«Война и мир» внутри генома сибирской лиственницы

Мы проводим заседание Научного кафе СФУ, и в маленьком зале кофейни «Барселона» заняты все места за столиками. Даже одалживаем скамьи в холле, чтобы разместить гостей. Студенты— биологи, молодые учёные университета и сотрудники Центра геномных исследований СФУ пришли, чтобы подискутировать с известным учёным— генетиком и обсудить его рассказ об исследованиях генома сибирской лиственницы, кедровой сосны и сосны обыкновенной. Исследования ведутся в рамках полученного в 2014 году мегагранта Министерства образования и науки РФ «Геномные исследования основных бореальных лесообразующих хвойных видов и их наиболее опасных патогенов в Российской Федерации».

Константин Валерьевич производит впечатление человека открытого и азартного во всём, что касается его исследований. Одет в прикольную чёрную футболку с логотипом известной геномно-биоинформатической компании и принтом «Bioinformatics Rocks»; четыре буквы AT/GC обозначают четыре нуклеотида — основы генетического кода, а стилизованы под логотип австралийской рок-группы AC/DC. Видно, что докладчику хочется рассказать буквально обо всём, что касается загадочного гигантского генома хвойных пород; осталось только адаптировать специальные термины для неспециалистов и посвятить аудиторию в свою научную игру.

— Деревья вообще — это экстремалы, — говорит Крутовский. — Им принадлежит большинство рекордов в мире живых организмов. Хвойные, о которых пойдёт речь, очень древние, экономически важные для нашего региона представители древесных. Именно им под силу влиять на климат не только нашей страны, но и планеты в целом.

Ранее считалось, что рекорд долгожительства принадлежит сосне остистой, произрастающей в лесах Северной Америки. Дереву, названному в честь ветхозаветного патриарха Мафусаила, почти 5000 лет. Это значит, что проросло оно примерно 30 веков до нашей эры. А вот в Австралии ныне живёт и здравствует эвкалипт, который, конечно, не относится к хвойным, но зато он отпраздновал своё тринадцатитысячелетие! Его назвали деревом ледникового периода, в мире сохранилось всего пять таких экземпляров…

Что касается «высотности», то рекордсменом является гигантская секвойя, растущая в Калифорнии. Она может достигать 100 метров в высоту и весить свыше 1400 тонн. В мире животных некоторую конкуренцию этому гиганту составляет, пожалуй, только синий кит. Однако млекопитающие не умеют того, что освоили деревья — способности к вегетативному размножению, воспроизведению собственных генетических копий— клонов. В американском штате Юта есть целый осиновый лес, полностью состоящий из генетических копий одного дерева; это как бы единый гигантский организм, разместившийся на нескольких гектарах. И весит этот организм без малого 6600 тонн.

Слушатели отдают дань внушительным числам, но особый интерес вызывает рассказ Константина Валерьевича об экстравагантном способе сохранения от вырубки древних популяций псевдотсуги в штате Орегон. Оказывается, для сохранения этих уникальных популяций вечнозелёных хвойных деревьев учёным в качестве аргумента пришлось использовать редкий вид сов, помещённый в Красную книгу и обитающий в одной местности с псевдотсугами. Согласно закону, уничтожение среды обитания «краснокнижных» видов животных запрещено, и древние популяции псевдотсуги — живого древесного ископаемого — имеют все шансы прожить ещё пару веков и порадовать людей своим величественным видом.

И всё-таки основная тема встречи — расшифровка генома деревьев, известных каждому сибиряку с детства. Константин Крутовский даёт краткое определение понятий «геном» и генетического кода, проводит аналогию с языком, на котором все мы разговариваем: «Геном — это совокупность всех генов, регулирующих жизнедеятельность организма, это наша информационная программа, закодированная в цепочках нуклеотидов. Язык — тоже система передачи информации, закодированная при помощи знаков— букв. Геном сибирской лиственницы в четыре раза больше генома человека, кедровой сосны — в шесть-семь раз. Есть ещё калифорнийская сахарная сосна, и её геном превышает наш с вами в рекордные десять раз».

По утверждению Константина Валерьевича, группа голосеменных, в которую входят хвойные растения, появилась 300 миллионов лет назад. И если раньше для нас синонимом необозримой древности было слово «динозавр», пора менять ориентиры. Предки современных хвойных, растущих в кампусе СФУ, гораздо древнее прославленных массовой культурой рептилий!

— Одна из величайших загадок голосеменных растений в том, что за все эти миллионы лет они практически не изменились. Безусловно, эволюционировали, но очень уж медленно в сравнении со своими современниками, от многих из которых ничего, кроме ископаемых останков, не дошло до нашего времени.

Как это выяснили? Благодаря радиоуглеродному анализу древесных остатков (наиболее информативны те, что связаны с системой размножения — шишки, семена). Всем известен способ определения возраста и условий жизни растения по древесным кольцам, но тут есть нюанс: кольца образуются только у тех пород, которые растут в зонах с чётко выраженной сменой климата. Деревья—долгожители на охраняемых территориях никто не трогает, даже их семена, по идее, нельзя собирать и выносить из заповедника. Но есть же экземпляры, погибшие от естественных причин, вот на них и проводятся такого рода исследования, — говорит Константин Валерьевич и тут же сетует:

— Столько загадок у этих хвойных! Почему сосна обыкновенная живёт в среднем сто пятьдесят лет, а сосна остистая — пять тысяч? Как объяснить такой значительный разрыв в рамках одного рода?

…Знаете, что такое биогеронтология? Это область знаний, которая изучает процессы старения и механизмы борьбы с ним. Обыкновенные домовые мыши живут два-три года, а грызуны под названием голые землекопы доживают до тридцати — сорока лет и при этом, как удалось выяснить учёным, они устойчивы к раковым заболеваниям. С растениями такая же история. Мне очень хочется понять, от каких факторов зависит долгожительство деревьев… Отчасти это связано с условиями их обитания: тысячелетние сосны произрастают на высокогорье, где мощное ультрафиолетовое излучение и морозы достигают — 50о С. Элементарно — никакие древесные вредители и бактерии— возбудители заболеваний там просто не выживают. Если бы не пожары и не вырубки, древние леса можно было бы считать поистине бессмертными.

Кстати, бореальные хвойные леса (тайга) составляют более шестидесяти процентов мировых запасов леса. К.В. Крутовский рассказывает о необычных способах использования древесины хвойных. Оказывается, лучшее и наиболее экологичное ракетное топливо получают из альфа—пиренов, а их, в свою очередь, добывают из смолы хвойных. А ещё из хвойных получают таксол, или паклитаксел — эффективное средство для лечения онкологических заболеваний.

На сегодняшний день в мире действует всего пять проектов, связанных с расшифровкой генома различных видов хвойных. Это крупные проекты, консолидирующие интеллектуальные усилия учёных из десятков университетов различных стран. В СФУ два года назад было приобретено специальное оборудование — наиболее мощный и современный на тот момент секвенатор нового поколения HiSeq 2000 компании Illumina (США), а в 2014 году в рамках гранта получено финансирование для экспериментов по секвенированию геномов хвойных. Уточним для скептиков: эти исследования идут наравне с начавшимися относительно недавно подобными проектами в США, Канаде и Европе.

Особенность современного процесса секвенирования состоит в его значительной ускоренности и производительности. Геном человека был прочтён за одиннадцать лет, а шведским учёным понадобилось три года (2010–2013 гг.), чтобы сделать «первую сборку» хвойного генома.

Что же представляет собой сам процесс расшифровки, или, по выражению нашего лектора, «прочтения» генома? Константин Валерьевич объясняет: «Если проводить аналогию с литературным текстом, то получается, что есть четыре нуклеотида, и это «буквы». Из них складываются триплеты (лат.triplus — тройной) — комбинации из трёх последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты, образующие кодоны, с помощью которых в информационных рибонуклеиновых кислотах кодируется последовательность расположения аминокислот в белках. Это «слова». Из кодонов складываются гены — законченные «предложения», а из совокупности генов формируется «полный» текст, который и называется геном.

Если обратиться к роману Льва ТОЛСТОГО «Война и мир», то окажется, что писатель использовал примерно три миллиона букв. А у человека три миллиарда таких «букв» — нуклеотидов в геноме. То есть каждый из нас носит в себе условную тысячу томов известного романа. А в случае лиственницы сибирской это четыре тысячи томов! К сожалению, современные методы секвенирования не позволяют читать «тексты» от начала до конца. Только фрагментами по 200-500 знаков».

Теперь о самом процессе. Учёные выделяют так называемую тотальную ДНК из любой части растения, она одинакова для всех клеток. В процессе пробоподготовки ДНК разделяется на фрагменты, и от начального текста остаются отдельные «куски». Затем эта нарезка помещается на специальный чип в секвенатор. Подготовкой материала в НОЦ «Центр геномных исследований СФУ» занимается научный сотрудник лаборатории лесной генетики и селекции Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН Наталья ОРЕШКОВА.

«Прочитав» фрагменты, необходимо вновь собрать эти, теперь уже понятые и осмысленные, кусочки воедино. А их несколько миллиардов! Это огромная биоинформатическая задача, решаемая, в том числе, ассистентом кафедры биофизики Института фундаментальной биологии и биотехнологии, научным сотрудником НИЧ СФУ Юлией ПУТИНЦЕВОЙ. Но есть приятные новости: в августе 2014 года в рамках финансирования мегагранта был приобретен сервер с большим количеством оперативной памяти, мощности которого хватит на выполнение этой сверхзадачи.

Слушатели задают вопрос, как проверить правильность «сборки» после секвенирования, ведь у литературного произведения есть сюжет, фабула и некая развязка, а что выступает маркером адекватности в случае генома? Выясняется, что генетический текст «читается» по особым правилам. Некоторые фрагменты ДНК могут повторяться сотни и тысячи раз, поэтому компьютер выравнивает все данные в определённые перекрывающиеся кластеры и генерирует консенсусные сиквенсы — контиги. При расшифровке длинных фрагментов из трёх— пяти тысяч нуклеотидов удаётся прочесть только «хвосты», а середина иногда так и остаётся загадкой. Но благодаря перекрыванию прочитанных фрагментов компьютер позволяет поместить этот фрагмент в общую сборку. Юлия Путинцева уточняет, что в настоящее время активно создаются новые алгоритмы, которые должны упростить обозначенную задачу красноярским учёным.

Студентку Института фундаментальной биологии и биотехнологии Олесю ЛАЩУК интересует, почему геном человека — существа сложного и развитого — значительно уступает по величине геному хвойных. «Разница не в физических размерах, а в устройстве генов, — сообщает К.В. Крутовский. — Чем сложнее экзонно-интронная структура генов, тем сложнее организм. Если у него только один кодирующий элемент (экзон) в гене, то организм относительно прост (бактерии), если несколько — это повышает вариативность образующихся белков, из которых, как из кирпичиков, построено всё живое. Поэтому даже если геном человека по числу генов практически равен геному одуванчика, то по сложности и многообразию генных продуктов мы существенно отличаемся от одуванчика, что приводит к огромной разнице между этими формами жизни, видимой и невооружённым глазом».

…Готовясь к Научному кафе, я случайно набрела на научно-популярную статью о работе коллектива под руководством К.В. Крутовского, опубликованную на одном из красноярских порталов. Обратила внимание на скептические комментарии и озвучила наиболее распространённый вопрос интернет— анонов: а действительно, зачем учёным СФУ читать какой-то там лиственничный геном, неужели только ради удовлетворения собственного интереса?

— Геном хвойных таит много загадок эволюции, — отвечает Константин Крутовский, — это также сложная инструкция по которой эти древние организмы функционируют. Чтобы прочитать эту инструкцию и был куплен невероятно дорогой и мощный прибор— секвенатор. Наша работа сродни чтению этой самой инструкции. Прочтя геном, мы сможем определить весь набор генов, а затем через сравнительный анализ выделить участки низкой и высокой изменчивости генов и использовать их в создании специальных маркеров для изучения связи этой генетической изменчивости с изменчивостью сложных адаптивных и хозяйственно— ценных признаков. А это уже позволит решать практические задачи селекции. Животноводческий сектор за рубежом практически на 90% определяется геномной селекцией. Настало время внедрить этот метод селекции и в лесное хозяйство.

Сейчас селекционер, специализирующийся на разведении сосны, тратит пятнадцать лет, чтобы оценить результат своей работы (именно столько требуется, чтобы вырастить новое поколение деревьев и в полной мере оценить их свойства). А вот зная геном сосны и заранее выявив корреляцию некоторых его фрагментов с фенотипом (внешними признаками) дерева, весь цикл селекции можно сократить до 4-5 лет и гарантированно получить ожидаемый результат — экземпляры с заданными показателями прироста биомассы, высоты, качества древесины, урожайности и т.д. Мы сможем «заказывать» растения с улучшенными, экономически и эстетически предпочтительными качествами и ускорим селекцию в несколько раз!

Блиц-опрос

1. Работа мечты — какая она? Та, что я делаю сейчас — исследование популяционной изменчивости на полногеномном уровне.

2. Лучшие сотрудники, с которыми вам доводилось работать в России, Германии, США. Мне везло на моих учителей. Это были замечательные, талантливые учёные, такие как Борис Фёдорович ЧАДОВ (бывший в своё время одним из первых аспирантов, если даже не самым первым аспирантом знаменитого учёного-генетика Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского), Леонид Иванович КОРОЧКИН (основоположник генетики изоферментов в нашей стране и за рубежом), Юрий Петрович Алтухов (один из основоположников современной популяционной генетики в нашей стране) и многие другие. В Институте лесной генетики Лесной службы США я работал с бывшими учениками и сотрудниками Николая Т. Мирова, одного из основателей генетики хвойных в США. В Университете Калифорнии в Дэвисе работал с бывшими учениками и сотрудниками Феодосия Григорьевича Добржанского, одного из создателей синтетической теории эволюции. Везло мне также и на сотрудников, и на учеников-аспирантов.

3. Как начинается рабочий день в лаборатории отечественной и зарубежной? Это «две большие разницы»? Большой разницы не вижу, хотя, может быть, меньше «раскачки» в зарубежной лаборатории.

4. Вы гуляете в лесу просто так, чтобы отдохнуть от суеты? Я использую любую возможность, чтобы побывать в лесу. Но и работа в лесу — это для меня лучшая форма отдыха от суеты и снятия стресса. Стараюсь всегда жить рядом с большим лесом. Лес — это целая вселенная, сложнейшие экосистемы, и каждый раз я открываю в ней для себя что-то новое.

5. Как думаете, в чём главное отличие науки и искусства? А оно есть? Ну, если серьёзно, то между ними больше общего, чем различий, но главное отличие заключается в том, что произведение искусства как продукт человеческой деятельности может не иметь ничего общего с объективной реальностью, в то время как продукт научной деятельности должен отражать объективную реальность.

6. Какую книгу вы прочли последней? «Евангелие от Иисуса» Жозе Сарамаго, 1-й том «Очерков русской смуты» Антона Деникина, «Генетика и судьбы» Алексея Акифьева. Я часто читаю одновременно несколько книг.

7. Если бы вы не стали учёным, кем могли бы работать? В детстве увлекался судомоделированием, побеждал на соревнованиях и мечтал стать кораблестроителем. Одно время хотел пойти по стопам отца, кадрового офицера, ветерана войны и поступить в военное училище. Привлекала также профессия хирурга, и пришлось даже выбирать между университетом и мединститутом.

8. Чего ощутимо не хватает красноярской науке? Критической массы высококлассных профессионалов, т.е. определённой научной среды.

9. Самый странный вопрос, который вам задавали во время интервью. Относительно недавно давал большое интервью на красноярском телеканале, и ведущий, узнав про то, что мы собираемся секвенировать геном малоляховского мамонта, спросил, собираемся ли мы его клонировать, и скоро ли по Сибири будут гулять мамонты...

10. Вы сами читаете лекции. А на какую лекцию пришли бы в качестве слушателя? Я с удовольствием посещаю обзорные и популярные лекции известных учёных-специалистов даже не по своей тематике. Особенно люблю лекции на исторические и лингвистические темы.

11. Не родственник ли вы красноярских Крутовских? Не знаю. Корни по отцовской линии уходят в Нижненовгородскую губернию. Меня самого очень интересует этот вопрос, но до сих пор не было возможности встретиться с потомками сибирских Крутовских, чтобы вместе поискать общие корни, если таковые есть.

12. Кто такой Константин Крутовский буквально в двух словах? Исследователь-романтик...