснить, является ли болезнь наследственной и, если да, как она наследуется. Чем больше семья и чем больше поколений, в которых можно проследить появление заболевших, тем проще понять, что именно происхо