Биология в России: люди и открытия

Обычно, когда говорят о научных открытиях, особенно в биологии, имеют в виду хорошо финансируемые научные учреждения «первого мира», а о России если и вспоминают, то лишь в свете лучей былой славы. Переломим же этот тренд и расскажем, что не перевелись еще науки о жизни на земле русской! С патриотизмом в душе в хорошем смысле этого слова, в этом спецпроекте поговорим с нашими современниками — исследователями из России, изучающими основы жизни: от молекулярных биологов до зоологов и ботаников. Здесь вас ждет серия интервью — как текстовых, так и в форме научно-популярных фильмов, образующих серию «Суперлаба».

---

Спецпроект реализуется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках инициативы «Десятилетие науки и технологий».

Партнер спецпроекта — компания BioinnLabs.

---

Министерство образования России активно содействует популяризации науки, поддерживает молодых исследователей и формирует передовую инфраструктуру для отечественных институтов и университетов.

«Десятилетие науки и технологий» — это масштабная государственная инициатива в России, проводимая с 2022 по 2031 год. Проект включает в себя комплекс инициатив, проектов и мероприятий. Все они направлены на усиление роли науки и технологий в решении важнейших задач развития общества и страны.

Компания BioinnLabs обеспечивает научно-исследовательские лаборатории высококачественными реагентами собственного производства и передовым оборудованием для биотехнологических и медицинских задач.

Нариман Рашитович Баттулин — генетик, работает в Институте цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН (г. Новосибирск). Его научный путь начался с Лаборатории генетики развития, где он занимался плюрипотентными стволовыми клетками. Позже в его исследования пришла 3D-геномика (рис. 1)  — область, которая позволяет изучать не только последовательность ДНК, но и то, как хроматин организован в пространстве ядра. Один из основных инструментов работы — метод Hi-C , с помощью которого команда исследует архитектуру генома, роль ТАДов , когезина , конденсинов и других белков.

О 3D-геномике на «Биомолекуле» можно узнать подробнее в следующих материалах: «Новый взгляд на геном: не просто цепочка генов, а трехмерная сеть, интегрирующая функциональные домены ядра» [1], «Молекулы и эпигеном» [2]. А тем читателям, кому ничего не говорят слова «ТАД» (топологически ассоциированный домен хроматина); незнакомы названия белков когезина и конденсина, управляющих формированием петель из ДНК; и кто не знает, как устроен метод исследования пространственной структуры хроматина Hi-C, — мы крайне рекомендуем прочитать упомянутые труды :-)

Сегодня мы (БМ) поговорим с Нариманом Баттулиным (НБ) о том, зачем ученые изучают 3D-геном, как благодаря генетическому варианту якутской коровы получилась «мышь-морж», зачем лаборатории нужен ИИ и как сегодня приходится балансировать между фундаментальной наукой, публикациями и поиском финансирования. А еще поговорим о будущем 3D-геномики и о том, какие научные вопросы ученому хотелось бы решить, если не думать о грантах и отчетах.

От биологических олимпиад к 3D-геномике

БМ: Расскажите, пожалуйста, немного о себе, как вы пришли в науку, как решили стать генетиком?

НБ: Это со школы началось. Я любил все живое и, например, когда домой покупали рыбу, я обязательно смотрел, что там у нее внутри. При таких наклонностях как будто и не было другого варианта. Либо в медики, либо в биологи, но однажды я побывал в анатомическом музее и понял, что медицина не для меня. Параллельно я участвовал в биологических и химических олимпиадах, вторые мне как будто даже больше нравились, но в первых получалось получше. Я получил диплом второй степени на Всероссийской олимпиаде школьников по биологии, который давал мне право без экзаменов поступать в вуз — так я оказался в Новосибирском Государственном Университете (НГУ). В нем сильна именно молекулярная биология и генетика; более классическая биология — зоология, ботаника — развита не так хорошо. Когда пришло время заняться дипломной работой, я попал в Лабораторию генетики развития ИЦиГ СО РАН, собственно, в ней и остался. Дальше была аспирантура, а потом и руководство лабораторией.

БМ: А кто-то из преподавателей повлиял на ваш выбор лаборатории?

НБ: Большой вклад внесла мой школьный учитель биологии. Потом в университете у нас были очень яркие преподаватели, которые поддерживали интерес. Когда видишь человека увлеченного, специалиста в своей области, это становится отличной ролевой моделью, хочется быть таким. У нас молекулярную биологию вел Дымшиц Григорий Моисеевич, а Бородин Павел Михайлович читал великолепные лекции по эволюции. Поэтому, да, конечно, преподаватели сильное влияние оказывали.

БМ: Когда вы были аспирантом, то начинали с другой темы? Ведь ваша основная область исследований на данный момент — 3D-геномика — еще не получила развитие.

НБ: Никакой геномики тогда не было. Я стартовал, когда наша лаборатория генетики развития занималась вопросами плюрипотентных стволовых клеток. Собственно, кандидатская диссертация у меня посвящена гибридным стволовым клеткам, тоже плюрипотентным, которые могут превращаться в любые клетки взрослого организма (см. врезку). Поначалу мы решали вопросы, в основном связанные с регуляцией плюрипотентного состояния — например, как из соматических клеток делать плюрипотентные.

БМ: Как в вашей жизни появилась 3D-геномика?

НБ: В какой-то момент руководителю лаборатории Олегу Леонидовичу Серову знакомый показал статью и сказал, что вот есть 3D-геномика и это важно. А Олег Леонидович горит идеей, что плюрипотентность — это особенное свойство, и оно должно быть как-то по-особому организовано в геноме. И вот он решил, что нужно посмотреть, чем стволовые клетки отличаются от соматических на уровне генома, то есть найти, в каком же состоянии генома эта способность превращаться во все что угодно будет записана. У него была гипотеза, что все это может быть в 3D-геноме как раз, в том, как именно хроматин уложен в ядре . С этой идеей Серов пошел и добыл денег на исследование — это довольно дорогое предприятие, так просто в геномику с ноги не зайдешь. Были закуплены нужные реактивы, оборудование, установлены контакты с теми, у кого тогда был секвенатор, и мы начали работу.

Подробнее об укладке хроматина в ядре и прочих особенностях строения и функционирования генома мы рассказали в рамках Спецпроекта «Эпигенетика», а еще у нас на сайте есть замечательная статья «Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре» [8], с которой тоже рекомендуем ознакомиться.

Первый проект был посвящен исследованию 3D-генома стволовых клеток. Но пока мы только готовились, уже вышла статья об этом. Тогда мы устроили стратегическое совещание, решали, что делать, начали накидывать идеи, где это может быть важно. Потому что у нас все было готово, можно было начинать работу. И как-то родилась идея, что плюрипотентное состояние на ранних эмбриональных стадиях должно иметь свои особенности. Много яйцеклеток и ранних эмбрионов набрать для экспериментов было сложно, а вот со сперматозоидами история другая — их собрать легче. И первый наш проект был о 3D-геномике у сперматозоидов.

От сперматозоидов до «структурного эха»: о ключевых исследованиях лаборатории в области 3D-геномики

БМ: Результаты этой работы опубликованы в 2015 году в журнале Genome Biology [9]. Было ли что-то неожиданное в результатах, какими они вообще оказались?

НБ: Эта работа мне сильно запомнилась. Она, наверно, у нас самая цитируемая по геномике. Кстати, тогда мы впервые использовали Hi-C (см. врезку). Так вот, если вспомнить биологию, то сперматозоиды маленькие и их много, а еще у них очень компактное ядро. Мы начали делать эту работу и получили результат, что, несмотря на суперкомпактную организацию, там все равно есть и ТАД, и компартменты — все то, что есть у обычных клеток, есть и в геноме сперматозоида. Выходит, геном не претерпевает больших изменений: в новый организм он переходит в таком же виде, как и был? И, казалось бы, это супер, статья — вот ровно про это.

Но для меня это было очень тяжелое время, потому что я буквально посреди ночи подскакивал и думал, что, может быть, там где-то есть ошибка. Мне казалось, не может быть такого, чтобы это суперкомпактное состояние имело ровно ту же организацию, как в обычных ядрах. Потому что там ядра банально в разы меньше, чем в обычных клетках. Но результаты у нас были, и мы опубликовали статью, а вслед за нами еще несколько научных групп опубликовали схожие результаты. Тогда я успокоился — раз все пришли к таким выводам, значит, я не накосячил. А потом вышла следующая статья, в которой авторы сказали, что вы все, кто сделал выводы раньше, ошибаетесь. Вот так вот бывает.

Оказалось, что, по большому счету, мы изучали артефакт — хроматин клеток семенников, а не сперматозоидов. Дело было в том, что мы использовали способ выделения сперматозоидов из придатков семенников, а там много клеток, которые в норме разрушаются, и сперматозоиды были покрыты хроматином этих разрушенных клеток. Его мы и изучали. А ядра сперматозоидов оказались очень устойчивы ко всем процедурам, и потому в анализ просто не попали. Я тогда написал письмо авторам статьи, что наконец-то вы разобрались, здорово. С тех пор прошло больше десяти лет, и мы до сих пор не знаем, как организован геном сперматозоида. Только недавно появились подходы, которые позволили бы изучить 3D-геномику сперматозоидов, но их пока для этого никто не использовал.

БМ: А вы не планируете вновь этим заняться? Решить эту проблему все-таки?

НБ: Она жутко сложная. Это, конечно, интересно было бы, но там реально можно положить половину своей научной карьеры. Век активного исследования у тебя не сильно большой, и не хочется что-то о стену биться.

БМ: Следующим вашим большим исследованием стало изучение эволюции архитектуры генома. По его итогам опубликована статья в журнале Nucleic Acids Research [10]. Какая там история была? Что вы хотели сделать и что получили?

НБ: Там тоже классическая история, которая в фундаментальной науке часто бывает. Стреляешь в одно место, попадаешь в другое. Там, куда попал, рисуешь цель и дальше исследуешь то, что нашел.

Тогда мы установили коллаборацию с группой Аллы Красиковой, которая в Санкт-Петербурге очень давно исследует хромосомы типа «ламповых щеток» у куриц. Дело в том, что у ранних эмбрионов хромосомы распушенные — это в микроскоп видели уже давно, выглядит это суперстранно. Решили выяснить, почему хромосома в какой-то момент своей жизни, в раннем эмбрионе, выглядит иначе. Какие-то участки распушаются, какие-то, наоборот, остаются суперплотными. Была идея, что распушенные участки соответствуют ТАДам, которые недавно обнаружили. Некоторые из распушенных участков этой хромосомы типа «ламповой щетки» были картированы, и когда ты делаешь какую-то сравнительную геномику, всегда нужен другой тип клеток, с которыми будешь сравнивать.

Мы обсуждали, думали, какие клетки курицы еще взять. Знания из области классической биологии привели нас к необычному типу клеток — ядерным эритроцитам курицы. До этого мы нашли ТАДы в фибробластах, там все было очень похоже на нормальные соматические клетки млекопитающих, а вот в эритроцитах курицы оказалось, что никаких ТАДов там на самом деле и нет (рис. 6)! Вот они прям супер по-другому организованы, чем все остальные клетки, которые мы видели. И это было, в общем, более-менее понятно, потому что ядро эритроцитов фактически молчит, там никакой транскрипции не происходит. Оно сильно разделено на эу- и гетерохроматин, и организация там совсем другая. Это был первый раз, когда мы увидели, что 3D-геном организован необычно, и написали об этом статью [10]. Она, кстати, очень хорошо цитируется.

Затем мы решили взглянуть на картину шире и выяснить, как архитектура генома устроена у других видов. Все эволюционное сравнение мы провели, по сути, in silico — исключительно за компьютером. К началу нашей работы в открытом доступе уже накопился внушительный массив опубликованных Hi-C данных. Мы взяли эти сырые массивы, перевыровняли их на геномы и принялись исследовать особенности 3D-геномов. Чего там только не было: от казуаров до кожистых черепах — настоящая экзотика! Анализ показал, что организация эритроцитов у большинства позвоночных удивительно консервативна и повторяет структуру, характерную для курицы. Любопытно, что человек не стал исключением: ядро в наших предшественниках эритроцитов — эритробластах — упаковано по тем же самым принципам.

БМ: А какие-то более близкие к человеку организмы смотрели, как у них?

НБ: У мыши смотрели. Это был единственный эксперимент в той статье. Мы получали мышиные эритробласты и смотрели ядро, там было тоже самое. Я потом немного отошел от этой темы, но в этом году коллеги из группы Вениамина Фишмана доделали работу с «ламповыми щетками» — у них вышла статья о том, как организованы хромосомы типа «ламповых щеток» [11]. Это очень хорошая работа получилась. Оказалось, что «ламповые щетки» образуются в процессе транскрипции. То есть эмбриональный геном, как сумасшедший, транскрибируется зачем-то. И это тоже большой вопрос, почему так происходит, хотя не уверен, можно ли ставить в эволюции такой вопрос — зачем это.

БМ: Давайте перейдем к следующей вашей публикации — Condensins-mediated mitotic folding persists as a structural echo in interphase chromatin [12]. Там встречается такое понятие — «вторая диагональ». Поясните, что это такое? И в целом расскажите об этой работе.

НБ: В учебниках хромосому чаще всего представляют в виде компактно свернутой спирали. Вот эта закрученность дает вторую диагональ на Hi-C-картах (рис. 7). По сути, такая спирализация — это способ компактизовать хромосому. В нормальных клетках во время интерфазы все это более-менее распушается, никаких вторых диагоналей нет, потому что почти нет спиральности. А вот в эритроцитах и эритробластах она сохраняется, потому что, хоть клетки и делятся, в них геном практически не работает, и хромосома сохраняет суперкомпактное состояние — вторую диагональ на картах.

Это отличная иллюстрация того, как устроена современная биология. В классической микроскопии все очевидно: ты увидел структуру своими глазами и описал ее. Но передовые геномные методы работают совершенно иначе — они сугубо косвенные. Hi-C дает нам лишь сухие данные о частоте контактов: мы реконструируем их по всему геному, строим тепловые карты и выявляем специфические паттерны. А дальше начинается самое сложное — интерпретация и перевод этих абстрактных сигналов на язык классической биологии. В реальности мы, конечно, не наблюдаем саму спираль в объектив. Однако строгий математический анализ контактной матрицы позволяет однозначно рассчитать, какая именно трехмерная конфигурация хромосомы могла породить такую картину.

БМ: В журнале Nature Communications были опубликованы результаты еще одного значимого исследования — TAD border deletion at the Kit locus causes tissue-specific ectopic activation of a neighboring gene [13]. Оно посвящено ТАДам, и вы показали, что разрушение одной и той же границы может давать совершенно разные результаты. Расскажите об этом, что вы обнаружили?

НБ: До сих пор речь шла преимущественно об описательных исследованиях: мы констатировали, как именно геном упакован в ядре. Однако главная загадка заключается в функциональной роли этих структур. Что произойдет, если изменить спиральную укладку? Ответа пока нет — провести подобный эксперимент технически крайне сложно. Но в геноме есть и другие элементы — ТАДы, зоны высокой плотности внутренних контактов, обособленные от соседних областей. Когда их открыли, возникла гипотеза: без столь упорядоченной архитектуры масштабный геном высших организмов просто не сможет функционировать. Чтобы выяснить последствия разрушения этого уровня организации, исследователи применили классический биологический принцип — подобно попытке починить радиоприемник: ты видишь что-то, ломаешь это и смотришь, что будет.

БМ: И что же вы сломали, чтобы найти ответы?

НБ: У нас была довольно примитивная идея: мы просто выбрали на Hi-C-карте очень яркую границу между двумя ТАДами. Справа и слева от этой границы были важные и хорошо изученные гены, регулирующие дифференцировку кардиомиоцитов. Ожидаешь, что если это что-то суперважное, то сломаешь — и ничего хорошего не будет. Мы начали ломать, это был долгий проект, еще до начала использования CRISPR, а потом уже при помощи него. Оказалось, что у мышей все равно все было в порядке. Здоровые мыши: посмотришь на них, и вообще не догадаешься, что там что-то не то.

И тут начинается самая тяжелая часть: когда у вас есть животные и вы должны описать их измененные фенотипы. Мы довольно разумно сразу ушли на молекулярный уровень. Давайте не будем на всю мышь целиком смотреть и описывать ее поведение — как она бегает или плавает. Нет, мы вытащили первичные клетки — там, где эти гены должны быть очень активны, — и посмотрели, как меняется активность генов. Оказалось, что помимо ТАДов, в которых специальные белки организуют границу, активная транскрипция тоже может инсулировать (отграничивать) контакты хроматиновых участков друг от друга. И получилось так, что основной вывод нашей статьи в том, что одна и та же мутация в разных клеточных типах вообще по-разному себя ведет, потому что на нее влияет еще и эпигенетический контекст (рис. 8А) [13].

В одних клетках одни участки хроматина открыты, в других закрыты. Меняется конфигурация, и это сказывается на том, как будут работать окружающие гены. Выходит, 3D-геном — не как шкаф с полочками, куда хроматин положили, и он там сам по себе работает. Получается, что эти полочки активно взаимодействуют со своим содержимым тоже. Регуляторные сигналы от окружения как бы считывают границу и при этом сами ее организуют тоже. Довольно сложная получилась работа, но красивая.

И в конце концов мы все-таки уже под конец этого исследования увидели, что мыши банально по цвету отличаются (рис. 8Б). Потому что две разные группы — контрольная и мыши с мутацией — всегда сидят в разных клетках. Ты берешь сначала одну мышь, потом другую, и не сразу это видишь: не было ситуации, когда они бы оказывались перед глазами одновременно. Такое случилось практически случайно, мы посмотрели: «Ух ты, они еще и по цвету отличаются!». Этому было объяснение, ведь один из генов, которого коснулись внесенные изменения, регулирует развитие меланосом. Поэтому это было изначально заложено в логике исследования, что цвет поменялся, хотя и не сильно. Мы там какие-то эволюционные рассуждения даже привели, что, может быть, в лаборатории стать чуть-чуть шоколадным — это не страшно, а в дикой природе тебя съедят, и ты не оставишь потомства. И это может быть замечено естественным отбором, поэтому ТАДы важны.

Еще они важны в контексте заболеваний. Три гена из тех, с которыми мы работали, в некоторых опухолях очень активно включаются в работу, в том числе, например, в глиомах. Агрессивные, с плохим прогнозом опухоли во многом зависят именно от одного из генов, который мы исследовали: он находится рядом с границей ТАДа. Другие исследователи описали, что, если меняется структура 3D-генома, этот ген попадает под влияние отдаленного энхансера, и это является такой положительной обратной связью, которая подкрепляет деление этих раковых клеток.

БМ: А сейчас вы продолжаете исследования в этой области?

НБ: Да, мы сейчас активно этим занимаемся. В одной из последних работ, которая пока находится в разработке, мы исследуем, как когезин — белковый комплекс, участвующий в формировании петель хроматина, — влияет на механические свойства ядра клетки. Мы удаляем когезин из клеток и смотрим, как меняется механика ядра: например, с помощью атомно-силовой микроскопии измеряем, становится ли оно мягче или жестче. А еще заставляем клетки проходить через очень узкие поры, моделируя ситуацию, с которой они сталкиваются, например, при метастазировании. И оказалось, что без когезина клетки становятся гораздо более активными и значительно лучше проходят через эти поры. Экспериментальная часть этой работы в основном выполнена методом микроскопии, и меня это особенно радует, потому что здесь результат буквально можно увидеть своими глазами: клетки пробежали через пору — ты просто смотришь и считаешь, сколько оказалось с другой стороны. Не нужно потом строить сложные математические модели, чтобы понять, что произошло.

При этом полностью удалить когезин из клетки и долго наблюдать за ней мы не можем: когезин необходим для нормального клеточного цикла, и клетки без него в итоге погибают, в том числе потому, что не могут нормально поделиться. Поэтому мы используем систему индуцируемой ауксином деградации белка — ауксиновый дегрон. Она позволяет очень быстро и контролируемо убрать нужный белок из клетки: после добавления ауксина его уровень резко снижается буквально в течение нескольких часов. Таким образом, у нас появляется ограниченное окно — примерно сутки — когда когезина уже практически нет, но клетки еще живы, и с ними можно экспериментировать. Дальше им становится плохо, и они начинают погибать.

Вообще, ауксиновые дегроны — одна из «фирменных» технологий нашей лаборатории «на экспорт». Мы создаем для коллег уникальные клеточные модели для исследования функций разных белков. Это особенно важно там, где обычный нокаут невозможен: если ген полностью ген, клетка просто не выживает. А здесь мы можем сделать все гораздо аккуратнее — сначала получить нормальную жизнеспособную клеточную линию, а потом в нужный момент быстро удалить конкретный белок и посмотреть, что случится.

БМ: Здорово, что такая вот с одной стороны более классическая биология тоже в деле. Можете теперь рассказать про структурное эхо митоза? В этой статье [12] вы делаете вывод, что клетка помнит предыдущий митоз. Это вообще возможно?

НБ: С одной стороны, это более-менее очевидная вещь, а с другой — прямо этого никто и не показывал. Хроматин может находиться в двух принципиально разных состояниях: в интерфазном ядре клетки и в составе хромосомы во время митоза. В митозе это классические хорошо видимые в микроскоп «буквы Х» с плотной упаковкой ДНК; а в интерфазном ядре все это расплетается, структура хромосомы исчезает, и в микроскоп ее уже не увидишь. А в этой работе мы показали, используя модели на основе Hi-C, что закрученность митотической хромосомы в интерфазе, несмотря на общую потерю формы, сохраняется [12]. Этот эффект мы и назвали «структурное эхо митоза» — чтобы получше продать работу, повысить цитируемость, пропагандировать открытие: решили, что аналогия с эхом окажется привлекательной, и не прогадали.

Еще мы посмотрели, как поменяется транскрипция генов, если мы сломаем один из архитектурных белков и погасим эхо: ничего не поменяется. Понятно, что это на культуре клеток, а не в сложном организме. У клеток очень простая жизнь — надо поделиться и не умереть между делениями. Наверное, если убрать эхо в программе эмбрионального развития, начнутся проблемы. Но в простых моделях — в чашке Петри — вообще ничего не меняется.

О лаборатории геномики развития, поиске баланса и внедрении ИИ в рабочие процессы

БМ: Теперь давайте поговорим о вашей лаборатории. Когда вы придумываете для своих открытий такие метафоры и красивые словосочетания, как у вас это работает? У вас есть, например, поэтичный биолог, отвечающий за такую беллетристику?

НБ: Помогает писать сейчас всем один товарищ — ИИ. Но не только, конечно. У нас проходят регулярные семинары и обсуждения, в которых многое рождается. Все примерно одинаковый вклад вносят — отдельных поэтов и художников у нас нет :-) А вообще, это такой способ разбавить рутину — такие вот шуточки, закинутые в статью, просто помогают жить (рис. 9). Однажды мы писали сложную статью — а два ключевых сотрудника в тот момент стали родителями. Далось им это тяжело, но зато в раздел «Благодарности» мы написали имя ребенка, что вот большое ей спасибо за предоставленное время для работы и продуктивные дискуссии. Никто, кроме нас троих, этого не поймет, но все равно потом на душе приятно, когда вспоминаешь.

БМ: Классная история. А сколько у вас в лаборатории человек сейчас трудится?

НБ: Ответить непросто: у нас довольно необычное устройство коллектива. Мы выросли из Лаборатории генетики развития, но постепенно перешли на гибкую проектную структуру. В отделе есть несколько независимых научных лидеров — я, Вениамин Фишман (тоже выходец из школы Олега Леонидовича Серова) и коллеги с группами поменьше. Руководят темами три человека, а вот сами команды свободно пересобираются: под каждую задачу подключаются 3–5 исследователей. Нередко мои проекты двигают ученые, формально ко мне вообще не приписанные. Если смотреть по штатному расписанию, у меня в лаборатории всего пять научных сотрудников плюс студенты с аспирантами. А если брать весь отдел целиком — это уже солидная команда человек в сорок.

БМ: Чувствуете ли вы нехватку каких-то специалистов?

НБ: Конечно, такое бывает, и тогда мы просто ищем коллабораторов. В современной науке, мне кажется, без этого никак. Можно все самому сделать, но это непродуктивно, потому что на смену специализации надо потратить 2–3 года в зависимости от того, насколько далеко ты от своей области уходишь. Проще, конечно, найти коллаборатора. Ну как проще? Это тоже большая сложность, на самом деле. Мы в основном работаем в геномике, а это два типа специалистов: «мокрые» (экспериментаторы) и «сухие» (кто обрабатывает данные). Вот Вениамин — он сам сначала начал, а потом вырастил целую плеяду биоинформатиков. И это, конечно, нам сильно помогло начать анализировать все самим — отдавать на сторону, это всегда тяжело получается.

БМ: Есть у вас ребята-универсалы, кто и в мокрую часть, и в сухую легко заходит?

НБ: Когда я только пришел в лабу, у нас было жесткое разделение. Были культуральщики, цитогенетики, молекулярщики — информатиков тогда не было. Со временем мы пересмотрели эту структуру, и теперь чаще один человек делает ключевые этапы всей работы. А с появлением ИИ в последние годы это еще больше поменялось, потому что у нас есть люди, которые делают руками эксперимент, создают генетические конструкции, работают с клетками, делают из этого геномные библиотеки, а потом сами же анализируют эти данные. Получается, что все основные этапы целого исследования находятся в одних руках — весьма продуктивно.

БМ: Наверное, это проще, не надо вникать кому-то новому?

НБ: Ну да, плюс раньше у нас как было? Вот, допустим, прошел эксперимент, получились данные — и их анализ был в два раза дольше, чем сам опыт. Сначала экспериментатор обсуждает с биоинформатиком дальнейший анализ, и они вырабатывают стратегию; потом биоинформатик на неделю уходит и реализует это в коде, делает картинки; потом все опять собираются смотреть результаты. Тут же рождается идея: «А вот давайте мы не будем нормироваться путем деления, а вместо этого возьмем логарифм». Информатик все это записывает — и еще на неделю пропадает.

А теперь все в руках одного человека. Ты прямо сидишь с ИИ и говоришь: «Давай теперь убери здесь, там шкалу поменяй» — и все это в режиме диалога. Скорость анализа резко возросла. При работе с ИИ ты должен понимать, что происходит, и сохранять критическое мышление. Если есть проблема — обязан увидеть ее и придумать, как все исправить.

БМ: А можно у вас в лаборатории переходить с задачи на задачу? Или вся работа подвязана на магистерскую, кандидатскую, и поэтому в этом нет смысла?

НБ: У нас нравы в этом смысле хорошие, свободные. Но наука всегда неравномерна: сегодня у тебя загрузка такая, что ты не знаешь, как передохнуть и чашечку чая выпить, а следующую неделю у тебя нет задачи — растут клетки, ты их пересаживаешь, а это занимает 20 минут в день. Поэтому мы стараемся привлекать людей ко многим проектам — это более продуктивная стратегия. Бонусом идет соавторство в публикациях, конечно.

БМ: Расскажите о том, откуда берется финансирование, как распределяется, из чего складывается? Насколько сложно поддерживать сейчас дорогостоящие эксперименты?

НБ: Это непростая тема, источников сейчас мало, и они стали все какие-то нетрадиционные. Лет 5–6 назад единственные деньги, на которые мы делали науку, шли через научные фонды — РФФИ, РНФ. Эти фонды хороши тем, что у них прозрачная система, с очень высоким доверием. Еще были какие-то большие фонды, которые не так прозрачно распределялись.

Сейчас структура меняется. При этом РНФов в нашей группе по-прежнему довольно много: у меня есть один крупный грант, еще один крупный РНФ выполняется в лаборатории моим сотрудником. Кроме того, у нас около пяти небольших, в том числе молодежных, грантов. Мы их получаем, но науку на этом сложно делать, потому что эти деньги очень дорогие по отчетности — приходится писать много отчетных статей, которые тебе не нравятся. Мне очень сложно писать работы, которые нужны исключительно для отчета, я прям сильно с этого прокрастинирую. При этом я понимаю, что у нас относительно хорошо с финансированием сейчас. Часть моей группы входит в проекты, которые Вениамин делает в «Сириусе», и некоторая доля финансирования идет оттуда.

Плюс есть работа по НИР, когда исследования заказывают компании — некоторое количество таких проектов у нас есть. Они ориентированы на практику, но это тоже позволяет поддерживать работу. Но, как и всегда, это палка о двух концах: по таким разработкам публикаций нет. Ты работаешь, но твое время не превращается в статьи, а для ученого статьи — это важно. Не будет у тебя статей — тебе РНФ не будут давать, прервется другой источник финансирования. Поэтому нужно балансировать. Мы этим активно занимаемся, и вроде как пока неплохо.

БМ: А если немножко помечтать, если бы вы получили неограниченный бюджет, что бы сделали в первую очередь?

НБ: Ну, глобально у нас, в общем-то, неплохо сейчас закрыты все такие хотелки. Хотя я все мечтаю уже лет 5–7 купить электропоратор. Он, на самом деле, недорогой, и относительно наших бюджетов это немного. Основная причина в том, что электропоратор, которым мы трансформируем бактерии, находится на третьем этаже, а мы в цокольном помещении располагаемся — то есть четыре этажа наверх надо пройти пешочком. Но каждый раз мы такие: «Ну, спорт, ничего страшного». Это очень биологический подход: пока ты выживаешь — значит, все хорошо. Не нужно быть лучшим — надо быть живым.

Об изолированности и неудачах, которые тоже становятся значимым результатом

БМ: А каково место вашей группы в мировом сообществе 3D-геномики?

НБ: Если говорить объективно, то, конечно, мы занимаем скромное место. Но меня радует, что тем не менее мы на хорошем уровне в мире работаем. Можем выпускать работы в хороших журналах — Nucleic Acids Research, Nature Communications.

БМ: А международные сотрудничества сейчас есть?

НБ: Минимальные остались контакты, но по большому счету все прекратилось.

БМ: Но были они?

НБ: Были, да. Мы входили в консорциумы. Но с этим сложно стало сейчас, закрытость чувствуется.

БМ: А когда вы еще активно сотрудничали, чувствовалась разница между научными школами?

НБ: Я чувствовал пиетет, что я из Сибири, а это мировые светила науки. Мы пересекались на конференциях с пионером в создании трансгенных животных моделей немецко-американским молекулярным биологом и генетиком Рудольфом Йенишем и одним из разработчиков метода Hi-C американским молекулярным биологом Джобом Деккером. При встрече я был взволнован, а как они ко мне относились — уж не знаю.

БМ: А чего сейчас не хватает?

НБ: Вот это ощущение закрытости — оно, конечно, сильно мешает. Прямой конкуренции не ощущается, мы находимся в ситуации, когда для работы надо добывать наполовину китайские реактивы. И ощущение гонки, конкуренции немного притупилось. Ты бежишь и пытаешься на равных конкурировать с большими мировыми научными группами. На конференции тяжелее стало ездить. Это, конечно, большой минус.

БМ: А расскажите об истории разработки в контексте мировой гонки. Вы делали модель мыши, восприимчивой к SARS-CoV-2, для последующего использования в разработке лекарств от COVID-19. Насколько получалось быстро все делать?

НБ: Мы отстали на месяц от того момента, когда в эту гонку надо было вступать. Вначале мы сделали трансгенных мышей, которые должны были быть восприимчивы, но оказались невосприимчивы из-за того, что промотор, который мы использовали, имел незадокументированную особенность: он выключался в раннем эмбриональном развитии и больше не включался. Конструкция трансгена прямо реально как пазл собирается, и у нас там уже был промотор, который в составе конструкции стоял. Мы решили: «Ну давайте его оставим, по характеристикам подходит». И вот это «ну давайте оставим» привело к тому, что трансген не сработал.

Эта история, конечно, подкосила нас, потому что мы у финиша споткнулись, и все — дальше уже в этой гонке особо не участвовали, потому что пришлось откатиться назад и вообще все заново начинать. И к тому моменту, как мы сделали этих мышей, отставали уже года на полтора, что по меркам этой стремительной пандемии было слишком много. Но мы все-таки их сделали и задействовали уже в двух работах, сейчас третья идет с их участием.

БМ: Этот случай вы, наверное, отрефлексировали всей лабораторией, да?

НБ: Мы могли бы ничего не делать, но мы выпустили статью [14], прямо посвященную тому, что этот промотор не надо использовать. И это, мне кажется, большой наш вклад в мировую науку. Спасли множество лабораторий от таких же бесплодных действий.

Будущее 3D-геномики — в деталях

БМ: А с Hi-C сейчас делаете что-нибудь?

НБ: Да, Hi-C — основной метод в моей фундаментальной работе, связанной с 3D-геномикой. Мы продолжаем изучать пространственную организацию генома и роль различных белков в поддержании этой структуры: топоизомераз, конденсинов первого и второго типов и других факторов. Такие исследования позволяют лучше понять, как устроен и функционирует 3D-геном, и при этом их результаты проще публиковать.

А вот просто создать новую трансгенную мышь, если за этим не стоит действительно интересный результат, уже недостаточно для серьезной публикации. Конечно, хочется заниматься тем, что тебе интересно, но при этом нужно понимать, на какие средства ты будешь проводить эти исследования. Поэтому научные интересы приходится соотносить с возможностями их финансирования.

БМ: Вернемся к 3D-геномике, какое у нее будущее? Как вы думаете, что будет дальше?

НБ: Мне кажется, что золотые годы 3D-геномики уже позади. Когда открылся этот новый уровень организации, казалось, что вот сейчас он все объяснит. Он что-то объяснил. Оптимистичные надежды были, что это прямо самый важный уровень. Но нет — это один из уровней, он вносит свой вклад в некоторых случаях. Наша картинка того, как работает геном, стала более ясной, но мне кажется, что каких-то больших прорывных открытий там уже не будет.

БМ: Но еще же есть, что сказать 3D-геномике?

НБ: Конечно, есть. Но это будут детали: прояснятся эволюционные аспекты — например, почему хроматин одних видов постоянно перемешивается, а другие могут без этого обходиться, как с этим связана репарация генома. Или вот мы видим, что, если убрать основной архитектурный белок хроматина — когезин, — количество разрывов в ДНК резко возрастает, стабильность генома падает. И мы сейчас пытаемся тоже в этом направлении продвинуться, понять, почему так происходит. Это важно для терапии онкозаболеваний. Понимание 3D-геномики продвинет эту область.

БМ: А если, например, какие-то особенности в 3D-геномике будут способствовать развитию того же генетического редактирования, технологии CRISPR, например?

НБ: Я говорю, что век 3D-геномики прошел, а сам думаю: «Вот теперь попробуй объяснить, зачем ты этим занимаешься, если все так неперспективно». Нет, важно понимание, что генетическое редактирование, завязанное на разрыве ДНК, тесно связано с 3D-геномикой. Все эти белки, которые организуют нормальную структуру хроматина, — они тоже организуют и структуру хроматина в разрыве. Ведь CRISPR — это действительно просто ножницы, а всю основную работу проводит система репарации клетки. И в этом отношении тоже нужны дополнительные фундаментальные исследования: там много белых пятен.

БМ: Что вам сегодня кажется невозможным, но через 20 лет станет обычной практикой, как вы думаете?

НБ: Наверное, одна из самых очевидных областей — ксенотрансплантация. Мне кажется, что в ближайшие 20 лет пересадка органов от генетически модифицированных свиней вполне может стать обычной медицинской практикой. Мы уже пытаемся перенести на свиней наш опыт генетической модификации мышей и создавать модели, которые в будущем можно будет использовать и для ксенотрансплантации, и для моделирования заболеваний, и для испытания препаратов.

И мне нравится, что в этой работе фундаментальная биология постоянно соседствует с очень практическими задачами. Сегодня ты обсуждаешь, как когезин формирует петли хроматина и влияет на работу генов, а через пять минут уже выбираешь катетеры и оборудование для операции на свиньях. Мне кажется, именно такие неожиданные переходы между фундаментальными исследованиями и практикой через 20 лет могут стать совершенно обычными.

БМ: А какую задачу в геномике вы бы хотели решить вот так вот, не ограничиваясь какими-то обязательствами по грантам или привязкой к бюджету?

НБ: Зачем нужны ТАДы? Вот мы сломали один ТАД, показали, что они участвуют в регуляции активности генов. Но глобально все равно непонятно — зачем. Границы ТАДов — очень консервативные, эволюция их сохраняет. Трудно объяснить стороннему человеку, почему это важно. Но мне было бы интересно ответить на этот вопрос, потому что мы много лет этим занимаемся, и все равно непонятно, зачем такая консервативность, зачем такая странная организация генома у позвоночных.

БМ: Давайте завершим интервью на хорошей ноте — вспомните какую-нибудь веселую историю из лаборатории?

НБ: Однажды я стал донором клеток: просто ребятам из другой лаборатории нужны были нормальные клетки. Я поделился фибробластами, и теперь мои клетки гуляют где-то, в банке лежат, периодически в какие-то исследования попадают. Вот, по-моему, в этом году вышла статья с моим участием, но не в авторах. Еще они как-то сделали электронную микроскопию моих клеток, и было очень забавно посмотреть на себя прямо изнутри, увидеть свои митохондрии, свой аппарат Гольджи. Мне это очень понравилось. Коллеги сказали, что у меня очень красивые митохондрии. Я ответил, что это от мамы ❤️.

Литература

1. Новый взгляд на геном: не просто цепочка генов, а трехмерная сеть, интегрирующая функциональные домены ядра;
2. Молекулы‌ ‌и‌ ‌эпигеном‌ ‌;
3. Была клетка простая, стала стволовая;
4. Ствол и ветки: стволовые клетки;
5. Такие разные стволовые клетки;
6. Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки;
7. 12 методов в картинках: клеточные технологии;
8. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
9. Nariman Battulin, Veniamin S Fishman, Alexander M Mazur, Mikhail Pomaznoy, Anna A Khabarova, et. al.. (2015). Comparison of the three-dimensional organization of sperm and fibroblast genomes using the Hi-C approach. Genome Biol. 16;
10. Veniamin Fishman, Nariman Battulin, Miroslav Nuriddinov, Antonina Maslova, Anna Zlotina, et. al.. (2019). 3D organization of chicken genome demonstrates evolutionary conservation of topologically associated domains and highlights unique architecture of erythrocytes’ chromatin. Nucleic Acids Research. 47, 648-665;
11. Timofey Lagunov, Maria Gridina, Artem Nurislamov, Tatiana Kulikova, Antonina Maslova, et. al.. (2026). The 3D genomics of lampbrush chromosomes highlights the role of active transcription in chromatin organization. Nucleic Acids Research. 54;
12. Anastasia Yunusova, Egor Tsoi, Alexander Smirnov, Tatiana Shnaider, Inna Pristyazhnuk, et. al. Condensins-mediated mitotic folding persists as a structural echo in interphase chromatin — openRxiv;
13. Evelyn Kabirova, Anastasiya Ryzhkova, Varvara Lukyanchikova, Anna Khabarova, Alexey Korablev, et. al.. (2024). TAD border deletion at the Kit locus causes tissue-specific ectopic activation of a neighboring gene. Nat Commun. 15;
14. Alexander Smirnov, Artem Nurislamov, Galina Koncevaya, Irina Serova, Evelyn Kabirova, et. al.. (2024). Characterizing a lethal CAG-ACE2 transgenic mouse model for SARS-CoV-2 infection using Cas9-enhanced nanopore sequencing. Transgenic Res. 33, 453-466.