Геном человека нуждается в обновлении.

яВ июне 2000 года Билл Клинтон, тогдашний президент США, улыбаясь, стоял рядом с руководителями проекта «Геном человека». «С генетической точки зрения все люди, независимо от расы, более чем на 99,9% одинаковы», — заявил он. Это было сообщением, когда в Белом доме был представлен первый проект последовательности генома человека.

Единая строка As, Ts, Cs и Gs в конечном итоге стала первым эталонным геномом человека. С момента публикации в 2003 году эта ссылка произвела революцию в секвенировании генома и помогла ученым найти тысячи мутаций, вызывающих болезни. Тем не менее, в его основе лежит несколько ироничная проблема: код, предназначенный для представления человеческого вида, в основном основан только на одном человеке из Буффало, штат Нью-Йорк.

Хотя люди очень похожи, «один человек не является репрезентативным для всего мира», — говорит Пуи-Ян Квок, специалист по анализу генома из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Академии Синики на Тайване. В результате большая часть секвенирования генома в корне предвзята.

Эта предвзятость ограничивает тип генетической изменчивости, которую можно обнаружить, оставляя некоторых пациентов без диагноза и, возможно, без надлежащего лечения. Более того, люди, имеющие меньшую родословную с человеком из Буффало, вероятно, получат меньше пользы от наступающей эры точной медицины, которая обещает адаптировать здравоохранение к индивидуальным потребностям.

Чтобы бороться с этим, исследователи начали собирать эталонные геномы для конкретных стран, включая Южную Корею, Японию, Швецию, Данию и Объединенные Арабские Эмираты. Они надеются, что это лучше послужит их населению, но критики опасаются, что это может превратить мигрантов в граждан второго сорта в их системах здравоохранения. Теперь огромный новый проект предлагает другое решение с целью представить глобальное разнообразие: пангеном человека.

прецизионная медицина, также известная как персонализированная медицина, была модным словом в медицинском сообществе в течение многих лет, и это, несомненно, звучит хорошо. «Доставить нужное лекарство нужному пациенту в нужное время — это слоган», — говорит Нил Ханчард, врач-ученый из Национального института исследования генома человека США.

Но стандартное секвенирование генома упускает множество вариаций, которые могут быть связаны с болезнью. В большинстве случаев он работает путем разрезания ДНК на небольшие фрагменты, известные как «короткие чтения», перед их секвенированием и организацией их в геном, используя эталон в качестве ориентира.

Одиночные нуклеотидные варианты (SNV) — скажем, изменение кода гена с C на T — обычно легко обнаружить таким образом, но более крупные фрагменты вариаций, известные как структурные варианты (SV), сложнее. Новые секции, иногда длиной в сотни или тысячи пар оснований, могут остаться незамеченными, как и секции, которые отсутствуют, перевернуты или перемещены куда-то еще. В этих случаях короткие чтения не могут быть легко сопоставлены со ссылкой, и «целая куча», говорит Квок, выбрасывается.

Это означает, что стандартное секвенирование генома смещено в сторону SV, уже находящихся в эталоне. Если ваши SV различаются, вы получите последовательность, которая не полностью отражает вашу личную вариацию. Поскольку именно эти небольшие различия между людьми, как мы надеемся, скажут нам, например, почему один человек может хорошо реагировать на лекарство, а другой — нет, это плохие новости.

Работа Квока намекает на количество незамеченных спутников. В 2019 году его команда проанализировала образцы 154 человек со всего мира и обнаружила, что в эталоне отсутствует содержимое генома SV на 60 миллионов пар оснований, и еще много других. Последующее наблюдение за 338 людьми, которые искали только дополнительную вставленную ДНК, обнаружило почти 130 000 новых последовательностей.

Но SV также, по-видимому, демонстрируют разные частотные паттерны в разных популяциях. В более широком смысле, говорит Квок, если человек «принадлежит к популяции, совершенно отличной от человека, от которого получена ссылка на геном, будет больше несоответствия», когда его короткие чтения сопоставляются со ссылкой. Следовательно, он говорит: «Мы можем пропустить варианты риска в тех регионах, которые не представлены в справочнике».

Это отсутствие репрезентации является общей проблемой геномики. Даже более изученные SNV показывают большие пробелы в данных. Недавно, например, Ханчард и его коллеги провели выборку 426 человек из 50 этнолингвистических групп по всей Африке и обнаружили более 3 млн новых SNV, в основном из популяций, которые никогда ранее не подвергались выборке. «Мы даже не прикасались к SV, — говорит Ханчард, — но наши предварительные данные говорят о том, что все будет по-старому».

Такие расхождения в данных напрямую влияют на результаты лечения. Например, если у человека с редким вариантом есть редкое заболевание, есть большая вероятность, что виноват именно этот вариант. Но часто мы не знаем, действительно ли варианты редки или просто распространены в малоизученных популяциях. В таких случаях врачи не могут поставить диагноз. «Для лиц неевропейского происхождения это происходит гораздо чаще», — говорит Ханчард.

По мере того, как мы вступаем в эру точной медицины, это становится еще более важным. Кари Стефанссон, чья биотехнологическая компания DeCode Genetics из Рейкьявика специализируется на установлении связей между генетическими вариантами и болезнями, говорит, что ему не дает спать по ночам то, что наше понимание разнообразия в популяциях европейского происхождения теперь настолько хорошо, что мы можем начать использовать его для точной медицины. Но для других групп населения «у нас нет таких данных», — говорит он. «[Это] увеличит неравенство в здравоохранении сверх того, что есть сегодня».

ВтХотя нет никаких генетических основ, которые бы осмысленно группировали людей по разным расам, некоторые считают, что имеет смысл создавать ссылки, чтобы зафиксировать различия в конкретных группах населения, таких как этнические группы и национальные государства. Одна страна, которая теперь имеет свою собственную ссылку, это Дания.

«Мы видим, что есть много вариаций, которые [были обнаружены только] в датской популяции», — говорит биолог-компьютерщик Саймон Расмуссен из Копенгагенского университета, который руководил работой. Это сильный аргумент в пользу местной ссылки, и привлекательность очевидна: ссылка, основанная на датчанах, имеет уникальные возможности для перегрузки датской системы здравоохранения.

Обрамление геномов с точки зрения национальности неизбежно ведет к исключению

Но некоторые критикуют национальные геномы за то, что они слишком много внимания уделяют различиям между популяциями, а не отдельными людьми. Медицинский антрополог Эмма Коваль из Университета Дикина в Виктории, Австралия, опасается, что национальные геномы могут «сохранить идею расы». А определение геномов с точки зрения национальности неизбежно ведет к исключению, говорит Дженни Рирдон, социолог биологических наук из Калифорнийского университета в Санта-Круз. «По сути, мы решаем, кто датчанин, а кто нет».

Расмуссен признает, что эта ссылка была бы менее полезной для 15% населения Дании, которые являются мигрантами или их потомками. Образцы от людей смешанного происхождения даже были удалены во время отбора для эталона. Но из-за проблем с согласием ссылка так и не попала в клинику, поэтому Расмуссен и его команда хотят создать еще одну. Для этого он говорит: «Мы хотим использовать другой подход [отбора]». Как именно, еще предстоит определить.

Однако есть альтернатива национальным геномам. Вместо увеличения масштаба различных популяций Консорциум по изучению пангенома человека хочет уменьшить масштаб; наложение множества геномов для создания эталона со встроенными вариациями — пангенома. Консорциум недавно опубликовал первый проект такой ссылки в виде препринта.

Состоящий из 47 тщательно детализированных геномов, черновик представляет собой первый фрагмент из 350 геномов, которые планируется секвенировать, чтобы включить наиболее распространенные вариации в мире. «Это не тот стандарт, который когда-либо применялся ранее», — говорит Карен Мига из Калифорнийского университета в Санта-Круз, которая является частью консорциума.

Но проект заключается не только в секвенировании более разнообразных данных. «Нам нужно придумать лучшую структуру данных для кодирования этой информации», — говорит коллега Миги Тинг Ван из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури.

Эта структура данных называется графом генома. В отличие от текущей ссылки, которая представляет собой просто длинную строку букв, диаграмма генома показывает различия между геномами как обходные пути на общем пути. Это позволит исследователям и врачам сопоставлять короткие чтения с версией пути, которая лучше всего соответствует их образцу.

Возникает естественный вопрос: как выбрать того, кто будет представлять мир? Первые геномы прошли квалификацию из-за их высокого технического качества, но в будущем консорциуму необходимо будет выбрать новые образцы. Поскольку Африка является колыбелью человечества, Мига говорит: «Подавляющее большинство геномов, которые мы включаем, имеют африканское происхождение».

Однако, с точки зрения Рирдон, 350 человек могли бы лучше представлять мир, чем один человек, но «[консорциум] сделал кое-какой выбор в отношении групп», — говорит она. «Кого они пробовали? Кого они не пробовали? Пока ссылка содержит только подмножество, возможно, кто-то не попадет в вырезку.

Мига этого не отрицает. «[Мы] действительно пытаемся уловить распространенные вариации на глобальном уровне, поэтому вещи, которые вы будете видеть довольно часто», — говорит она. Документирование общих вариаций в этом случае исключает необычные вариации. «Если вы ищете что-то очень редкое, — говорит она, — в данный момент это не входит в наши обязанности».

яВ идеальном мире геномы людей секвенировали бы без использования эталона. Это долгое время считалось окончательным и беспроблемным решением, но вряд ли кто-то верит, что это возможно. «Это нетривиальная задача, и я не думаю, что она станет нетривиальной через 10 лет», — говорит Ханчард.

И вместо того, чтобы использовать широкий глобальный пангеном, страны могут руководствоваться ссылкой, более приспособленной к их населению, а также поддерживаемой и контролируемой ими самими. «На самом деле мы не ожидаем, что кто-либо, кроме датчан, создаст датский эталонный геном», — говорит Расмуссен, который надеется, что следующей итерацией будет управлять национальный центр генома Дании, контролируемый государством, возможно, в рамках проекта ЕС «Геном Европы»..

Ханчард также видит пользу от местных или региональных рекомендаций. «[В пангеноме] не будут представлены все вариации», — говорит он. Он является частью консорциума H3Africa, который стремится принести преимущества геномики в Африку и рассматривает возможность создания графа генома для Африки. В то же время он ожидает, что все эти отсылки, вероятно, со временем соединится.

Когда его спрашивают о его надеждах на будущее геномики, он говорит о знании и понимании вариации, поскольку она касается его самого или любого другого человека с ямайскими корнями. «Я хотел бы достичь точки, когда каждый чувствует себя представленным и что это для них, так же как и для любой конкретной группы», — говорит он. «Мы из одного человечества, это важная часть».