В неприметном ангаре на окраине Бристоля (Великобритания) в емкостях с формальдегидом плавают 9000 плацент. В 25 километрах оттуда, в подвале университетского здания в подписанных коробочках, собранных в кассы, хранятся зубы более 4000 детей. В соседнем помещении содержится коллекция 15000 образцов состриженных ногтей и 20000 детских локонов. Холодильные камеры полны снабженными штрихкодами образцами крови, плазмы, мочи, слюны и остатков пуповин... Всего в этой зловещей на первый взгляд коллекции более миллиона образцов.

Но является ли все это плодом неутомимой работы банды зловещих маньяков из фильма в стиле трэш-хоррор? Ответим сразу: нет, не является. Эта база образцов возникла в результате уникального по своим масштабам эксперимента над людьми. Этот проект был начат в 1990-м году, когда около 14500 беременных женщин подписали согласие на участие, которое подразумевало неусыпный контроль над их состоянием и состоянием их детей — начиная с внутриутробного развития и далее в течение всей жизни. Все участники проживали либо в Бристоле, либо в близлежащих землях графства Эйвон. Женщины заполнили не менее ста страниц анкет каждая — там были вопросы про здоровье, работу, дом, семью, отношения, привычки и многое другое. Детей изучали еще подробнее — кроме стандартных медицинских обследований, это еще многочисленные анализы и забор биологического материала, о котором шла речь в первом абзаце.

Начиная с рождения, о каждом ребенке, включенном в исследование, собирали базу фактов: когда ребенок заговорил, хорошо ли ест, часто ли болеет, как часто читали ему родители в детстве, когда он достиг половой зрелости, начал употреблять алкоголь или впервые занялся сексом, во сколько лет покинул родительский дом. К настоящему времени на сбор и хранение этих данных потрачено 42 млн. £, что не так уж и много, если разделить на более чем два десятилетия.

Исследования, подобные бристольскому, называются когортными, и 18 апреля 2012 года руководители проекта встретятся в Бристоле с коллегами и представителями правительства, чтобы обсудить, каких же успехов достигло их детище к моменту «совершеннолетия». Проект носит название Эйвонского многолетнего исследования детей и родителей (ALSPAC, Avon Longitudinal Study of Parents and Children), и известен также как «Дети 90-х». Директор проекта Джордж Смит (Georgie Davey Smith) так объясняет смысл затеи: «Это, несомненно, крупнейший банк фенотипов и биопроб, собранных на уровне крупных когорт» [1].

На собранном материале сделано более 700 научных работ, начиная от диетических рекомендаций матерям и заканчивая выявлением генетических факторов, определяющих рост плода, ожирение, аллергии и проблемы с плотностью костей [2], [3]. Хотя кое-какие зависимости исследователям обнаружить удалось, пока это лишь малая часть того, что предположительно может скрываться в необъятном массиве данных. А тем временем, объем информации начинает увеличиваться лавинообразно — следуя современным тенденциям [4], ученые прочли полную последовательность ДНК у 2000 участников исследования, но вряд ли расшифровать эту информацию будет просто [5]. Важную роль здесь отводят эпигенетике — химическим модификациям молекулы ДНК, не меняющим ее последовательности, однако влияющим на активность генов самым прямым образом. Современные геномные и эпигеномные технологии вселяют в сердца ученых надежду, что они смогут наконец-то перейти от довольно мутных корреляций типа «употребление рыбьего жира матерью благосклонно сказывается на интеллекте ребенка» к конкретным генетическим и биохимическим механизмам этих явлений — если они есть, конечно.

И вот сейчас, когда у первых участников исследования уже появляются свои собственные дети, как никогда раньше актуален вопрос: а есть ли на самом деле отдача от этого дорогостоящего каталогизирования всех и вся?

Зачатие и рождение

История когорты ALSPAC начинается в 1990-м году, когда Джин Голдинг (Jean Golding), по основной профессии математик, «переквалифицировалась» в биологи и начала изучать статистические закономерности, связанные с внутриутробной и ранней детской смертностью. Главным ее желанием было понять, как события во время беременности и раннего детства влияют на дальнейшую жизнь и здоровье человека. Ей стало ясно, что разобраться в такой проблеме можно только основав большую когорту, наблюдение за членами которой начинается еще в материнском чреве и продолжается так долго и проводится так подробно, как только возможно. Однако инвесторы считали, что финансировать такую когорту — все равно, что пытаться наполнить бездонную бочку.

Но Голдинг не сдавалась. Она писала гранты, соблазняя финансирующие организации перспективами лечения различных заболеваний. Чтобы создать общественный резонанс, она выступала по радио и на ТВ. И дело выгорело: первоначальное финансирование было получено, и 14541 беременная женщина в период с апреля 1991-го по декабрь 1992-го согласилась участвовать в когорте (согласно оценкам, это не менее 70% всех беременных женщин того округа на тот период). Первым материалом в деле стали плаценты, к которым не замедлили присоединиться и другие образцы тканей (кровь, слюна, моча и многое другое). По каждому подопытному собирали массу биографической информации: до какого возраста был на грудном вскармливании? Применялось ли лечение антибиотиками? Много ли ребенок смотрит телевизор? Есть ли в доме тараканы? (рис. 2)

Тем временем деньги таяли, а надежды на получение нового финансирования были призрачными. Долгое время Голдинг выдавала зарплаты в полной уверенности, что это последние деньги. Ясно, что в такой обстановке речи о сколько-нибудь подробном анализе собираемых данных речи не шло.

Детство, отрочество, юность

Однако дело выстояло. Родители первых участников стали присылать молочные зубы своих чад. Исследователи нашли в себе силы проанализировать первые закономерности, в частности — ставшую расхожей взаимосвязь между употреблением матерью во время беременности рыбьего жира и остротой зрения и интеллектом ее ребенка [6], [7]. А еще была выявлена связь между аллергией на арахис и арахисовым маслом, входящим в состав многих лосьонов для детской кожи — а это уже напрямую затрагивало индустрию [8].

А на втором десятилетии существования проект получил, наконец-то, надежное финансирование — британские агентства по финансированию науки Medical Research Council и Wellcome Trust «скинулись» и выделили на период 2001–2014 гг. 21 млн. £, а, кроме того, эйвонской когорте стали намного охотнее давать «обычные» исследовательские гранты.

В «подростковом» возрасте исследование добралось и до проблем подростков — в частности, выяснилось, что целых 19% юношей и девушек 16—17-ти лет режут себе руки или наносят какой-то еще физический вред. А к 18 годам до 10% подопытных испытали психоз в той или иной форме — оба этих показателя оказались значительно выше, чем считалось до того.

В 2007-м году появились первые результаты генетического анализа на материале когорты «детей 90-х», хотя вначале идея изучения полных последовательностей ДНК казалась сомнительной: несмотря на заявленную «расшифровку» генома человека в 2001-м [9], несколько лет еще фактически никто не имел доступа к такой информации, да и не умел ее анализировать. Был проведен масштабный поиск ассоциаций однонуклеотидных полиморфизмов в геноме со склонностью к полноте, и такая связь была найдена: обладатели определенного аллельного варианта гена FTO весили в среднем на 3 кг больше, нежели обладатели более «легкой» его версии [3]. И это не единственный пример, когда находили связь сложного фенотипического признака с генами — однако в большинстве случаев механизм явления остается не понятым, да и к тому же «сила сцепления» редко бывает высокой.

Еще одна проблема в том, что найти корреляцию — еще абсолютно не обозначает выявить причинно-следственную связь: например, бедность часто связана с полнотой, однако определяет ли одно другое? И многие другие социальные факторы часто коррелируют друг с другом: курильщики в среднем употребляют больше алкоголя, едят более вредную пищу, имеют более высокое артериальное давление и другие показатели болезней.

Одна из возможностей установить причины и следствия — сравнение когорт между собой: например, у эйвонской когорты грудное вскармливание коррелирует с более стройной фигурой, отсутствием гипертонической болезни, более высоким интеллектом и рядом других хороших вещей. Однако здесь не понятно, что первично: в Великобритании кормление грудью больше распространено среди обеспеченных слоев населения, что само по себе может дать такой эффект. Но вот в Бразилии связи кормления грудью с обеспеченностью уже нет, и взаимосвязь с ожирением и артериальным давлением пропадает, но зато связь с интеллектом остается [10]!

Наличие генетической информации также позволяет разрывать «замкнутые круги»: например, при исследовании взаимосвязи ожирения с успеваемостью в школе приходится учитывать, что полнота связана и с социальной неблагополучностью, так что понять, что из чего следует, становится затруднительно. Однако доступность данных о геноме — а именно, об аллельных вариантах генов FTO и MC4R, связанных с ожирением, — позволяет искать взаимосвязь непосредственно между генами и фенотипом. Оказалось, что успехи носителей «тяжелых» версий этих генов ничуть не ниже, чем у остальных, а, значит, ученым удалось развенчать не самый приятный для полных людей миф.

Особые надежды возлагаются на исследование эпигенетических особенностей — в будущем будет проведен анализ метилирования ДНК (по 450 тыс. точкам) каждого члена когорты на момент рождения и при достижении 7 и 17 лет (это позволяют сделать замороженные образцы крови). Кроме того, такому же анализу будет подвергнут геном их матерей — на момент рождения и 17 лет спустя. Когда эти данные будут получены, они лягут в основу анализа, позволяющего описать динамику активности генов в течение жизни человека. Первые такие результаты уже получены: метилирование девяти генов (определено по ДНК из образцов пуповинной крови) взаимосвязано с ростом при рождении и биохимическим составом тканей в возрасте девяти лет [11]. Фактически, это подтверждает, что факторы внешней среды во время беременности могут повлиять на метилирование генома, что скажется на всей дальнейшей жизни человека.

В дальнейшем следы метилирования планируется искать в развитии нервной системы, в поведенческих реакциях, в сердечнососудистых заболеваниях и в жировой дистрофии печени. Ну и, конечно, предстоит выяснить, почему же метилирование идет по тому или иному пути — влияет ли на это курение, алкоголь, набор веса в течение беременности, загрязнение воздуха или другие факторы.

Поколение Next

Оборудование для секвенирования ДНК и считывания паттернов метилирования — это еще не все, что есть в бристольской лаборатории. Там также отбирают на хранение пробы крови отцов участников исследования, чтобы генетический анализ был более полным. Еще исследователи трансформируют клетки подопытных в «бессмертные» линии (аналогичные клеткам HeLa [12]), делая их неистощимым источником ДНК для дальнейших исследований.

В ближайшее время исследователи приступят к анализу совершенно нового набора тканей — на этот раз это будут образцы детей участников исследования. Эти дети развились из яйцеклеток, сформировавшихся еще во внутриутробном развитии их матерей, а значит, события, происходившие с бабушкой, могут напрямую сказаться на внуках.

Учитывая, какой огромный фронт работ вырисовывается, можно ли все же сказать, что создание и поддержание бристольской когорты оправдало себя? Исследования на основе когорт обычно критикуют, что они чересчур масштабные и долгоиграющие, что они являются своеобразной пожизненной рентой для обслуживающих их исследователей, а результат их далек от ожидаемого.

Нашла применение и самая «кровавая» часть всего исследования — то есть, пригодились и остатки плацент (не прошло и двадцати лет). Оказывается, размер и форма плаценты связаны со здоровьем человека в течение жизни, — в частности, с риском сердечно-сосудистых заболеваний. Какие еще закономерности будут открыты в будущем, когда накопленной статистики станет еще больше, и это будет не только биохимическая и генетическая информация, но и, допустим, расшифровка профиля в фейсбуке, — никому не известно. Не дергайтесь, у нас все ходы записаны.

По мотивам материала в Nature [1].

Литература

1. Helen Pearson. (2012). Children of the 90s: Coming of age. Nature. 484, 155-158;
2. Rachel M Freathy, The Genetic Investigation of ANthropometric Traits (GIANT) Consortium, Dennis O Mook-Kanamori, Ulla Sovio, Inga Prokopenko, et. al.. (2010). Variants in ADCY5 and near CCNL1 are associated with fetal growth and birth weight. Nat Genet. 42, 430-435;
3. T. M. Frayling, N. J. Timpson, M. N. Weedon, E. Zeggini, R. M. Freathy, et. al.. (2007). A Common Variant in the FTO Gene Is Associated with Body Mass Index and Predisposes to Childhood and Adult Obesity. Science. 316, 889-894;
4. Перевалило за тысячу: третья фаза геномики человека;
5. Код жизни: прочесть не значит понять;
6. Cathy Williams, Eileen E Birch, Pauline M Emmett, Kate Northstone, the Avon Longitudinal Study of Pregnancy and Childhood (ALSPAC) Study Team. (2001). Stereoacuity at age 3.5 y in children born full-term is associated with prenatal and postnatal dietary factors: a report from a population–based cohort study. The American Journal of Clinical Nutrition. 73, 316-322;
7. Julie L. Daniels, Matthew P. Longnecker, Andrew S. Rowland, Jean Golding. (2004). Fish Intake During Pregnancy and Early Cognitive Development of Offspring. Epidemiology. 15, 394-402;
8. Gideon Lack, Deborah Fox, Kate Northstone, Jean Golding. (2003). Factors Associated with the Development of Peanut Allergy in Childhood. N Engl J Med. 348, 977-985;
9. Геном человека: как это было и как это будет;
10. Marie-Jo A Brion, Debbie A Lawlor, Alicia Matijasevich, Bernardo Horta, Luciana Anselmi, et. al.. (2011). What are the causal effects of breastfeeding on IQ, obesity and blood pressure? Evidence from comparing high-income with middle-income cohorts. International Journal of Epidemiology. 40, 670-680;
11. Caroline L. Relton, Alexandra Groom, Beate St. Pourcain, Adrian E. Sayers, Daniel C. Swan, et. al.. (2012). DNA Methylation Patterns in Cord Blood DNA and Body Size in Childhood. PLoS ONE. 7, e31821;
12. Бессмертные клетки Генриетты Лакс.