Эволюция тестов ДНК: от криминалистики к домашним наборам
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это длинная и сложная молекула, упакованная внутри ядра клетки. В ней закодирована информация о том, какие белки и в каком количестве нужно производить, чтобы в организме поддерживались все функции: пищеварение, кровообращение, иммунитет и другие. Этот набор информации передается из поколения в поколение. Гены (участки молекулы ДНК) определяют самые разные особенности человека: группу крови, цвет глаз и прочие признаки.
Впервые идентифицировали ДНК еще в 1860-х годах. Сделал это швейцарский химик Фридрих Мишер, но только в 1953 году биолог Джеймс Уотсон и физик Фрэнсис Крик выяснили, что эта макромолекула представляет собой трехмерную двойную спираль. После этого исследования начали ускоряться, и к 1980-м годам лаборатории уже использовали ДНК для установления отцовства.
ДНК-дактилоскопия: поиск преступников
В 1984 году британский генетик Алек Джеффрис обнаружил, что цепочки ДНК разных людей имеют уникальные последовательности нуклеотидов, которые никогда не повторяются. Их расшифровка позволяет составить ДНК-профиль, или «генетический паспорт», для идентификации личности. Так появился метод ДНК-дактилоскопии, который позволил определить личность человека по его волосу, слюне, частице кожи, капельке крови, кости или зубу.
Изначально этот метод нашел применение в криминалистике и при установлении родства британских иммигрантов с местными жителями.
Уже в конце 1980-х он позволил раскрыть дело об изнасиловании и убийстве двух девочек в ноябре 1983-го и в июле 1986 года. Кроме того, в 1992 году Джеффрису удалось идентифицировать эксгумированные останки нацистского врача Йозефа Менгеле, бежавшего из Германии после окончания Второй мировой войны и умершего в Бразилии в 1979 году.
В настоящее время метод ДНК-дактилоскопии широко применяется криминалистами в США, Канаде, Великобритании, Японии, России, Китае и многих других странах. Некоторые из них создали обширные базы ДНК-профилей, а также сотрудничают с частными организациями, чьи клиенты соглашаются передавать данные в общие хранилища. Это позволяет раскрывать даже те преступления, которые были совершены 50 и более лет назад, если сохранились частички ДНК правонарушителей. Так, ФБР использует Комбинированную систему индексации ДНК (CODIS). Она задействует компьютерные технологии для сравнения профилей ДНК в базе с теми, которые восстановили из улик с места преступления.
Благодаря новейшим технологиям искусственного интеллекта по образцу ДНК можно восстановить внешность человека. Такой метод недавно применили американские полицейские, чтобы попытаться раскрыть преступление более чем 30-летней давности.
ПЦР-тесты: установление отцовства и клонирование генов
Хотя метод Джеффриса обеспечивал высокую степень идентификации, он требовал очень много времени и не менее 10–25 нг ДНК в биоматериале. Однако после появления ДНК-дактилоскопии начали быстро развиваться другие методы тестирования. Уже в 1985 году американский биохимик Кэри Маллис открыл технологию полимеразной цепной реакции (ПЦР). Она позволяет в контролируемых условиях многократно реплицировать исследуемые молекулы ДНК, чтобы увеличить их количество и упростить анализ.
Это достижение заложило основу того, что тестирование ДНК вышло за рамки криминалистики. Так, метод ПЦР широко стали применять в биологии и медицине, например для диагностики заболеваний, установления отцовства, клонирования генов, выделения новых генов и так далее.
SNP-тесты: выявление мутаций в генах
В начале 2000-х годов ученые представили метод SNP. Он позволяет выявлять вариацию генома, которая появляется у отдельных людей из-за отсутствия, добавления или изменения его элементарной единицы — нуклеотида. SNP-тесты начали использовать в качестве генетических маркеров для различных целей, в том числе для выявления предрасположенности к генетическим заболеваниям. Так, обнаружение дефектного гена позволяет идентифицировать генетические факторы, способствующие развитию такого заболевания, как рак молочной железы.
Секвенирование: полная расшифровка ДНК и предсказание лечения
Очень важным этапом развития в молекулярной генетике стало открытие методов секвенирования, или определения последовательности ДНК. Первый такой метод открыл английский биохимик Фредерик Сенгер в 1977 году, за что впоследствии получил Нобелевскую премию по химии. «Метод по Сенгеру» предусматривает секвенирование путем обрыва цепи ДНК, чтобы затем прочесть нуклеотидную последовательность.
Это достижение, а также разработка более продвинутых методов секвенирования позволили ученым расшифровать весь генетический код человека. Проект «Геном человека» стартовал еще в 1990 году, а завершился в 2022-м, когда исследователям удалось расшифровать последние 8% генома. Это позволило им изучить, как был устроен человеческий геном и все 46 его хромосом.
Теперь, когда ученые получили полное представление о генетических вариациях, они могут применять свои знания в медицинской генетике, а также в фармакогенетике. Эта наука использует генетическую информацию для предсказания лекарственной эффективности и токсичности. Кроме того, она позволяет спрогнозировать чувствительность отдельного человека к препаратам. Ученые применяют наработки из фармакогенетики, чтобы исследовать вопросы старения, развития нейродегенеративных заболеваний, рака и болезней сердца.
Доктор биологических наук, директор Института биохимии и генетики Уфимского федерального исследовательского центра РАН Эльза Хуснутдинова отмечает, что ДНК-тестирование позволяет еще до начала терапии предсказывать, какие препараты и в какой дозировке будут наиболее эффективными. Это возможно благодаря тому, что исследователи изучают генетические вариации белков, взаимодействующих с лекарством. По словам эксперта, в настоящее время уже появляются руководства по проведению таких тестирований.
«Значительные успехи достигнуты в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе в прогнозировании эффектов двух препаратов — клопидогрела и варфарина. Фармакогенетические тесты применяются и при лечении психиатрических и инфекционных заболеваний», — говорит Эльза Хуснутдинова.
Со своей стороны врач-терапевт и руководитель направления телемедицины MedTech-сервиса Budu Евгений Алешечкин уточняет: «Сейчас фармакогенетика позволяет лучше понимать, какой препарат следует выбрать при той или иной форме заболевания, связанного с мутациями. Также мы гораздо глубже понимаем разницу в работе препаратов для разных этнических групп. Активнее всего плодами фармакогенетики пользуются врачи, имеющие дело с мутациями в повседневной практике, например онкологи».
Домашние тесты: диагностика и поиск родственников
Благодаря развитию ДНК-технологий такое генетическое тестирование стало доступно и обычным людям, а компании стали предлагать такие услуги даже на дому. Первая компания под названием 23andMe запустила тесты для потребителей в Калифорнии в 2007 году. Она анализирует генетическое здоровье и происхождение человека, а также предлагает установить связь с дальними родственниками.
В конце 2000-х годов такие компании, как 23andMe, Navigenics и Decode Genetics, предлагали тесты по цене от $999 до $2500. Однако теперь их стоимость начинается от $100.
В России похожие компании начали появляться в 2013 году, и сегодня стоимость их тестов составляет от 10 тыс. до 30 тыс. руб., но в период акций может быть и ниже. Такие компании, как Genotek и Atlas, предлагают выявить предрасположенность к наследственным заболеваниям, риски развития распространенных болезней, установить происхождение и найти родственников.
Эльза Хуснутдинова:
«В генетических тестах используются даже не все известные для конкретного заболевания маркеры, из-за чего предсказательная способность моделей для оценки риска его развития невысока, поэтому нужно относиться к таким результатам с осторожностью. Кроме того, для представителей различных этнических групп генотипы риска могут быть разными, иногда даже диаметрально противоположными, поэтому нужно создавать базы данных различных популяций, проживающих в регионах, изучать частоты встречаемости генотипов во взаимосвязи с этносом и учитывать этническую принадлежность индивида при проведении такого рода анализа».
Врач Алешечкин соглашается с тем, что генетические тесты могут помочь определить риски развития определенных заболеваний. Однако, по его словам, при развитии большинства многофакторных заболеваний, таких как сердечно-сосудистые или сахарный диабет, результаты тестов едва ли будут информативными.
Евгений Алешечкин:
«Лучше всего такие тесты работают с заболеваниями, где доказана связь мутации в конкретном гене и возникновения болезни, например с некоторыми онкологическими заболеваниями. Так, мутации в генах BRCA1 и BRCA2 могут говорить о наличии предрасположенности к онкологическим заболеваниям молочной железы. Так как они встречаются очень редко, то назначаются такие анализы тем, у кого есть соответствующие заболевания в наследственном анамнезе с учетом этнической группы. Даже в таком случае положительный результат исследования не сильно повлияет на тактику действий, так как для раннего обнаружения заболевания потребуются регулярные обследования».
По словам Хуснутдиновой, генетические тесты нужно проходить людям для подтверждения или исключения предполагаемого генетического заболевания либо для определения вероятности развития или передачи такого заболевания ребенку. Например, неинвазивные пренатальные генетические тесты (НИПТ) позволяют определить, унаследует ли ребенок генетические аномалии. Для этого теста беременной женщине нужно лишь сдать кровь.
Как отмечает Алешечкин, тесты полезны в первую очередь тем, чьи родственники уже страдают заболеваниями, связанными с мутациями в конкретных генах. Кроме того, тестирование стоит пройти, если у родственников уже выявлено наличие такой мутации.
Отдельные компании специализируются на тестах для генеалогических целей. Самыми популярными в этой области стали американская Ancestry и израильская MyHeritage. Первая утверждает, что ее база содержит данные более 25 млн человек и свыше 71 тыс. ДНК-профилей. Компания дополнительно предлагает инструмент для поиска исторических документов в сотнях баз данных.
Существуют также компании, например американские Full Genomes, Veritas Genetics, Nebula Genomics и итальянская Dante Labs, которые могут секвенировать весь геном человека для более глубокого его изучения. Стоимость таких тестов начинается от $300. Они позволяют узнать о факторах риска заболеваний, чувствительности к лекарствам и вероятности передачи наследственных болезней детям. В России подобные тесты предлагают такие компании, как Genetico и First Genetics. Их стоимость начинается от 100 тыс. руб.
Исследователи и регуляторы пока относятся к возможностям такого тестирования с осторожностью. Так, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) отмечает, что «в ДНК-тестах используются не все генетические варианты, которые влияют на многофакторную болезнь, поэтому указанный в них риск заболевания не равен действительному риску заболеть».
Дело в том, что за развитие многофакторных заболеваний отвечает множество генов, а также внешние условия — экология, инфекции и т.д. Ученые пытаются установить, какие гены вносят наибольший вклад в развитие этих заболеваний. Для этого им нужно выявить сотни тысяч генетических вариаций у потенциальных носителей, а пока исследователям известно лишь о сотнях и тысячах.
Эльза Хуснутдинова:
«На сегодняшний день существует возможность узнать, к каким заболеваниям предрасположен человек, но нельзя забывать о модифицирующем влиянии факторов внешней среды — гены могут менять свое действие в ответ на них. Наиболее точно генетические тесты работают при диагностике моногенных наследственных заболеваний (например, муковисцидоза, гемофилии, проксимальной спинальной мышечной атрофии. — РБК), которые вызываются мутацией одного гена».
Евгений Алешечкин:
«Тесты дают информацию о наличии мутаций в генах и риске связанных с этим заболеваний. Данные о генетических рисках следует рассматривать в контексте других факторов, таких как образ жизни и окружающая среда. В большинстве случаев положительный результат генетического теста позволяет узнать о наличии предрасположенности и не забывать о методах ранней диагностики».
Фармакогенетика: будущее персонализированной медицины
Вероятно, полная расшифровка генома и последующие исследования генетических вариаций, а также появление больших генетических баз данных вроде UK Biobank позволят постепенно внедрять в клиническую практику модели оценки риска с использованием генетики. Так, UK Biobank уже играет важную роль в исследовании рака. По мнению экспертов, в будущем генетическое консультирование и персонализированная медицина получат более широкое распространение.
Эльза Хуснутдинова:
«ДНК-тесты имеют большой потенциал для персонализации лечения. Однако их внедрение происходит медленно, поскольку необходимо собрать и подтвердить данные об их преимуществах перед традиционным назначением лекарств. Необходимо доказать, что такие тесты приводят к большей эффективности терапии, способствуют сокращению нежелательных побочных явлений, то есть способствуют безопасности терапии. Для этого требуются длительные и дорогостоящие исследования. Нет сомнений в том, что за персонифицированной медициной будущее и использование фармакогенетического тестирования будет постепенно расширяться и прочно войдет в клиническую практику».
Евгений Алешечкин:
«Анализ генома с помощью искусственного интеллекта уже сейчас активно влияет на разработку новых методов терапии. Это помогает ученым видеть новые точки воздействия на заболевания, что потенциально должно помочь в разработке новых методов терапии. В ближайшем будущем можно ожидать внедрения анализа генома в рутинную практику фармкомпаний и появления новых эффективных методов лечения распространенных форм онкологических заболеваний».