29 апреля 2022

Учёные ОИЯИ провели сравнение двух разных подходов к оценке генетических изменений

Радиационные генетики Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ провели сравнение двух разных подходов к оценке генетических изменений у потомков облученных родителей, которое показало, что результаты классического анализа наследуемых радиационных мутаций отдельных генов могут быть получены гораздо быстрее и в более полном объеме на платформе полногеномного секвенирования нового поколения. Результаты этого сравнительного анализа были представлены на семинаре «От генетических исследований к полногеномному секвенированию нового поколения в радиационной генетике» 20 апреля.

Подводя краткий итог собственным исследованиям на основе классического подхода и генетического тест-объекта Дрозофила, руководитель работ главный научный сотрудник группы молекулярной и радиационной генетики НХП «Отдел фазотрона» ЛЯП д. б. н. Игорь Александров отметил, что «…Около 38 % мутантных потомков первого поколения от облученных самцов лабораторного тест-объекта Drosophila melanogaster были стерильными и не давали потомства, что указывает на крупные потери генетического материала. Остальные 62 % плодовитых потомков унаследовали рецессивные изменения разного типа: мультилокусные делеции – потери генетического материала, транслокации — обмен «плечами» разных хромосом, инверсии – поворот сегмента хромосомы на 180 градусов и «точковые» с внутригенными изменениями мутации». По общепризнанному мнению всех генетиков, последний тип мутаций является наиболее важным для предсказания того, как будет расти вредный генетический груз после воздействия радиации на популяцию.

Для получения этих результатов были исследованы пять генов: два гена в половой Х-хромосоме: yellow и white — и три гена во второй аутосоме: black, cinnabor, vestigial. Эти гены были выбраны, поскольку мутации в них ведут к изменению внешних признаков, что позволяет легко выделять мутантных особей среди других не мутантных.

Самцы облучались, после чего скрещивались с самками, которые были гомозиготны по изучаемым генам. Две группы самцов дрозофил дикой лабораторной линии облучались, например, гамма-лучами в дозе 5 Гр и 40 Гр. Выживаемость их потомков первого поколения составила 85 % и 15 % соответственно. Среди выживших потомков выявляли редко появляющихся мутантных особей для последующего комплексного изучения генетической природы радиационных мутаций.

В итоге были проанализированы более 600 таких мутантов по 5 генам. При этом проводить прямую экстраполяцию данных с D. melanogaster на человека можно не в количественном, а в качественном отношении, то есть в популяции, можно ожидать, будут возрастать вредные рецессивные мутации, ведущие к разным вредным генетическим последствиям в виде наследственных заболеваний, рака и так далее.

Прогресс в ДНК- и IT-технологиях привел, как отметил младший научный сотрудник группы молекулярной и радиационной генетики Артем Русакович, к созданию методов геномного секвенирования, на принципах и особенностях которых он подробно остановился:

«От классических исследований секвенирование отличается тем, что проводится практически в автоматическом режиме, при помощи прибора секвенатора, и позволяет получать сразу большие массивы данных, которые, правда, необходимо достаточно долго обрабатывать. Классический метод по Сэнгеру отличается высокой надежностью, относительной дешевизной и длиной прочтений. Используя этот метод, необходимо подбирать праймеры, невозможно покрыть множество участков разом, необходимо учитывать специфичность участка».

Спикер представил несколько методов геномного секвенирования Next generation sequencing (NGS): Ion-Torrent, Nanoball sequencing, Nanopore и Illumina – всех их объединяет сниженная надежность отдельного прочтения при множественности прочтений. Были рассмотрены первые результаты секвенирования на платформе Illumina, полученные в пилотном эксперименте на Drosophila melanogaster. Трое контрольных потомков сравнивались с девятью потомками от гамма-облученных самцов в дозе 40 Гр. Если у двух контрольных оказалось всего лишь по одной спонтанной делеции, то у потомков первого поколения облученных самцов дрозофилы были выявлены множественные структурные изменения ДНК: делеции, дупликации, инверсии, транслокации.

Генетический подход дает детальное представление о том, какие изменения могут возникать и наследоваться на уровне гена, хотя эти исследования продолжительны и трудоемки, подытожил Игорь Александров. Метод полногеномного секвенирования позволяет получать близкие результаты намного быстрее, хотя и здесь возникают свои трудности и вопросы, требующие решения. Тем не менее, геномные исследования позволяют получать исчерпывающие представления о характере и количестве наследуемых изменений ДНК на уровне всего генома потомков облученных родителей, что по сравнению с классическим генетическим анализом является огромным шагом вперед в изучении этой проблемы. Небольшие различия в результатах, полученных с использованием классического генетического подхода и полногеномного секвенирования нового поколения, могут быть обусловлены, как отметил Игорь Александров, небольшим количеством просеквенированных геномов.

«Наши исследования – это первые шаги в изучении наследуемых изменений у потомков облученных родителей на модельном тест-организме Drosophila melanogaster. В мировой научной литературе нами обнаружена только одна подобного рода работа на мышах. Для экстраполяции на человека наиболее важны, как полагают генетики, результаты, полученные в системе Drosophila — мышь. Сопоставление наших результатов на дрозофиле с данными, полученными на мышах, показывает их принципиальное сходство в характере и частоте наследуемых геномных изменений, что позволяет предсказать аналогичные изменения и у человека. В связи с этим важно подчеркнуть, что ОИЯИ пока является лидером в этих исследованиях».