Работая над организацией эксперимента Twin Study, я поинтересовался в NASA, возможно ли доставить на МКС нанопоровый секвенатор, и они посоветовали мне поговорить об этом с доктором Аароном Бертоном и Сарой Кастро-Уоллес. Оказывается, они уже начали продумывать нечто подобное, поэтому мы объединили усилия для разработки эксперимента «Секвенатор биомолекул» (BSeq) при участии Кейт Рубинс и Чарльза Чу.
Итак, мы взялись за планирование. Для начала нужно было найти ответ на простой, но важный вопрос: станет ли секвенатор вообще действовать в невесомости? Что будет, если мы доставим его на орбиту, а он там не заработает? Что, если по каким-то причинам секвенатор станет работать в невесомости иначе, чем при нормальном тяготении на Земле? К счастью, мы смогли воспользоваться авиатренажером, прозванным астронавтами «рвотная комета», на котором NASA тестирует процессы работы в невесомости.
На одной из телеконференций, доктор Энди Файнберг упомянул, что как раз собирается поработать на «Комете». Ему нужно было выяснить, станут ли функционировать в невесомости новые пипетки с положительным вытеснением. Когда он спросил, нет ли у кого идей по проведению других экспериментов, я тут же ответил «да!». Представился замечательный шанс протестировать секвенатор в невесомости. Нам оперативно доставили все принадлежности, мы погрузились в самолет и с головой ушли в космические эксперименты. Когда Энди взялся за дело, по всему самолету стали летать пробирки, но он умудрился сохранить самообладание, перенес образцы и убедился, что пипетки работают. В конце концов он сумел заправить маленький секвенатор, и в 2015 г. мы вместе впервые продемонстрировали, что секвенировать геном в невесомости действительно реально.
Далее предстояла работа на МКС. Доктор Кейт Рубинс, входившая в команду BSeq, опытный вирусолог, ранее руководившая собственной лабораторией и многократно выполнявшая секвенирование самостоятельно, стала астронавтом, отобранным для следующего полета в космос. Это оказалось как нельзя кстати. Она благополучно прибыла на МКС в августе 2016 г. NASA снаряжало грузовой корабль для пополнения запасов, необходимых экипажу станции. Мы скоординировались и привлекли к анализу специалистов из Хьюстона, Нью-Йорка и Калифорнийского университета в Сан-Франциско, чтобы контролировать в реальном времени работу на МКС. Эксперимент прошел безупречно, и ДНК человека впервые в истории была секвенирована за пределами Земли. Так на наших глазах началась эра космической геномики. По результатам исследований мы опубликовали первые геномные и эпигеномные данные, полученные с участием коллег из миссии BSeq и других ученых.
В эту новую эру космической геномики будущие астронавты будут полагаться только на себя, что принципиально важно для людей, оказавшихся на другой планете. Если они столкнутся с неизвестными или острыми медицинскими проблемами, например с микробами, невосприимчивыми к антибиотикам, то смогут секвенировать их, определить, что они собой представляют, и понять, как действовать в сложившейся ситуации. Кроме того, как уже говорилось, методы мониторинга на основе секвенирования геномов позволят на ранней стадии выявлять многие заболевания.
Все рассмотренные выше биологические уровни – от регуляции эпигенома, определяющей, какие гены транскрибируются в РНК, до регуляции эпитранскриптома, контролирующей обработку этих РНК и их трансляцию в белок, вплоть до дополнительной модификации белков и взаимодействия всех этих молекул – составляют «молекулярное тело». В совокупности эти элементы требуют фундаментального пересмотра наших представлений о человеческом организме. Так как же выявлять проблемы, возникающие в столь сложной системе? Для этого нам пригодится внеклеточная ДНК.
Множество мелких фрагментов ДНК постоянно выбрасывается из клеток (намеренно либо при гибели клетки) и циркулирует по организму в кровотоке. У здорового человека внеклеточная ДНК поступает в кровь в основном в результате гибели нормальных клеток, особенно кровяных телец. Отмечу, что всего из одного миллилитра плазмы можно выделить столько внеклеточной ДНК, что ее хватит на сборку от 1000 до 10 000 полных копий вашего генома. Он будет состоять как из хромосомной, так и из митохондриальной ДНК, а вместе с этим материалом мы подхватим фрагменты вирусных, бактериальных и грибковых геномов. С учетом, что внеклеточная ДНК – это, в сущности, «мусорный профиль» нашего организма, просеивание этого мусора помогает понять, что происходит на «молекулярном балу» у нас в теле, от чего избавляются клетки. Например, если вы нашли в мусорном контейнере кучу пивных банок или винных бутылок, это означает, что в доме неподалеку всю ночь кутили. Относительное содержание внеклеточной ДНК и те источники, из которых поступают эти фрагменты, можно отслеживать – и тогда перед нами открывается очень информативное окно для изучения физиологии человека. В 2010-е гг. практическое применение таких анализов быстро расширилось. Они пригодились в пренатальной диагностике, диагностике рака, мониторинге инфекций, отторжения тканей и иммуносуппрессии после пересадки органов. Секвенирование внеклеточной ДНК и РНК из кровотока (также именуемых внеклеточными нуклеиновыми кислотами) показало, что оно позволяет выполнить «полное молекулярное сканирование организма».
Выбор в качестве объекта исследования внеклеточной ДНК позволил разработать новые предиктивные методы, основанные на простом взятии крови. Во-первых, поскольку у раковых клеток нередко есть мутации, отличающие их от здоровых клеток, повышенное содержание таких мутаций во внеклеточной ДНК указывает на развитие рака иногда еще до появления симптомов у пациента. Эта концепция фундаментально изменила подход к раннему обнаружению рака. В частности, появились мультитесты на несколько видов рака по внеклеточной ДНК (например, по методу GRAIL), а также анализы кала по обнаружению рака толстой кишки (например, анализ Cologuard, разработанный компанией Exact Sciences). Во-вторых, пациент, которому пересаживается орган, получает очень много клеток от другого человека, и эти аллели (разновидности гена) можно отслеживать у реципиента, если орган отторгается или разрушается. В исследовании от 2014 г., проведенном Стивеном Куэйком и Ивийном де Вламинком, удачность пересадки сердца определялась по отсутствию ДНК донора в плазме крови реципиента. Кроме того, внеклеточная ДНК изменила представления о мониторинге пациентов с сепсисом, перенесших трансплантацию почек или страдающих болезнями, при которых в кровотоке в изобилии обнаруживается чужеродная (микробная) ДНК.
Как говорилось в главе 1, уровень митохондриальной ДНК (мтДНК) в крови повышается у людей, выступающих перед большой аудиторией. Похожие результаты были получены и в других тестах, когда проверялся уровень митохондриальной ДНК в крови у людей во время стресса. В исследовании, проведенном Линдквистом с коллегами, оценивались уровни митохондриальной ДНК в крови у людей, незадолго до того пытавшихся покончить жизнь самоубийством. Содержание мтДНК у них было повышенным, и этот результат не зависит от выбранного способа сведения счетов с жизнью (передозировка наркотиков, повешение, перерезание вен и даже сочетание этих вариантов). Действительно, особенности митохондриальной ДНК фиксировались даже в исследовании с участием братьев Келли. У Скотта Келли в течение первой недели, проведенной в космосе, а также вновь ближе к концу экспедиции значительно возрастало содержание мтДНК в крови. Это указывает на серьезный иммунный стресс, вызванный облучением во время космического полета, перераспределением биологических жидкостей и переменой окружающей среды. По всплескам мтДНК также можно судить о здоровье тех, кому еще предстоит лететь в космос.
Если помнить концепции метагенома и холобионта, становится ясно, что такой мониторинг должен показывать и показывает молекулярные изменения для всех видов, а не только для человека. Так, в рамках исследования, проведенного в лаборатории де Вламинка Корнеллского университета, выяснилось, что секвенирование внеклеточной ДНК из мочи пациентов, страдающих болезнями мочеполовой системы, позволяет выявить не только тип инфекции, но и ее возбудителей. Далее, обрабатывая внеклеточную ДНК бисульфитом, можно выявить эпигенез ее происхождения и определить, какой именно орган в теле инфицирован. Все дело в дифференциальной регуляции клеток в эпигеноме в зависимости от их типа, как говорилось выше. Это дает простой неинвазивный метод выявления вялотекущих инфекций, а также средство, позволяющее оценить степень поражения тканей и клеток в масштабах всего организма. У каждого фрагмента ДНК есть собственная эпигенетическая история происхождения, нужно только научиться ее читать.
Диагностика в космосе
Со временем точность персонализированной медицины возросла, в особенности с притоком данных о различных состояниях, связанных с разитием той или иной болезни, и об уровнях молекулярной регуляции. Поэтому мы научились лучше лечить и выявлять рак, инфекционные и наследственные заболевания. Как показано выше на примере с доктором Рубинс, сегодня эти возможности выходят за пределы Земли и делают реальным непрерывный генетический мониторинг астронавтов в космосе. Аналогичным образом алгоритмы машинного обучения, получившие разительное развитие в последние годы на Земле, сыграют в будущем важную роль и в космической диагностике. Отметим, в частности, алгоритмы сегментирования изображений, помогающие диагностировать рак молочной железы, обеспечивающие стратификацию пациентов по группам риска на основе анализа гистологических срезов и идентификацию эмбрионов, имеющих наилучшие шансы прижиться в матке (исследование доктора Имана Хаджирасулихи и Оливье Элементо), а также позволяющие прогнозировать токсичность препарата до того, как будут потрачены время и деньги на его клинические исследования. Кроме того, благодаря большим данным в медицине удалось впервые опробовать новые методы, связанные с использованием электронных медицинских карт и носимых устройств для предсказания развития состояния пациента. Репозиторий больших данных по астронавтам пока еще не создан, но он необходим для прогнозирования рисков и определения способов реагирования на них еще до того, как они покинут Землю.