В России создали прототип технологии для поиска потенциально опасных генов

В российском Центре НИОКР Dell EMC (Сколково) создан прототип системы хранения и поиска информации по вариациям генома человека — важного элемента будущего "Интернета ДНК". Так называют единое облачное пространство для хранения геномной информации со всего мира. Один из компонентов, лежащих в основе всей системы — iResearch — уже выложен разработчиками в открытый доступ. Доклад о технологии был представлен на конференции "Интернет ДНК", прошедшей в декабре 2016 года в Москве. Копия доклада есть в распоряжении редакции.

С 2013 года сотрудники некоммерческого Международного Альянса по геномике и здравоохранению (Global Alliance for Genomics and Health, GA4GH) работают над созданием большой облачной базы геномов, которую называют "Интернет ДНК". Российские разработчики создали прототип принципиально новой информационной платформы для этого проекта. Она уже используется для хранения различных типов данных, связанных с геномом человека — геномных вариаций, множества относящихся к ним описаний, сделанных врачами и большого количества дополнительной информации. Главную ценность для исследователей и клиницистов по всему миру представляют хранящиеся внутри платформы и постоянно растущие базы ассоциаций соответствий между теми или иными вредоносными генами и симптомами болезни, которые могут быть с ними связаны.

На сегодня информация о тех или иных особенностях генов человека немало. Существует и множество выявленных связей — например, той или иной мутации и соответствующей ей болезни. Однако знания такого рода часто существуют в разных местах и не систематизированы. Геном человека огромен и перебирать интересующие врачей детали вручную слишком долго и сложно. К сожалению, пока программных средств, позволяющих эффективно работать со столь различными типами данных одновременно просто нет. Поэтому сегодня нет и возможности быстро определять прямые или непрямые связи между ними. Текущий прототип от российских специалистов пока наиболее близкий к реализации этой задачи инструмент. На его базе предполагается создать уже полноценную онлайн-базу геномных данных. Разработчики уже выложили элементы ядра в открытый бесплатный доступ.

Финальная цель проекта — создание для врачей и учёных возможности находить важную информацию о потенциально опасных генах и использовать её в лечении. Немаловажной будет и возможность быстро анализировать и обмениваться такой информацией. В настоящее время количество данных о связях генов с теми или иными болезнями растёт взрывообразно, и одному специалисту очень сложно охватить их без доступа к хорошо организованным базам данных.

Работа прототипа новой платформы была протестирована в центре Интегральной диагностики Массачусетской больницы в Бостоне. На сегодня размеры тестового набора данных составляют 400 гигабайт данных. Это соответствует 2,5 тысячам образцов генома человека и 450 миллионам его вариантов. Несмотря на огромный размер базы, достигнута высокая скорость поиска по ней — находить объект по тому или ином индексированному признаку можно за одну секунду. Разработчики в настоящий момент продолжает совершенствовать надёжность хранения данных, а также интеграцию их системы с открытыми источниками генетической информации. Планируется также упростить систему, чтобы сделать её максимально удобной для врачей.

ДНК всех живущих людей совпадает примерно на 99,9 процента. Отличаются в них всего 4—5 миллионов пар нуклеотидов, в то время как каждая ДНК может состоять из миллиардов нуклеотидных пар. Разница в 0,1 процента вроде бы невелика, но при сравнении генома многих людей оказывается, что вероятность развития глаукомы, рака различных типов и множества других болезней чётко коррелирует с наличием или отсутствием всего одного или нескольких генов. Чтобы понять, какие гены за что отвечают, надо уметь быстро сравнивать истории болезней тех или иных людей и особенности их ДНК. Множество генетических вариаций человека чрезвычайно редки, поэтому для эффективного анализа важно рассматривать сотни, тысячи и даже миллионы человек.

Раньше всего такой метод сопоставления генов и болезней коснулся онкологических и редких болезней. К примеру, мутации в генах BRCA1 и BRCA2 могут приводить к повышенному риску возникновения рака молочной железы. В среднем один из 800 человек имеет мутацию в одном из этих генов. Чтобы понять, какие из этих мутаций патогенны, необходимо проанализировать огромные выборки пациентов. Найдя вредоносную мутацию у той или иной женщины, врач может назначить ей другую частоту мониторинга на предмета рака груди или иные компенсирующие и профилактические мероприятия.

Наиболее известный пример такого подхода — Анджелина Джоли. Рак груди стал причиной смерти нескольких её близких родственниц, поэтому она решила секвенировать свои гены BRCA1 и 2. При секвенировании выяснилось, что у неё именно вредоносная мутация гена BRCA1 и риск развития рака груди составляет 87 процентов, а рака яичников — 50 процентов. Тогда актриса приняла решение пройти процедуру удаления молочных желёз с последующим косметическим их возмещением. Позднее ей удалили и яичники. Эти достаточно радикальные шаги вызвали негативную реакцию ряда специалистов, однако привлекли широкое внимание к теме.