«В настоящее время мы за считанные дни или недели анализируем десятки тысяч геномов»

Продолжаем цикл интервью с участниками конференции «Молекулярная диагностика 2023» на PCR.NEWS. Мы задаем нашим собеседникам вопросы о их научных интересах, о значимых событиях и трендах в науке и медицинской практике и о том, что интересного ожидается в ближайшем будущем. Об исследованиях генома возбудителей туберкулеза рассказывает Егор Александрович Шитиков, руководитель лаборатории молекулярной генетики микроорганизмов ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины им. академика Ю.М. Лопухина» ФМБА России.

Основное направление моей деятельности — исследование микобактерий туберкулезного комплекса, вызывающих туберкулез. Если говорить более конкретно, то меня увлекают работы по изучению генетической вариабельности патогена.

Так получилось, что мое становление в науке проходило практически параллельно с появлением и развитием технологий секвенирования следующего поколения. Закончив Российский государственный медицинский университет, я сразу получил сырые данные с NGS-прибора для сборки генома de novo, на что, стыдно признаться, потратил практически год и десятки, а то и сотни ПЦР-плашек. Это был первый законченный российский геном микобактерии туберкулеза, депонированный в международную базу данных! Геном, в процессе работы над которым я познакомился с множеством статей по тематике, а главное, со статьями о роли его архитектуры в биологии патогена.

В настоящее время мы за считанные дни или недели анализируем десятки тысяч геномов. Полногеномное секвенирование, дополненное биоинформатическим анализом, я рассматриваю не как волшебную палочку, а как мощный инструмент, позволяющий раскрыть генетическую вариабельность микроорганизма — и тем самым приблизить нас к пониманию фундаментальных проблем биологической эволюции и, разумеется, к решению практических задач. 

В последние годы анализ геномной вариабельности дал возможность исследовать происхождение, эволюцию, филодинамику и филогеографию патогена совершенно на другом уровне. Анализ однонуклеотидных полиморфизмов позволил сформировать представления об основных филогенетических линиях и сублиниях микобактерий туберкулезного комплекса, классифицировать популяции патогена до разрешения, позволяющего проводить мероприятия по инфекционному контролю. Про себя я такие работы называю эпидемиологическими детективами: авторы из разных стран публикуют исследования, где рассматривают распространение микробной популяции, зачастую лекарственно-устойчивой, из одной страны в другую. При этом методами сравнительной геномики удается установить не только точные даты зарождения популяции, но даже время образования устойчивых к определенным препаратам клонов. В дальнейшем эту информацию можно связывать с социально-экономическим состоянием страны, и она крайне важна для понимания эпидемиологического процесса.

В свою очередь, увеличение количества полных геномов продемонстрировало наличие популяций убиквитарных «генералистов», встречающихся по всему миру, и эндемичных «специалистов», характерных для определенных регионов. Согласно некоторым данным, линии генералистов имеют более вариабельные Т-клеточные эпитопы, однако окончательное понимание того, что заставляет штамм микобактерии вести себя как специалист или генералист, все еще отсутствует.

Комментируя тему развития геномики, нельзя не отметить базы данных, посвященные этому направлению. В NCBI сейчас в виде чтений с NGS платформ депонировано более 150 тысяч геномов. Однако, чтобы оперировать ими, файлы необходимо скачать и обработать. В настоящее время я отмечу базу TB Profiler, как наиболее актуальную для исследователя, а также TB-annotator, анонсированную нашими французскими коллегами. Последняя, на мой взгляд, станет связующим звеном между исследователями, так как позволит анализировать загруженные в нее геномы и находить наиболее близкие к ним из базы NCBI. Также ресурс предусматривает возможность анализа не только однонуклеотидных полиморфизмов, но и регионов отличий и повторяющегося элемента IS6110. Результаты мы как раз сейчас тестируем у нас в лаборатории.

На том же уровне по важности, на мой взгляд, стоят исследования лекарственной устойчивости. В литературе часто можно увидеть термин «генетическая лекарственная устойчивость», то есть наличие тех или иных мутаций, строго ассоциированных с фенотипической устойчивостью, которую устанавливают классическими методами в бактериологической лаборатории. Необходимость исследования мутаций стала общепризнанной: ВОЗ в 2021 году опубликовала расширенный каталог полиморфизмов, ассоциированных с лекарственной устойчивостью. При этом удешевление полногеномного секвенирования позволяет ему конкурировать с постановкой фенотипических тестов, которые заведомо проигрывают во времени получения результатов.

В скором будущем секвенирование возможно будет проводить прямо из образца мокроты пациента, и результаты кропотливой работы ученых по сбору данных «мутация-устойчивость» будут всецело вознаграждены, так как позволят назначать более качественное лечение. То же самое и с контролем: в процессе лечения можно будет практически в реальном времени отслеживать появление устойчивых субпопуляций и корректировать терапию. Такие работы уже активно ведутся.

Неким интересным ответвлением этого направления я считаю исследование так называемых компенсаторных мутаций. Из литературы мы все наслышаны о мутациях устойчивости. Они дают бактерии преимущество в защите от антибактериального препарата, однако зачастую уменьшают ее жизнеспособность, так как находятся в важных для метаболизма генах. Так вот, бактерии в своей эволюции не остановились на мутациях устойчивости: сейчас мы наблюдаем появление так называемых компенсаторных мутаций, восстанавливающих жизнеспособность бактерии до первоначального уровня. Их исследование, на мой взгляд, крайне важно для эпидемиологии.

В заключение отмечу, что работы последних лет привели к смене классической парадигмы, согласно которой особенности организма хозяина и факторы окружающей среды рассматривались как основные компоненты, определяющие исход микобактериальной инфекции. Генетическое разнообразие возбудителя сейчас все чаще рассматривается как играющее важную роль в исходе туберкулезной инфекции и заболевания в целом. Все больше данных свидетельствует о том, что разнообразие генома оказывает значительное влияние на патогенность и иммуногенность отдельных штаммов. В свою очередь, идентификация конкретных взаимодействующих геномных локусов человека и бактерий может пролить свет на молекулярные детерминанты иммунной защиты хозяина и вирулентности патогена. Эти взаимодействующие локусы в будущем могут стать привлекательными мишенями для разработки новых противотуберкулезных препаратов и вакцин.