Новосибирские учёные ломают голову над ломкой Х-хромосомой

В рамках гранта от Российского научного фонда (РНФ) в течение трёх лет новосибирские учёные будут работать над комплексным исследованием механизмов развития синдрома ломкой Х-хромосомы.

Первое в мире междисциплинарное исследование

Это самая распространённая форма наследственной умственной отсталости: встречаемость порядка 1 на 6 000 среди женщин и 1 на 2 000 среди мужчин. В других странах, например в США, есть несколько групп учёных, которые изучают этот синдром, но проблема в том, что пациент обследуется отдельно на молекулярном уровне и на анатомическом, поэтому их сложно сопоставить. Новосибирское исследование будет первым междисциплинарным, которое объединяет два вида диагностики — молекулярную и МРТ.

Именно поэтому в проекте участвуют четыре организации: НГУ, Государственный Новосибирский областной клинический диагностический центр, Институт молекулярной и клеточной биологии и Международный томографический центр СО РАН,

Заведующий сектором хромосомных патологий Дмитрий Юдкин, кандидат биологических наук, старший преподаватель НГУ, научный сотрудник Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, объяснил, как в организме развивается синдром ломкой Х-хромосомы:

— У нас в ДНК есть ген FMR1, который отвечает за развитие головного мозга на эмбриональных этапах. В этом гене, в самом его начале, находится участок ДНК, повторяющийся несколько раз. В норме он не должен превышать 50 повторов, но происходят какие-то изменения, механизмы которых сейчас неизвестны, и этот участок увеличивается до 200 и более повторов. При этом ген FMR1 прекращает свою работу, нарушается развитие головного мозга и развивается синдром.

Понимание механизмов развития заболевания поможет в дальнейшем разработать метод лечения. Сопутствующие результаты могут помочь усовершенствовать алгоритм диагностики пациентов: сделать его наиболее логичным и удобным. Сейчас диагностика несколько затруднена, поэтому к молекулярным методам учёные хотят добавить методы МРТ-диагностики, которые в настоящее время широко не используются.

Пока прошло три месяца работы — время отработки методов. Сам Дмитрий изучает эту тему третий год. Раньше занимался генетикой животных, но решил сменить направление исследования и поехал на стажировку в Национальный институт здоровья США (город Бетесда; в 2011—2013 годах). Там был в лаборатории, которая изучает различные заболевания, связанные с экспансией повторов (резким увеличением размера повторов), — в основном они были открыты в начале 90-х годов. Эти знания пригодятся в работе сектора.

— Мы будем брать образцы крови пациентов и исследовать, какие изменения на уровне ДНК произошли, — описывает работу Дмитрий. — Будем смотреть, как изменился размер повторённого участка в гене FMR1, какие ещё сопутствующие изменения произошли с этим участком. Затем томографисты будут делать томограмму головного мозга этих же пациентов. Мы будем сопоставлять изменения в ДНК и в головном мозге для того, чтобы составить полную картину развития данного заболевания.

Центрифуги и пробирки в молекулярной лаборатории

Место, где исследуется размер повтора, — это типичная молекулярная лаборатория. Работа с культурами клеток проходит в специальном боксе: в нём выдержана определённая температура, вход без бахил запрещён. Именно там активизируется деление клеток (кровь пациентов подращивается в специальной питательной среде), потому что только во время этого процесса можно увидеть хромосомы.

Показывая два инкубатора и культуральные флаконы, в которых выращиваются образцы, Дмитрий говорит об уже достигнутых результатах — выяснили, что же является причиной ломкости хромосом:

— Хромосома становится ломкой от того, что, когда ДНК удваивается и повтор увеличивается, система репликации не может удвоить увеличенный повтор. В результате район экспансии остается недореплицированным. При этом происходит «выключение» соответствующего гена. Поэтому мы хотим разработать метод «включения» гена FMR1. Нет нужного белка, поэтому нарушается развитие головного мозга. Наша задача — найти такой препарат, который бы включал ген, чтобы даже при увеличенном повторе синтезировался необходимый белок.

Над этой задачей в лаборатории работает группа учёных, среди них есть как научные сотрудники, так и студенты.

Ирина Грищенко, студентка четвёртого курса НГУ, пишет диплом, связанный с этой темой:

— Я пытаюсь понять причины экспансии повторов: одна из гипотез, которая высказывается разными учёными, связывает их с образованием вторичных структур ДНК, которые мешают ей нормально реплицироваться. Поэтому повтор накапливается и появляются заболевания. В своих экспериментах я пытаюсь понять, действительно ли образуются такие структуры. Эксперименты проводятся на клетках пациентов и на искусственно синтезируемых последовательностях ДНК, которые связываются или не связываются со специальным антителом (если связываются, то, скорее всего, образуется вторичная структура).

Пипетки, центрифуги, стёкла, какие-то реакции в маленьких или больших пробирках — со стороны все действия Ирины кажутся сложными. Осваивать эти методы приехала и младший научный сотрудник Туяна Бобокова по программе привлечения молодых специалистов из других регионов. Туяна начала работать в рамках гранта РНФ, приехав из Республики Саха (Якутия).

— Обучаюсь новым методам, например, метод Southern blot (саузерн блоттинг), позволяющий выявить определённую последовательности ДНК в образце; метод ПЦР-диагностики (полимеразной цепной реакции), с помощью которого можно измерить количество данной молекулы ДНК. До этого тоже занималась молекулярной биологией, но опыта меньше было.

И сам Академгородок, и коллектив, и оборудование — всё нравится Туяне.

Результаты лабораторных исследовании будут соотносится с данными томографистов.

Анализировать картинку во время МРТ-исследования

В Международный томографический центр СО РАН пациентов направляет Новосибирский областной клинический диагностический центр. Для них это обследование бесплатное.

Есть методики, которые позволяют оценивать именно структуру головного мозга — морфологию, анатомию, посмотреть связи между отдельными его участками. Здесь же важны функциональные методики, при которых пациент получает какое-то задание.

— Например, двигает рукой, анализирует картинку, слышит звуковые сигналы, которые мы ему предъявляем, — поясняет Андрей Тулупов, доктор медицинских наук, заведующий лабораторией «МРТ технологии» центра. Отдельные участки мозга, которые ответственны за это, получают больше кислорода и окрашиваются дополнительной интенсивностью сигнала на наших томографах. Мы изучаем структуру головного мозга, смотрим, какие изменения на различных уровнях есть у данных пациентов при анализе заданий, которые предъявляются пациенту в момент проведения исследования. Таким образом мы можем понять, насколько снижен интеллект и какие структурные изменения в ткани головного мозга могут присутствовать.

Сейчас в центре тоже идёт отработка методов, а к зиме можно будет говорить о статистических данных. И вполне возможно, что учёные скоро закончат ломать голову над синдромом ломкой Х-хромосомы.

Фото автора

Мария Тищенко