Молекулярная биология на данный момент представляет из себя типичный фронтир, научный эквивалент Калифорнии времен золотой лихорадки (все же читали Джека Лондона, да? Нет, не «До Адама», там про программистов). А ведь, как все мы усвоили из художественной литературы, Дикий Запад — это не только жуткие болезни, скальпы, беспорядочная стрельба, беспринципность, звериная жестокость, грязь, вонь и бескультурье, а еще и возможность заработать себе на жизнь несколько монет, показать свое беспримерное мужество и вообще хорошо провести время. Надеюсь, эта заметка раззадорит вас, и вы тоже рискнете намыть немного золотишка.

Этот текст можно рассматривать как короткую и несерьезную зарисовку о современном положении дел в системной биологии.

Быт фронтира

Начало 2015 года выдалось для биологов увлекательным, хотя и несколько обескураживающим. Сперва нам сообщили, что изменение уровня мРНК, на котором основано определение экспрессии генов, может очень мало коррелировать с изменениями концентрации белков [1]. Потом рассказали, что у млекопитающих тоже бывает горизонтальный перенос генов на примере раковых клеток, ворующих у организма митохондриальную ДНК (рис. 1) [2]. А на десерт поведали о белке Rqc2p, который может без участия мРНК рекрутировать тРНК и обеспечивать рост полипептида в рибосоме (рис. 2) [3].

Американские журналы и блоги, пишущие о науке для широкой публики, в очередной раз запестрели броскими заголовками наподобие «Время выбрасывать учебники в мусорное ведро!». Сникли пожилые миллиардеры и геронтократы всех мастей, и даже Джон Маккейн и Дик Чейни перестали потирать холодные руки в ожидании бессмертия и, как следствие, неминуемого мирового господства (рис. 3). Нам очередной раз убедительно показали, как же мало мы знаем о живых клетках.

Впрочем, выбрасывать книги — вообще варварство, которое в случае с молекулярной биологией еще и опасно для окружающих (можно кого-нибудь зашибить насмерть, вы же видели эти кирпичи). Плюс такое обхождение с учебниками, наверное, особенно обидно для тех, кто пытается их писать. Дело это поистине неблагодарное и, в отличие от написания букварей для американских университетов, довольно плохо оплачиваемое. Современная биология более всего походит на ядерную физику начала 20-го века, когда нормальная для естественных наук цепочка «ничего нового здесь уже не открыть» — «мы — повелители Вселенной» — «мы вообще ничего не понимаем» проходилась всем научным сообществом по много раз за десятилетие (рис. 4).

Ситуация для работающих в отрасли на сегодняшний день усугубляется тем, что новые методы требуют всё более серьезных навыков обращения с компьютером, а также знаний математики и статистики [4]. К сожалению для многих, в современную биологию уже нельзя «сбежать» от математики, если та донимала вас в школе. Например, вопросы того, что же является существенным [5], занимают всё более важное место в интерпретации результатов, и уже давно не рассматриваются как вторичные. Анализ результатов секвенирования требует умения писать небольшие программы и обращаться с файлами гигантских размеров [6]. В целом, как и ожидалось уже очень давно, биология становится всё более точной наукой, а значит — наукой более математизированной [7]. Однако скорость накопления информации не дает устояться стандартам, и начинающего биоинформатика встречает поистине обескураживающее разнообразие программ и подходов (рис. 5).

Революция в секвенировании

Высокоэффективное секвенирование ДНК произвело настоящую революцию в молекулярной биологии [6, 8]. Прежде всего, были радикально пересмотрены взгляды на строение генома — как человека, так и десятков тысяч других организмов, включая сотни животных. Развитие технологии RNA-Seq позволило, с одной стороны, более точно оценить экспрессию генов количественно, а с другой — найти тысячи ранее неохарактеризованных РНК [9] и описать их новые типы. Удачное сочетание известного ранее метода иммунопреципитации с секвенированием, известное как ChIP-Seq, радикально расширило представления об эпигенетических модификациях гистонов, и о том, как работают транскрипционные факторы.

Бисульфитное секвенирование и DNase-Seq дали нам информацию о метилировании ДНК и о том, какие участки ДНК являются наиболее открытыми, а значит, наиболее активными в данной ткани или при данных условиях. Особую пикантность ситуации добавило просто невероятное (и ставшее уже притчей во языцех) падение цен на секвенирование — на определенном отрезке оно даже значительно обогнало закон Мура, который является эмпирическим правилом, описывающим технологический прогресс в какой-либо отрасли. На данный момент цена секвенирования генома человека оценивается примерно в $1000 [10, 11, 12], в то время как бюджет пилотного Human Genome Project [13], часто не совсем корректно сравниваемый с этой ценой, составлял около 3 миллиардов долларов (рис. 6).

В сочетании с методами проточной цитометрии и молекулярного штрихкодирования современное секвенирование породило совсем уж фантастические методики типа CytoSeq [14], позволяющие скрупулезно промеря́ть уровни активности генов в каждой индивидуальной клетке [15].

Надежды, связанные с новыми методами, были самыми смелыми и всеобъемлющими. Тем не менее, объем данных нарастал со сверхъестественной скоростью, а наша способность извлекать информацию из экспериментов всё сильнее отставала (и отстает) от скорости их накопления. Быстрых решений тут не существует — фактически, речь идет о серьезнейших методологических проблемах, с которыми, с большой вероятностью, в будущем столкнется ещё немало наук. Как и в любых других случаях, можно пробовать учиться на успешных примерах — на том, что в американской традиции называется success stories. Например, можно вспомнить открытие длинных некодирующих РНК, которое можно считать каноническим примером случая, когда интегративный анализ компьютерных данных привел к большому биологическому открытию (рис. 7).

А как же быть с книгами? Возможно, мы лично наблюдаем перерождение методов обучения, необходимых для успешной работы в активно растущей области. Практически никто не способен прочесть и осмыслить даже 10% статей по какой-либо глобальной биологической теме, будь то апоптоз, диабет или метаболизм аминокислот. Однако не менее серьезной проблемой является освоение новых междисциплинарных методов на практике: биологу настолько же трудно понять разницу между 80 существующими программами для выравнивания коротких прочтений, насколько программисту трудно прочувствовать разницу между первичной клеточной культурой и клеточной линией.

Семинар по системной биологии 2015

С нашей точки зрения, одной из разумных альтернатив являются короткие, интенсивные школы, сочетающие в себе как теоретические занятия, так и примеры их практического применения. В прошлом году мы попробовали провести такую школу с ИТМО и Институтом биоинформатики и остались крайне довольны результатами.

В нынешнем (2015) году 21–24 мая мы опять устраиваем ее, но в слегка изменившемся формате. На этот раз организуем семинар за городом, что позволит участникам максимальное количество времени посвятить занятиям.

Покрытие тем остается примерно тем же — мы обсудим высокоэффективное секвенирование и его применение к анализу экспрессии, транскрипционных факторов и эпигенетических модификаций. Будут рассмотрены вопросы интеграции транскрипционных профилей с метаболическими данными и другие интегративные подходы, позволяющие привести многочисленные геномные эксперименты к интерпретируемому биологическому результату. Наконец, мы расскажем о том, как секвенирование позволяет характеризовать генетический полиморфизм и увязывать определенные генетические особенности с фенотипом. Участвовать могут как информатики, так и биологи. Заявки принимаются до 22 марта 2015 г.: bioinformaticsinstitute.ru/sbw2015. Если вам интересно, задавайте вопросы, и — добро пожаловать!

Литература

1. Battle A., Khan Z., Wang S.H., Mitrano A., Ford M.J., Pritchard J.K., Gilad Y. (2015). Impact of regulatory variation from RNA to protein. Science. 347 (6222), 664–667;
2. Tan A.S., Baty J.W., Dong L.-F., Bezawork-Geleta A., Endaya D., Goodwin J. et al. (2015). Mitochondrial Genome Acquisition Restores Respiratory Function and Tumorigenic Potential of Cancer Cells without Mitochondrial DNA. Cell Metab. 1 (21), 81–94;
3. Shen P.S., Park J., Qin Y., Li X., Parsawar K., Larson M.H. et al. (2015). Rqc2p and 60S ribosomal subunits mediate mRNA-independent elongation of nascent chains. Science. 347 (6217), 75–78;
4. Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
5. Lowe D. (2015). Underpowered And Overinterpreted. In the Pipeline (blog on Corante);
6. Код жизни: прочесть не значит понять;
7. Вычислительное будущее биологии;
8. 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
9. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
10. Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека;
11. Технология: $1000 за геном;
12. Огурцы-убийцы, или Как встретились Джим Уотсон и Гордон Мур;
13. Геном человека: как это было и как это будет;
14. Fan H.C., Fu G.K., Fodor S.P.A. (2015). Combinatorial labeling of single cells for gene expression cytometry. Science. 347 (6222). doi: 10.1126/science.1258367;
15. Разработан метод анализа экспрессии генов на уровне индивидуальных клеток.