Вениамин Фишман — о том, как делают науку в Бразилии, Германии и России
Его задача найти мутантный ген и распутать цепочку, приводящую к заболеванию. Биоинформатик и генетик из Университета «Сириус» Вениамин Фишман — настоящий ДНК-детектив. Мы поговорили с ним о том, какая польза от неудачных исследований, о связи между прививками и аутизмом и о настоящем смысле занятий наукой. А ещё узнали, почему в работе бразильских и российских учёных много общего.
Мы продолжаем серию интервью с российскими учёными, у которых накоплен опыт работы за рубежом, у многих — весьма солидный. Им есть с чем сравнивать, поэтому говорим с ними не только о профильных исследованиях, но и о том, как развивается наука в России и других странах.
Вениамин Фишман
Фото: © Денис Пискарёв / Медиадом «Сириус»
— Вениамин Семёнович, вы занимаетесь генетическими исследованиями, в том числе связанными с аутизмом. Как объяснить то, что это генетическое заболевание появляется у здорового ребёнка после прививки?
— «После» не значит «вследствие». Особенно когда речь идёт о прививках. В жизни мы наблюдаем много событий, у которых нет причинно-следственной связи. Проблема в том, что среди редких заболеваний аутизм достаточно распространён. Но создать аккуратную и этичную экспериментальную модель для его изучения сложно, ведь проводить эксперименты на людях нельзя. С животными проще — можно взять два генетически одинаковых вида, поместить их в разные условия, проверить эффекты разных воздействий. А с людьми приходится опираться только на статистическую обработку. Статистические данные не показывают какой-либо взаимосвязи между прививками и аутизмом. Есть методы, которые ищут взаимосвязи между условиями среды, генетическими вариантами и заболеваниями. И мы продвинулись в изучении аутизма. Несколько процентов объяснённых случаев — это хорошо. Но людям, к сожалению, хочется объяснить всё и сразу, здесь и сейчас. Так появляются псевдонаучные теории.
Миф о прививках и аутизме
Источник мифа — псевдонаучная работа британского врача Эндрю Джереми Уэйкфилда, опубликованная в медицинском журнале The Lancet в 1998 году. В ней утверждалось о связи между вакциной против кори, эпидемического паротита и краснухи (MMR) и аутизмом. В исследовании участвовали 12 детей (непрезентабельная выборка), а статья содержала методологические ошибки и была сомнительной с точки зрения этики. Когда разразился скандал, публикацию отозвали, а врача лишили лицензии за научный подлог. Позже множество независимых исследований с участием миллионов детей по всему миру не обнаружили связи между вакциной MMR и аутизмом. Кроме того, доказано, что аутизм начинает развиваться внутриутробно. Это видно по особенностям в развитии мозга у детей с расстройством аутистического спектра уже на ранних стадиях. Но миф продолжает жить до сих пор, поскольку первые признаки часто становятся заметны родителям в возрасте около двух лет. Тогда ребёнку делают многие прививки, включая MMR.
При краснухе сыпь сначала появляется на лице и шее, потом быстро распространяется по телу. Но в итоге всё бесследно проходит за пару-тройку дней
Фото: © Aleksandr Finch / Shutterstock / FOTODOM
— В своей работе вы фокусируетесь на укладке ДНК в ядре…
— Да, я изучаю, как она свёрнута, какие петли образуются, зачем нужны эти структуры, насколько они совпадают у разных людей и могут ли совпадать с животными. Исследования моей команды напрямую связаны с медициной. Мы сотрудничаем с крупными центрами в Москве, Новосибирске, Омске. Исследуем, как нарушения структуры ДНК могут вызывать онкологические заболевания и наследственные патологии, связанные с дефектами одного или нескольких генов. Это направление исследований помогает понять, какие изменения в геноме человека приводят к болезням и какие меры могут помочь предотвратить или вылечить эти патологии. Мы также разрабатываем репродуктивные технологии, позволяющие семьям с наследственными рисками иметь здоровых детей.
На самом деле, данных очень много, и есть очень много закономерностей, о которых ничего не известно. Поэтому мы стали развивать методы машинного обучения, которые способны агрегировать всю собранную информацию и без какой-то априорной гипотезы выдавать закономерности независимо от нашего понимания. Отдельная задача — интерпретировать эти закономерности. По сути, у нас один большой проект, который основан на геномных технологиях и развитии методов анализа больших геномных данных с помощью ИИ.
Научная команда Вениамина Фишмана в лаборатории Университета «Сириус»
Фото: © Денис Пискарёв / Медиадом «Сириус»
— Почему вы для себя выбрали именно это направление в науке?
— Эта область довольно новая. На неё возлагаются большие надежды, как, в общем-то, на всё новое. Хочется найти ответы на вопросы, которые уже давно будоражат биологов: как связаны гены, как их изменения и изменения межгенных участков влияют на проявление важных для человека признаков — интеллект, физические способности, склонность к развитию болезней.
Например, мы знаем, что наследуемость аутизма составляет десятки процентов. При этом объяснить можем наследуемость всего нескольких процентов. Мы не понимаем до сих пор, как развивается эта патология. И укладка ДНК — один из механизмов регуляции работы генов, а значит, с её помощью можно разобраться в этом вопросе.
Кто такой Вениамин Фишман?
Вениамин Фишман — доктор биологических наук, руководитель молодёжной исследовательской группы Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус», преподаватель Новосибирского государственного университета, сотрудник Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН.
— Вы упомянули, что работаете по большей части с онкологическими заболеваниями. Существует ли возможность генетически предотвратить развитие злокачественных новообразований?
— Сложность онкологии в том, что она разная. Мы называем это одним словом, но все эти заболевания очень разные по своей молекулярной природе. Значит, и тактика лечения отличается. Как правило, и операция, и терапия направлены на подавление размножения раковых клеток. Десятки онкологических заболеваний вызваны так называемыми хромосомными перестройками — перемещениями участков ДНК из одного места генома в другое. Многие из них хорошо описаны и имеют понятный механизм. Мы знаем, что именно это перемещение вызвало болезнь, и понимаем, какие таргетные препараты нужны для лечения.
Генетические мутации в ДНК человека
Изображение: © Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»
Например, перестройку гена BCL-2, связанную с развитием лимфомы, открыли ещё в 1980-х годах. Для выявления таких распространённых и известных перестроек уже давно разработаны дешёвые тесты, на основе которых проверены и подобраны конкретные препараты. А для новых перестроек тестов ещё нет, так что мы не можем протестировать препараты и понять, какие из них лучше подойдут для лечения.
Именно в этом направлении строится наша работа. Мы предложили метод обнаружения хромосомных перестроек, который совмещает технологию Hi-C (анализ 3D-структуры генома) и экзомное обогащение, которое сфокусировано на белок-кодирующих участках. Это позволяет за одну процедуру выявлять как структурные перестройки ДНК, так и точечные мутации в генах, чаще всего связанных с болезнями. Мы опубликовали статью с подробным описанием этого метода и примерами его клинического использования. А чуть раньше вышла ещё одна наша работа, в которой перечислены конкретные перестройки и соответствующие препараты, способные их таргетировать. Решили, что должны поделиться своими наработками. Также выпустили аналогичную методику для выявления хромосомных аномалий не только при онкологических, но и при врождённых заболеваниях.
— Это то, чем вы занимаетесь в Сириусе?
— Мы начинали эту работу ещё до Сириуса, сейчас продолжаем на федеральной территории. Задействован большой коллектив авторов, несколько десятков врачей. Мы работаем с несколькими научными медицинскими центрами, и у нас обнадёживающие результаты. Например, обнаружены новые мутации, и после долгих лет неудач впервые удалось поставить точный диагноз нескольким пациентам. Сейчас фокусируемся на внедрении метода в клиническую практику. Исследования уже доступны платно, но мы также ведём работу по получению квот для бесплатного их проведения для нуждающихся пациентов.
— С чего вообще всё началось? Как вы пришли в науку?
— Я из Новосибирска. Наукой хотел заниматься с самого детства. Школьником попал на лекцию по молекулярной биологии, которую читал Григорий Дымшиц — замечательный педагог из Новосибирского государственного университета. Я тогда влюбился в это направление. Мне и до этого нравились естественные науки, но я не видел в них логики. Казалось, что биология — это хаотичное нагромождение знаний. А тут мне всё по полочкам разложили и объяснили, как работает. Я решил заниматься биологией и поступил в Новосибирский университет на факультет естественных наук.
В аспирантуре мне захотелось поработать в другой лаборатории, чтобы получить иной опыт. Тогда совершенно случайно благодаря супруге подвернулась возможность поехать за рубеж. Она оформила заявку на стипендию в австрийский фонд, чтобы продолжить обучение в этой стране, и предложила мне сделать то же самое. Но там уже не принимали заявки, поэтому я отправил заявку в немецкий фонд. Нашёл коллег из Германии, которые работали в близком для меня направлении. В итоге мне дали стипендию, а супруге — нет.
Я уехал в Германию и всего за четыре месяца получил там фантастический опыт. Я работал в лаборатории профессора Мишеля Бадера в Центре молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка в Берлине. Мне очень понравилось, как там организована научная работа и в целом логистика, поэтому в течение всей аспирантуры я подавал заявки на короткие гранты для стажировок за рубежом. У меня не было желания насовсем уезжать, потому что параллельно работал в России. Но очень хотелось как-то эти проекты совместить. Примерно половину всего времени в аспирантуре я провёл в немецком центре, где занимался исследованиями, близкими по тематике тем, которые были в Новосибирске.
— Чего достигли в Германии?
— Мы поставили очень амбициозную цель — с помощью специальной индукции превратить клетки кожи в нейроны. Звучит немного сказочно, но, на самом деле, подобные исследования стали появляться в тот момент, когда мы начинали. Нашей задачей было превратить клетки кожи в определённый субтип нейронов — серотонинергические нейроны. Эти клетки представляют фармакологический интерес, поскольку напрямую связаны с расстройствами аффективного спектра — например, с депрессией.
Серотонин в готовом виде в продуктах практически не содержится, но его выработку стимулирует употребление продуктов, богатых аминокислотой триптофаном
Фото: © Danijela Maksimovic / Shutterstock / FOTODOM
На тот момент существовала концепция, что прямое перепрограммирование соматических клеток (например, фибробластов или глиальных клеток in vivo в функциональные нейроны или специфические клеточные системы) может стать основой для регенеративной терапии. Идея заключалась в том, чтобы при необходимости восполнить дефицит клеток без риска отторжения. Конечно, сегодня эта концепция выглядит наивной. Дальнейшие исследования на различных типах клеток выявили фундаментальные сложности не только в самом перепрограммировании, но и в интеграции полученных клеток, их функциональной зрелости, а также в долгосрочной безопасности и масштабируемости такого подхода. Эти проблемы существенно ограничили его применение в клинической практике.
В 2012 году японский учёный Синъя Яманака получил Нобелевскую премию за открытие технологии превращения зрелых клеток взрослого организма (соматических клеток) в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). На момент открытия эта тема вызвала огромный резонанс, поскольку считалось, что ИПСК открывают путь к регенеративной медицине и лечению многих заболеваний.
Прямое перепрограммирование казалось прорывным путём в развитии медицины, и наша работа была очень рисковой
Мы перебрали десятки индукторов, но безуспешно. Через несколько лет научному коллективу из Италии повезло больше. Хотя основной цели мы не достигли, работа оказалась ценной. Мы опубликовали научную статью, что было моей диссертационной задачей. В целом проведённое исследование позволило освоить передовые методики, собрать обширные данные и опубликовать много статей по смежным темам. Это было особенно важно в условиях российской науки начала 2010-х годов, которая только возрождалась после сложного периода 1990-х.
— Какие особенности научной работы в Германии вы бы выделили?
— Когда я был студентом в России, нам месяцами приходилось ждать реактивы. Я тогда параллельно вёл по пять-шесть проектов, чтобы не терять времени зря. Приехав в Германию, собирался действовать по привычной схеме. Для заказа реактивов было достаточно заполнить одну строчку в таблице, и на следующий день часть из них уже была доставлена. Этим занимался специальный человек, и учёные от бумажной волокиты были освобождены. В итоге пришлось одновременно и оперативно заниматься несколькими разработками. Пока делал один проект, приходили результаты другого. Тогда я осознал, какой темп работы в Германии и как налажены процессы — всё выстроено совершенно иначе. Было чему поучиться!
К тому же я попал в крупный международный центр, где была большая текучка. В России такого нет, здесь принято долго работать в одном направлении. А там всё по-другому, что, конечно, накладывает отпечаток на общение. Сложно наладить дружеские связи, когда человек приезжает максимум на год. У нас же в лабораториях формируются сбитые, слаженные коллективы, где каждый знает и понимает, чего ожидать от другого. Когда работа внутри такой команды построена разумно, получаются значимые результаты. Другое важное отличие — темп научного обмена. Европа гораздо компактнее России, поэтому там он интенсивнее.
В немецком центре фактически каждую неделю читали лекции топовые мировые учёные, которых я даже не мечтал встретить в обычной жизни
Когда ты видишь горящие глаза исследователей, которые рассказывают о своих проектах, это очень мотивирует. В Сириусе в этом плане дела обстоят лучше, чем в других российских вузах. Научно-технологический университет объединяет амбициозных студентов, начинающих исследователей и признанных учёных, укрепляя связи с ведущими российскими компаниями, университетами и научными центрами. Здесь проходит множество крупных всероссийских и международных мероприятий.
Команда Вениамина Фишмана в Университете «Сириус»
Фото: © Денис Пискарёв / Медиадом «Сириус»
— А как вы оказались в Бразилии?
— Зарубежный опыт оказался полезным, но, как и везде, есть свои плюсы и минусы. Работая в Германии, я видел много талантливых молодых и амбициозных людей, которые годами и десятилетиями не могли получить позицию лидера группы, профессора или ассистента профессора. Там достаточно жёсткая дисциплина — и учёные ограничены в реализации своих идей. Они должны воплощать в жизнь задумки своих научных руководителей. Мне это было неинтересно. Я хотел заниматься своими проектами, пусть даже с меньшим масштабом.
После защиты кандидатской диссертации в России мне практически сразу предложили сформировать исследовательскую группу. Под моим руководством тогда уже были студенты, и я решил: пусть будет меньше возможностей, зато удастся реализовывать свои идеи. При этом понимал, что зарубежные связи тоже нужны — за границей есть чему учиться и что перенимать.
До 2018 года я продолжал ездить в Германию. Ещё побывал в Израиле, где занимался биоинформатикой. Там был небольшой проект по исследованию голого землекопа. Мы изучали, в чём отличия активности генов этого животного и других близких грызунов. Это был небольшой пилотный эксперимент, в котором в основном удалось достичь технических результатов. Мы определили оптимальные протоколы анализа данных и поняли, какие нужны размеры групп животных для успешного анализа. Я больше воспринимал это как возможность получить опыт работы в новой стране.
Потом началась пандемия ковида, а после неё — политические изменения. Ездить в Европу стало сложно, и тогда я начал искать проекты в Китае, Индии, Бразилии. К тому времени уже активно занимался медицинской генетикой. Мне нужна была группа медиков без фундаментального биологического опыта, но с большим потоком пациентов, среди которых можно было найти необычные случаи, чтобы изучить их и попытаться помочь. Иначе говоря — передать опыт и поделиться методическими разработками. Из такого взаимодействия обычно рождаются интересные исследования. И я нашёл в Бразилии крупный региональный центр, в Сан-Паулу. Написал им — и меня пригласили.
— Чем там занимались? И как вообще там устроена научная работа?
— Бразилия значительно ближе к России по организации науки, чем Германия. «Немецкая машина» больше нацелена на научные публикации. Главный плюс такого подхода — эффективность и целесообразность. Минус — нет индивидуализированного отношения к научному результату. То есть из исследования выбрасывают много побочного, попутно найденного. А я люблю копаться в таких данных, искать что-то большее.
Настоящая наука движима любопытством и познанием в ширину
В Бразилии я как раз был в такой атмосфере, особенно в работе с врачами. Они знали и понимали всё о здоровье своих пациентов. Мы нашли несколько интересных случаев, которыми продолжаем заниматься до сих пор. У этих людей нарушены механизмы укладки ДНК в ядре, из-за чего развиваются наследственные заболевания. Например, недифференцированные формы умственной отсталости (когда результат теста IQ у взрослого человека на уровне 60 баллов), морфозы лица, нарушения морфогенеза, неправильное сочленение костей. Мы изучали конкретные случаи, выдвигали гипотезы, разбирали клинику. Ценность в том, что через конкретную «поломку» мы можем выйти на общий механизм, который важен для всех. В итоге мы нашли и описали несколько новых случаев, когда нарушения укладки генома приводят к развитию таких болезней.
— Как вы оказались в Сириусе?
— Меня пригласил выступить на одном из образовательных модулей Евгений Иванович Рогаев — известный специалист в области молекулярной генетики, профессор и академик РАН. После этого я стал часто приезжать в Сириус читать лекции, позднее уже вёл свой курс. Со временем вокруг меня здесь сформировалась большая группа генетиков (студенты, аспиранты, постдоки), которые хотели развивать новое направление. Те методики, которые я ранее разрабатывал, сейчас применяются в Университете «Сириус».
Занимаемся и другими проектами. Например, изучаем действие белка CTCF, который считается одним из главных регуляторов в ядре клеток. Хотим детально разобраться в его функционале. Кроме того, наши ребята изучают, как мутации, которые находят в опухолях в этом же белке, могут потенциально повлиять на свойства новообразований.
Евгений Рогаев — о первом мозге, бессмертной медузе и лекарстве от Альцгеймера
ЧитатьЕщё разрабатываем мутационно-генетическую диагностику, направленную на поиск мутаций в биоптатах эмбрионов человека. Это особенно важно для супружеских пар, у которых уже выявлены показания к такому обследованию. То есть у них родился малыш с аномалией, и теперь они хотят ещё одного ребёнка, но здорового. Такой паре важно сделать молекулярный тест, чтобы убедиться в отсутствии патологий у эмбриона. Мы как раз создаём такие тесты.
— Как это работает? Нездоровые эмбрионы отсеиваются?
— Сначала нужно обследовать всю семью (ребёнка и родителей) — это называется тестированием генетических вариантов. Если такой вариант найден и достоверно определено, что именно он является причиной, тогда уже определяется характер наследования (от папы или мамы). Потом паре предлагают пройти процедуру ЭКО, но с предварительным предимплантационным генетическим тестированием. От матери после гормональной стимуляции и пункции яичников получают яйцеклетки, от отца — сперматозоиды. Оплодотворение проводят в лабораторных условиях. Полученные эмбрионы культивируют 5–6 дней до стадии бластоцисты, после чего берут биопсию трофэктодермы (около 5–10 клеток внешнего слоя). Сразу после этого эмбрион замораживают, а биоптат передают в генетическую лабораторию для анализа. Эмбрионов всегда получают несколько, чтобы потом выбрать тот, где комбинация от папы и мамы не содержит патогенного варианта. Некоторые варианты хорошо обнаруживаются, а вот хромосомные перестройки — плохо. Но именно в них и может скрываться причина патологии.
Момент слияния сперматозоида и яйцеклетки, снятый через микроскоп во время процедуры ЭКО
Фото: © bezikus / Shutterstock / FOTODOM
Вот для чего нужна разработанная нами методология. С её помощью можно эффективнее отследить причину. Сейчас работаем над адаптацией этого метода к маленькому биоптату (менее шести клеток), потому что там много сложностей. Уже практически решили эту задачу, сейчас идёт тестирование.
— Что для вас ценно в Сириусе?
— Университет жизненно важен для любой научной организации. Это постоянный поток студентов с горящими глазами и новыми идеями. Кто-то слабее, кто-то сильнее, но они жаждут новых открытий. Без этого построить нормальное научное учреждение невозможно. В Сириусе таких ребят очень много, и образовательные программы будут расширяться. Уже есть экспериментальный ИТ-специалитет для выпускников 9 класса, специалитет по биоинженерии, магистратура, аспирантура. Это создаст мощный интеллектуальный ресурс, способный поддерживать высокие темпы развития науки и инноваций. Молодые исследователи становятся основой для формирования сильной команды единомышленников, готовых решать самые амбициозные задачи современной науки.
— От чего вы получаете наибольшее удовольствие в своей работе?
— Я люблю разгадывать загадки. Их у нас много, и они в основном связаны с данными. Для меня анализ собранной информации — самое интересное, что есть в науке. В этом смысле геномика замечательна тем, что ты быстро и дёшево получаешь очень много данных, которыми можно занять свой мозг. Часто бывают настоящие детективные истории, когда мы видим какие-то закономерности, но не понимаем, что они означают. Обычно у нас есть представление о том, какие молекулы нужно прочитать, но по факту получаем что-то совершенно другое. Тогда начинается головоломка.
Когда получается объяснить какой-то эффект или явление, я испытываю от этого настоящий кайф
Чем дольше не складывается, тем большее ты получаешь удовлетворение. Мне кажется, в погоне за этим интересом и кроется настоящий смысл науки.
